彭芬，汪壯，吳衛(wèi)，劉彰

（1.航天凱天環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆?長沙410100；2.長沙凱天工研院環(huán)保服務(wù)有限公司，湖南長沙410100）

近幾年，隨著“史上最嚴(yán)”秋冬霧霾治理的開始，大氣治理面臨新的挑戰(zhàn)，要求日趨嚴(yán)格。日前，中國環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會對外發(fā)布《中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r報告（2018）》（以下簡稱《報告》），《報告》顯示，2017年全國環(huán)保產(chǎn)業(yè)營業(yè)收入約13 550 億元，較2016年增長約17.4%，同時，《報告》預(yù)測2020年我國環(huán)保產(chǎn)業(yè)營業(yè)收入總額有望超過2 萬億元[1]，市場潛力之大不容小覷。

VOCs 種類繁多、成分復(fù)雜、性質(zhì)各異，在很多情況下采用一種凈化技術(shù)難以達(dá)到治理要求，且不經(jīng)濟(jì)。利用不同單元治理技術(shù)的優(yōu)勢，采用組合治理工藝，不僅可滿足排放要求，而且可降低凈化設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用，因此，在有機(jī)廢氣治理中，采用一種或多種凈化技術(shù)的組合工藝得到了迅速發(fā)展。

針對現(xiàn)行各種技術(shù)在處理低濃度、大風(fēng)量的VOCs 污染物時存在的設(shè)備投資大、運(yùn)行成本高、去除效率低等問題，出現(xiàn)了一種處理低濃度、大風(fēng)量工業(yè)廢氣的高效率、安全的處理工藝，即“預(yù)處理+濃縮轉(zhuǎn)輪+催化燃燒”組合凈化技術(shù)。

為此，研究一種普適性強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用于涂裝、印刷、石油化工等行業(yè)大風(fēng)量、低濃度有機(jī)廢氣治理的工藝技術(shù)，具有較大市場價值，這也是研發(fā)小型“預(yù)處理+濃縮轉(zhuǎn)輪+催化燃燒”一體化裝置的出發(fā)點(diǎn)。

1 工藝原理

1.1 工藝流程

“預(yù)處理+濃縮轉(zhuǎn)輪+催化燃燒”是轉(zhuǎn)輪濃縮技術(shù)與催化燃燒技術(shù)的有效結(jié)合。首先，有機(jī)廢氣經(jīng)預(yù)處理去除漆霧或粉塵等顆粒污染物后，以確保進(jìn)入濃縮吸附轉(zhuǎn)輪的顆粒物濃度符合相關(guān)要求，有效避免對濃縮轉(zhuǎn)輪造成不良影響，如堵塞孔道等。經(jīng)預(yù)處理之后的有機(jī)廢氣，通過濃縮轉(zhuǎn)輪對廢氣進(jìn)行動態(tài)吸附，將廢氣濃縮富集，實(shí)現(xiàn)大風(fēng)量、中低濃度廢氣轉(zhuǎn)變?yōu)樾★L(fēng)量、高濃度廢氣。同時濃縮后的高濃度廢氣在脫附區(qū)經(jīng)脫附后送入催化燃燒裝置，實(shí)現(xiàn)有效經(jīng)濟(jì)燃燒，最終生成無毒無害的二氧化碳和水等達(dá)標(biāo)排放，系統(tǒng)對有機(jī)廢氣的去除率可穩(wěn)定達(dá)到95%的水平，同時脫附區(qū)轉(zhuǎn)輪得到再生。轉(zhuǎn)輪進(jìn)行吸附作業(yè)的同時，利用一小部分有機(jī)廢氣或外部新風(fēng)對轉(zhuǎn)輪脫附區(qū)進(jìn)行冷卻降溫，冷卻區(qū)的轉(zhuǎn)輪經(jīng)冷卻后又可進(jìn)入下一個吸附濃縮周期，即完成吸附/脫附/冷卻的循環(huán)過程。工藝路線及流程詳見圖1。

圖1 轉(zhuǎn)輪濃縮-催化燃燒工藝路線

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

可適于間歇運(yùn)行，處理效率90%～95%；

結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積相對較?。?/p>

采用管式或板式換熱器，換熱效率高；

不能處理含硫、鹵素等有機(jī)物質(zhì)。

1.3 應(yīng)用領(lǐng)域

適用于中小型油墨印刷、噴漆行業(yè)等風(fēng)量不穩(wěn)定、濃度多變、間歇作業(yè)的復(fù)雜工況廢氣治理，采用離線脫附，吸附持續(xù)時間長，即開即用。針對間歇式排放廢氣的行業(yè)，可在濃縮輪吸附達(dá)飽和后，通過催化燃燒的余熱對轉(zhuǎn)輪進(jìn)行離線脫附再生，這樣一來轉(zhuǎn)輪吸附濃縮倍率更高，吸附持續(xù)時間長，脫附頻次少，可降低運(yùn)行成本。

2 關(guān)鍵設(shè)備

“預(yù)處理+濃縮轉(zhuǎn)輪+催化燃燒”組合技術(shù)的核心包括預(yù)處理、濃縮轉(zhuǎn)輪和催化燃燒裝置三大部分。

2.1 預(yù)處理

預(yù)處理主要針對噴漆廢氣等具有顆粒污染物與廢氣并存的現(xiàn)象，首先應(yīng)對廢氣進(jìn)行預(yù)處理，以去除漆霧及粉塵等顆粒污染物。

常見的漆霧過濾技術(shù)分為兩大類，一類是干法漆霧凈化技術(shù)，主要是利用漆霧過濾棉等過濾材料對漆霧分子進(jìn)行物理攔截，操作及維護(hù)簡單，但是濾材飽和后需要經(jīng)常進(jìn)行更換；另一類是濕法漆霧凈化技術(shù)，主要是利用水或有機(jī)溶劑等將漆霧分子捕捉，再通過添加漆霧絮凝劑等將漆霧絮集成團(tuán)，把漆渣予以打撈，漆霧得以凈化，但是會造成水污染等二次污染的發(fā)生。本研究優(yōu)選干法漆霧凈化方式，擬采用“G2 金屬絲網(wǎng)+DPA+F6+除濕+顆粒活性炭+H10”六級過濾，其中G2，F(xiàn)6，H10 等表示不同過濾等級，詳細(xì)可查詢《歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 779：2002 一般通風(fēng)用空氣過濾器——過濾性能的測定》[2]和《歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 1822-1 高效空氣過濾器（EPA、HEPA、ULPA）》[3]，確保進(jìn)入濃縮轉(zhuǎn)輪的顆粒物濃度≤1 mg/m3[4]。

2.2 濃縮轉(zhuǎn)輪

濃縮轉(zhuǎn)輪裝置是實(shí)現(xiàn)廢氣濃縮的裝置。而轉(zhuǎn)輪芯體是轉(zhuǎn)輪濃縮裝置最為核心的部件之一，是將陶瓷纖維紙加工成波紋形、平板形，再用無機(jī)粘合劑粘接在一起卷成具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)輪，并將疏水性分子篩涂敷在蜂窩狀的通道表面而制成[5]。

目前，轉(zhuǎn)輪吸附單元基本依賴進(jìn)口，常用的轉(zhuǎn)輪有盤式轉(zhuǎn)輪和筒式轉(zhuǎn)輪，如圖2。

圖2

盤式濃縮轉(zhuǎn)輪分為3 個區(qū)域：吸附區(qū)、脫附區(qū)和冷卻區(qū)，分別與相應(yīng)風(fēng)道相連接。為了防止各個區(qū)之間竄風(fēng)及吸附轉(zhuǎn)輪的圓周與殼體之間的空氣泄漏，各個區(qū)的分隔板與吸附轉(zhuǎn)輪之間、吸附轉(zhuǎn)輪的圓周與殼體之間均裝有耐高溫、耐溶劑的氟橡膠密封材料。轉(zhuǎn)輪在電機(jī)帶動下旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度1～6 r/h。脫附溫度≥180 ℃（200～210 ℃），濃縮倍率10～20 倍。

筒式轉(zhuǎn)輪相比于盤式轉(zhuǎn)輪，沒有冷卻區(qū)，脫附溫度150～180℃，轉(zhuǎn)輪設(shè)計為模塊狀，轉(zhuǎn)輪大小可根據(jù)場地進(jìn)行調(diào)整，目前應(yīng)用還不多。

2.3 催化燃燒裝置

催化燃燒是典型的氣-固相催化反應(yīng)，其實(shí)質(zhì)是活性氧參與的深度氧化作用。借助催化劑可使有機(jī)廢氣在較低的起燃溫度條件下，發(fā)生無焰燃燒。催化燃燒凈化是利用工業(yè)廢氣中污染物可以燃燒的特性，將污染物中含碳?xì)涞幕衔铮诖呋瘎┖洼^低溫度（250～450℃）下進(jìn)行氧化分解，使其轉(zhuǎn)化為無害的二氧化碳與水蒸氣，具體過程如圖3。

圖3 催化燃燒裝置工藝流程

3 研究內(nèi)容

3.1 預(yù)處理材料篩選

通過對涂裝、油墨印刷等行業(yè)的大氣污染特征分析，不難發(fā)現(xiàn)，一些行業(yè)的大氣污染存在顆粒污染物與廢氣并存的現(xiàn)象，因此在進(jìn)行廢氣治理前，必須對顆粒污染物即漆霧及粉塵顆粒等予以去除，否則將對后續(xù)廢氣治理技術(shù)的吸附材料、催化劑或蓄熱體等造成極大不良影響，如造成孔徑堵塞等，嚴(yán)重影響廢氣治理的效果。不同過濾材料擁有不同的過濾效果，因此，預(yù)處理過濾材料的篩選是研究的主要內(nèi)容之一。針對同一種有機(jī)廢氣，通過采用不同過濾等級的過濾材料進(jìn)行小試試驗(yàn)，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)成本分析，以篩選出適合的經(jīng)濟(jì)高效的過濾材料。

3.2 濃縮轉(zhuǎn)輪工藝參數(shù)研究

通過對進(jìn)口轉(zhuǎn)輪運(yùn)行的工藝參數(shù)進(jìn)行研究，以保證轉(zhuǎn)輪的最佳運(yùn)行狀態(tài)。

3.2.1 轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速

吸附與脫附在轉(zhuǎn)輪運(yùn)行周期中是同步進(jìn)行的，兩者互為影響并共同決定轉(zhuǎn)輪的去除效率，而轉(zhuǎn)速的大小表明吸附和脫附時間長短。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于最佳轉(zhuǎn)速時，吸附率會降低；當(dāng)轉(zhuǎn)速高于最佳轉(zhuǎn)速時，脫附區(qū)少部分能被加熱到再生溫度，脫附不徹底。實(shí)際應(yīng)用中，通過試驗(yàn)將轉(zhuǎn)速匹配其他參數(shù)變化控制在一個范圍內(nèi)。

3.2.2 脫附溫度

吸附劑的脫附再生存在一個適宜溫度范圍，可以獲得更快的脫附速率，同時消耗更小的脫附風(fēng)量。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

小型“預(yù)處理+濃縮轉(zhuǎn)輪+催化燃燒”擬采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，整個裝置一體化，減少管路連接，外形美觀，組裝及維修方便。

4 展望

近幾年，我國對大氣污染治理的要求日趨嚴(yán)格，轉(zhuǎn)輪濃縮-催化燃燒技術(shù)具有凈化效率高的優(yōu)勢，鑒于目前市場上這些常用的部件大部分從國外進(jìn)口，國內(nèi)生產(chǎn)較少，無疑造成初期投資較高，不符合環(huán)境保護(hù)經(jīng)濟(jì)性原則，應(yīng)亟需開發(fā)獨(dú)立自主知識產(chǎn)權(quán)的濃縮轉(zhuǎn)輪、催化材料等關(guān)鍵部件及材料，降低該技術(shù)的投資成本。