基于交替吸附和分區(qū)再生的涂裝廢氣深度治理技術(shù)探討

胡 勝

(湖南鑫遠(yuǎn)環(huán)境科技股份有限公司，湖南 長沙 410008)

揮發(fā)性有機物被喻為大氣化學(xué)反應(yīng)的“燃料”，在二次氣溶膠和臭氧的生成過程中起著不可或缺的重要作用[1-3]。涂裝工業(yè)作為揮發(fā)性有機物最重要的排放源之一，占到工業(yè)源發(fā)性有機物排放量的20%以上，已被納入全國揮發(fā)性有機物減排的重點領(lǐng)域[4-6]。且我國涂裝工業(yè)普遍采用的廢氣治理技術(shù)為傳統(tǒng)的吸附或吸附-催化燃燒技術(shù)，存在治理效率不高，運行能耗高等問題[7-9]。隨著我國環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)苛和揮發(fā)性有機物控制工作進(jìn)入深水區(qū)，如何提升傳統(tǒng)技術(shù)處理效率和降低運行能耗，實現(xiàn)涂裝廢氣的深度治理，已成為涂裝行業(yè)揮發(fā)性有機物控制的必然趨勢。

1 行業(yè)概況

涂料是現(xiàn)代工業(yè)中不可或缺的材料，涂裝是指將涂料涂覆于需要涂覆或保護(hù)的成型構(gòu)建的主體材料表面(基底)形成具有防護(hù)、裝飾或特定功能涂層的過程，在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)和國防領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。我國涂裝行業(yè)正處于轉(zhuǎn)型升級階段，涂裝設(shè)備非標(biāo)化程度高、涂裝工藝落后、噴漆生產(chǎn)自動化程度低、絕大多數(shù)采用人工噴涂作業(yè)，涂料資源利用率低于國際水平，揮發(fā)性有機物產(chǎn)生量遠(yuǎn)高于發(fā)達(dá)國家水平[10]。

涂裝廢氣排放特征：大多為人工噴涂，涂裝作業(yè)一般延續(xù)時間不長(通常為白天工作，夜間休息)，廢氣排放具有間歇性；涂裝廢氣一般氣量較大、濃度較低。

2 現(xiàn)有治理技術(shù)概況

涂裝廢氣治理的重要途徑是在末端安裝廢氣凈化裝置，目前比較成熟的涂裝廢氣治理技術(shù)有吸附技術(shù)、吸收技術(shù)、燃燒技術(shù)、離子技術(shù)和生物技術(shù)。吸附技術(shù)是一種傳統(tǒng)的有機廢氣治理技術(shù)，也是目前我國應(yīng)用最為廣泛的有機廢氣治理技術(shù)。在目前我國涂裝廢氣治理設(shè)備中，吸附凈化設(shè)備以及以吸附技術(shù)為基礎(chǔ)的集成設(shè)備約占總數(shù)的50%以上。涂裝廢氣治理工藝普遍采用傳統(tǒng)的吸附濃縮+催化燃燒治理方式。常規(guī)工藝流程如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)吸附濃縮+催化燃燒工藝流程圖

工藝說明：廢氣經(jīng)收集系統(tǒng)收集送入吸附床A和吸附床B，兩個吸附床為并聯(lián)使用；吸附飽和后，吸附系統(tǒng)停止工作，啟動催化燃燒裝置利用熱空氣對吸附床A和吸附床B分別進(jìn)行脫附處理，將吸附的有機廢氣脫附處理經(jīng)催化燃燒分解成二氧化碳和水等；經(jīng)脫附處理吸附床得以再生，重新獲得吸附容量，再次投入吸附處理，以此循環(huán)實現(xiàn)涂裝廢氣凈化處理。

3 涂裝廢氣深度治理技術(shù)

3.1 傳統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用于涂裝廢氣治理存在的不足

目前傳統(tǒng)吸附濃縮+催化燃燒工藝應(yīng)用于涂裝廢氣治理主要存在以下不足：

(1)吸附去除效率不高

由于涂裝廢氣量大，需要匹配大容量吸附床，隨著吸附設(shè)備的增大，吸附過程中氣流不均性加大，容易造成吸附器內(nèi)氣流的短流現(xiàn)象發(fā)出，造成吸附去除效率下降；

吸附床A和吸附床B為并聯(lián)使用，涂裝廢氣在兩個吸附床間存在分配不均現(xiàn)象，不可避免地造成吸附床A與吸附床B的穿透曲線不同步，不可避免的造成吸附效率的降低，隨著吸附床數(shù)量的增加，該現(xiàn)象更加明顯；

傳統(tǒng)大容量吸附床在再生過程中(普遍采用小風(fēng)量再生)再生氣流分布不均的現(xiàn)象更加明顯，極易造成不同區(qū)域吸附劑再生效果偏差大，再次投入使用時不同吸附區(qū)域的廢氣去除效率也不同，易造成總體除去效率的下降；

因此，無法滿足涂裝廢氣深度處理要求。

(2)吸附劑吸附容量利用率低，再生頻繁，使用壽命縮短

傳統(tǒng)吸附工藝采取多吸附床并聯(lián)運行模式，由于各吸附床的負(fù)荷曲線不同步，多個吸附床中一個吸附器發(fā)送穿透后即會引起吸附效率的顯著下降，要求進(jìn)入再生狀態(tài)，易造成吸附劑再生頻繁和使用壽命縮短，隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，這種現(xiàn)狀將根據(jù)明確。

(3)再生能耗高，運行經(jīng)濟(jì)性差

傳統(tǒng)催化燃燒再生方式為對吸附床整體進(jìn)行再生，啟動時間長，且啟動過程依賴外部高功率電加熱，能耗高；

熱能利用率低：再生出廢氣濃度波動大，廢氣脫附集中造成反應(yīng)后廢氣溫度過高，大量熱量需外排，造成有機廢氣熱量利用率低；

傳統(tǒng)方式造成的頻繁再生進(jìn)一步加大了系統(tǒng)運行能耗和成本。

3.2 涂裝廢氣治理技術(shù)改進(jìn)

針對傳統(tǒng)吸附濃縮+催化燃燒工藝應(yīng)用于涂裝廢氣治理主要存在的不足，結(jié)合涂裝廢氣排放量大和間斷工作特點，提出交替吸附和分區(qū)再生方案以提高處理效率和降低再生能耗及系統(tǒng)運行成本。工藝流程詳見圖2。

圖2 改進(jìn)型吸附濃縮+催化燃燒工藝流程圖

工藝說明：廢氣經(jīng)收集系統(tǒng)收集后，可選擇性送入吸附床A或吸附床B，兩個吸附床為串聯(lián)使用，廢氣經(jīng)兩級吸附后實現(xiàn)深度處理，實現(xiàn)超低排放。第一級吸附床吸附飽和后，利用涂裝工作間歇期間對第一級吸附床進(jìn)行再生，然后通過閥門切換實現(xiàn)交替吸附將再生好的第一級吸附床轉(zhuǎn)化為新的第二級吸附，在充分利用吸附劑吸附容量的同時減少再生頻率，節(jié)約運行費用。催化燃燒裝置通過閥門切換實現(xiàn)吸附床的分區(qū)再生，節(jié)約再生能耗。

3.3 交替吸附

對傳統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)后，在不改變吸附劑用量和吸附器容量條件可實現(xiàn)梯級吸附和廢氣的超低排放，具體實現(xiàn)方式為：如圖2所示，閥門F101和閥門F112開啟，閥門F102和閥門F111關(guān)閉，收集系統(tǒng)收集的廢氣經(jīng)閥門F101進(jìn)入第一級吸附床(吸附床A)，再進(jìn)入第二級吸附床(吸附床B)進(jìn)行深度處理后，最后通過閥門F112實現(xiàn)超低排放。第一級吸附床(吸附床A)吸附飽和后，關(guān)閉閥門F121和閥門F122，開啟催化燃燒裝置對吸附床A進(jìn)行再生。再生完成后，閥門F102和閥門F111開啟，關(guān)閉閥門F101和閥門F112，收集系統(tǒng)收集的廢氣經(jīng)閥門F102進(jìn)入第一級吸附床(吸附床B)，再進(jìn)入第二級吸附床(吸附床A)進(jìn)行深度處理，從而實現(xiàn)交替吸附。

針對涂裝廢氣排放量大，吸附器容積大的特點，對吸附床內(nèi)吸附劑進(jìn)行了優(yōu)化布置，將吸附劑分四區(qū)布置，每兩層吸附劑中間設(shè)置有廢氣再分布區(qū)，有效避免了傳統(tǒng)大容量吸附床廢氣短流問題。廢氣從吸附器中間進(jìn)入，向兩側(cè)流經(jīng)吸附層，有效降低了吸附劑內(nèi)廢氣流速，減少了系統(tǒng)壓損。吸附床A和吸附床B之間通過閥門連接，同時吸附器內(nèi)留有混合區(qū)，廢氣經(jīng)吸附床A進(jìn)入吸附床B過程中實現(xiàn)了混合均質(zhì)，有效減緩了低濃度廢氣的傳質(zhì)阻力，為廢氣深度處理和超低排放奠定了基礎(chǔ)。

采用兩級吸附，第一級應(yīng)用廢氣本身高濃度實現(xiàn)高效吸附，第二級利用吸附劑處于吸附負(fù)荷曲線前端(低負(fù)荷)實現(xiàn)廢氣深度處理，再通交替吸附使第二級吸附始終處于低負(fù)荷區(qū)，在充分利用第一級吸附容量的同時實現(xiàn)廢氣的超低排放。

3.4 分區(qū)再生

針對傳統(tǒng)大容量有機廢氣吸附裝置再生過程中存在的再生不均勻、再生效率低、再生廢氣濃度波動大、再生熱能利用率低、存在的安全風(fēng)險大等問題，通過對吸附器內(nèi)吸附劑進(jìn)行分區(qū)布設(shè)和閥門切換實現(xiàn)了再生過程的均勻、穩(wěn)定、高效和安全。實現(xiàn)方式如下：如圖2所示，將吸附床A內(nèi)吸附劑從左至右依次分為吸附區(qū)Ⅰ、吸附區(qū)Ⅱ、吸附區(qū)Ⅲ和吸附區(qū)Ⅳ，通過調(diào)整閥門依次再生吸附區(qū)Ⅱ、吸附區(qū)Ⅱ和吸附區(qū)Ⅰ、吸附區(qū)Ⅲ、吸附區(qū)Ⅲ和吸附區(qū)Ⅳ，從而實現(xiàn)再生廢氣濃度均勻和催化燃燒產(chǎn)生的熱量高效利用，有效節(jié)約再生能耗和運行成本。

4 治理效果

采用交替吸附和分區(qū)再生對浙江嘉善某大型家具噴涂廢氣治理工程進(jìn)行改造，在吸附劑用量不變條件下，通過交替吸附方式廢氣去除效率大于95%，廢氣總VOCs排放濃度低于10 mg/m3。相對與傳統(tǒng)方式廢氣治理效率提升了約10%，實現(xiàn)了涂裝廢氣超低排放。同時吸附裝置再生頻率下降了30%，有效延長了吸附劑使用壽命。

分區(qū)再生方式可以使再生加熱時間節(jié)約50%，再生廢氣濃度穩(wěn)定控制在自持燃燒范圍內(nèi)，充分利用再生廢氣提供熱能。

5 結(jié) 論

采用交替吸附和分區(qū)再生方式改進(jìn)傳統(tǒng)涂裝廢氣治理技術(shù)，通過兩級交替吸附，可實現(xiàn)廢氣的深度治理和超低排放。同時，兩級交替吸附可實現(xiàn)吸附劑吸附容量的高效利用，減少吸附劑再生頻率，從而延長吸附劑使用壽命和降低涂裝廢氣治理系統(tǒng)運行費用。分區(qū)再生方式實現(xiàn)了大容量吸附裝置的高效、節(jié)能、安全和穩(wěn)定再生，再生綜合節(jié)能效率大于65%。