吸附+催化燃燒工藝在涂裝行業(yè)廢氣治理中的問(wèn)題和工藝優(yōu)化

吳 舉，陳 強(qiáng)，蔡志輝，陳春苗，葉 帆

(秦皇島格瑞因環(huán)境工程有限公司，河北秦皇島 066004)

1 前言

隨著國(guó)家《十三五規(guī)劃》、《氣十條》、《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》等環(huán)保規(guī)劃的深入實(shí)施，國(guó)家和地方針對(duì)各行業(yè)的揮發(fā)性有機(jī)廢氣( 簡(jiǎn)稱“VOCs廢氣”)均出臺(tái)了嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)；涂裝行業(yè)作為VOCs廢氣重要來(lái)源之一，其涂裝行業(yè)積極、有效地開(kāi)展有機(jī)廢氣治理工作，不僅關(guān)乎企業(yè)員工的身心健康，也是完成國(guó)家揮發(fā)性有機(jī)物總量減排任務(wù)的必要環(huán)節(jié)。目前，適用于涂裝行業(yè)的廢氣處理技術(shù)尚處于不斷完善中，因此，根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)處理工藝中存在問(wèn)題，提出優(yōu)化方案具有重要的意義。

2 涂裝行業(yè)VOCs廢氣排放特點(diǎn)及適用治理技術(shù)

2.1 涂裝行業(yè)VOCs廢氣的排放特點(diǎn)

涂裝車(chē)間VOCs廢氣主要源自噴漆室、烘干室和晾干室的排氣[1]。各生產(chǎn)工段的有機(jī)廢氣排放特點(diǎn)歸納如表1所示。

2.2 涂裝廢氣VOCs的常用治理技術(shù)

涂裝廢氣的特點(diǎn)是風(fēng)量大、濃度低、無(wú)回收價(jià)值，針對(duì)上述的特點(diǎn)，目前適用的工藝是吸附濃縮加脫附焚燒的工藝，這類工藝目前常用的工藝組合為沸石轉(zhuǎn)輪吸附+蓄熱焚燒工藝和活性炭吸附+催化燃燒工藝兩種。

表1 涂裝過(guò)程VOCs廢氣的排放特點(diǎn)Tab.1 Emission characteristics of VOCs coating process

(1)沸石轉(zhuǎn)輪吸附+蓄熱焚燒工藝

沸石轉(zhuǎn)輪吸附+蓄熱焚燒工藝是利用吸附劑沸石吸附大風(fēng)量、低濃度廢氣中的VOCs，然后采用小風(fēng)量高溫氣體將吸附在沸石中的VOCs脫附出來(lái)，脫附后的小風(fēng)量、高濃度的VOCs送到RTO內(nèi)，有機(jī)物在RTO內(nèi)被高溫氧化成CO2和H2O，達(dá)到凈化的目的[2]。沸石轉(zhuǎn)輪吸附+蓄熱焚燒組合工藝具有運(yùn)行穩(wěn)定、凈化效率高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，而缺點(diǎn)是設(shè)備投資高、運(yùn)行費(fèi)用高，目前國(guó)產(chǎn)的沸石轉(zhuǎn)輪技術(shù)還不夠成熟，工程應(yīng)用過(guò)程中仍然較多的依賴進(jìn)口沸石轉(zhuǎn)輪。該工藝適合應(yīng)用于噴漆量大、廢氣濃度大于250 mg/m3、連續(xù)工作的涂裝企業(yè)。

(2)活性炭吸附+催化燃燒工藝

活性炭吸附+催化燃燒工藝是利用吸附劑活性炭吸附大風(fēng)量、低濃度廢氣中的VOCs，然后從小風(fēng)量的高溫氣體對(duì)活性炭進(jìn)行脫附，脫附后的氣體送入催化燃燒爐內(nèi)進(jìn)行處理，使得廢氣得到凈化，使活性炭再生[3]?；钚蕴课?催化燃燒組合工藝具有設(shè)備投資較低、凈化效率高、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，而缺點(diǎn)是占地面積大。該工藝適用范圍廣，尤其適用于手動(dòng)噴漆、廢氣濃度低于250 mg/m3、連續(xù)或間歇工作的涂裝企業(yè)。

以上兩種工藝是涂裝行業(yè)常用的處理工藝，目前兩種工藝都在實(shí)踐過(guò)程中不斷完善。文章就活性炭吸附+催化燃燒工藝在實(shí)踐過(guò)程中的遇到問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)并提出相應(yīng)的優(yōu)化措施。

3 活性炭吸附+催化燃燒組合工藝存在的問(wèn)題及優(yōu)化措施

3.1 活性炭吸附劑存在的問(wèn)題及優(yōu)化措施

用于處理涂裝VOCs廢氣的活性炭一般采用蜂窩活性炭，選擇活性炭時(shí)除了需要考慮比表面積、碘值和體密度外，還需對(duì)其硬度和防水性進(jìn)行優(yōu)化。

(1)提高蜂窩活性炭的硬度

存在問(wèn)題。普通的蜂窩活性炭在填裝時(shí)容易破碎，運(yùn)行時(shí)易發(fā)生氣流沖蝕，導(dǎo)致活性炭受損，且掉落的炭渣會(huì)堵塞下層的通道，從而導(dǎo)致吸附床通風(fēng)阻力增大，減小了吸附劑的有效利用率。

優(yōu)化措施。采用高硬度的蜂窩活性炭吸附劑，不僅填裝時(shí)不易發(fā)生破碎，而且運(yùn)行不易發(fā)生氣流沖蝕，從而保證了吸附劑在吸附床中的完整性和高效利用率，也可延長(zhǎng)吸附劑的使用壽命。

(2)采用防水型蜂窩活性炭

存在問(wèn)題。活性炭在吸附VOCs的同時(shí)，也會(huì)吸附廢氣中的水分子。水分子在活性炭中大量聚集；用高溫氣體脫附時(shí)，首先會(huì)將水分子脫附下來(lái)，蒸發(fā)出來(lái)的水分子在炭箱內(nèi)壁上會(huì)冷凝聚集成水滴，回落到活性炭表面，當(dāng)選用不防水的普通活性炭時(shí)，下落的水滴會(huì)侵蝕碳層，造成碳層出現(xiàn)大量面積較大的孔洞，孔洞中的氣流阻力很小，未經(jīng)吸附處理的廢氣從孔洞逃逸，降低吸附床層的吸附效率，導(dǎo)致系統(tǒng)排氣不能達(dá)標(biāo)。

優(yōu)化措施。選用防水型蜂窩活性炭，采用特殊的工藝制造而成，即使浸泡到水里也能保持形狀的完整性，即使有水滴掉落下來(lái)，炭層也不會(huì)形成孔洞，確保吸附劑在整個(gè)使用過(guò)程中的完整性，從而避免氣體短路的問(wèn)題。

3.2 活性炭吸附床存在的問(wèn)題及優(yōu)化措施

(1)耐高溫防腐處理

當(dāng)吸附床進(jìn)入脫附狀態(tài)時(shí)，吸附床內(nèi)部處于高溫、高濕狀態(tài)；當(dāng)吸附床采用碳鋼材質(zhì)時(shí)，需要對(duì)吸附床的內(nèi)表面進(jìn)行耐高溫(大于250 ℃)防腐處理，不僅延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，也避免銹皮、銹渣掉落到炭層上導(dǎo)致吸附劑堵塞，進(jìn)而影響整體吸附效率的問(wèn)題。

(2)進(jìn)行保溫處理

通過(guò)對(duì)吸附床進(jìn)行保溫處理，不但可以有效減少脫附時(shí)的熱量損耗，保證脫附效果，也可以防止吸附床外表面燙傷工作人員。此外，當(dāng)設(shè)備在炎熱的夏季運(yùn)行時(shí)，如果吸附床不做保溫，受到環(huán)境溫度、日曬等因素的影響，吸附床內(nèi)也會(huì)有較大的溫升，從而影響吸附效率。

(3)保證風(fēng)的均勻性

活性炭吸附床進(jìn)出口處要留有足夠大的空間，并設(shè)置均風(fēng)板，充分保證吸附廢氣均勻的穿過(guò)炭層，確保脫附時(shí)整個(gè)炭層的均勻升溫，優(yōu)化了脫附效果。

3.3 催化燃燒爐存在的問(wèn)題及優(yōu)化措施

催化燃燒爐是讓有機(jī)物進(jìn)行無(wú)害化處理的裝置，是活性炭吸附+催化燃燒工藝的重要組成部分，但是普遍存在凈化效率低、運(yùn)行費(fèi)用高、使用壽命短等問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是十分必要的。

(1)殼體采用SUS304材質(zhì)

目前市場(chǎng)上催化燃燒爐普遍采用碳鋼材質(zhì)，而催化燃燒爐長(zhǎng)期在300 ℃～400 ℃之間運(yùn)行，通常會(huì)出現(xiàn)爐體受熱變形、焊口開(kāi)裂、內(nèi)表面銹蝕嚴(yán)重、銹皮/銹渣掉到催化劑上，使催化劑失活等問(wèn)題。由此可見(jiàn)，設(shè)備選用碳鋼材質(zhì)是導(dǎo)致催化燃燒爐凈化效率低、使用壽命短的主要原因。

因此，在選擇催化燃燒爐的殼體材質(zhì)時(shí)需要考慮耐高溫和耐腐蝕性，采用SUS304材質(zhì)即可有效避免上述問(wèn)題的發(fā)生。

(2)提高換熱器的換熱效率

催化燃燒爐通常采用碳鋼材質(zhì)的板式換熱器，易發(fā)生銹蝕問(wèn)題，銹皮脫落后會(huì)堵塞換熱器，將導(dǎo)致?lián)Q熱器的阻力增加以及換熱效率的降低。而在高溫區(qū)運(yùn)行的換熱器容易發(fā)生熱變形、焊口開(kāi)裂的情況，從而導(dǎo)致設(shè)備的進(jìn)氣和出氣相互串氣，嚴(yán)重影響了催化燃燒爐的凈化效率和換熱效率。

換熱器采用SUS304材質(zhì)，可有效避免上述問(wèn)題的發(fā)生，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。換熱器作為催化燃燒爐熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備，應(yīng)盡可能的增大換熱面積，提高換熱效率，有利于維持爐溫的穩(wěn)定，可有效降低催化燃燒爐的運(yùn)行費(fèi)用。

3.4 吸附/脫附閥存在的問(wèn)題及優(yōu)化措施

吸附床的吸附/脫附閥普遍采用電動(dòng)式多葉閥，這種閥存在泄漏量大、故障率高等問(wèn)題。較大的泄漏量會(huì)造成脫附與吸附環(huán)節(jié)之間竄氣的情況，增加了吸附劑的處理負(fù)荷，影響凈化效率，而較高的故障率也無(wú)法保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

吸附/脫附閥可采用氣動(dòng)式提升閥，閥體采用SUS304材質(zhì)，由耐高溫硅膠密封條密封，此類閥門(mén)不但穩(wěn)定性高，而且接近于零泄漏。

3.5 脫附溫度存在的問(wèn)題及優(yōu)化措施

吸附質(zhì)脫附難易程度受其沸點(diǎn)影響明顯，高沸點(diǎn)吸附質(zhì)因與吸附劑之間存在更強(qiáng)的作用力而難以脫附[4]。目前市場(chǎng)上運(yùn)行的脫附溫度通常在100 ℃左右，這個(gè)溫度很難將高沸點(diǎn)有機(jī)物脫附下來(lái)，如涂裝行業(yè)中常用的稀釋劑二甲苯的沸點(diǎn)在137 ℃～140 ℃，很難在目前的脫附溫度下脫附下來(lái)。脫附溫度低是活性炭吸附效率衰減快、使用壽命短的主要原因。

研發(fā)新吸附劑，可在蜂窩活性炭里添加阻火劑，從而提高活性炭的著火溫度，這是提高脫附溫度的硬件基礎(chǔ)。此外再優(yōu)化脫附工藝，根據(jù)廢氣成分進(jìn)行針對(duì)性的脫附程序，這是提高脫附溫度的軟件基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)這兩個(gè)措施后，可將脫附溫度提高到160 ℃，從而提高了活性炭?jī)艋屎褪褂脡勖?/p>

4 結(jié)語(yǔ)

文章結(jié)合表面涂裝行業(yè)的廢氣特點(diǎn)，對(duì)適用的處理技術(shù)做了對(duì)比分析，明確不同工藝的適用范圍，重點(diǎn)針對(duì)活性炭吸附濃縮+脫附催化燃燒組合工藝在涂裝行業(yè)廢氣治理應(yīng)用中存在的問(wèn)題進(jìn)行了匯總和剖析，并分享了相應(yīng)的優(yōu)化措施。希望能夠給表面涂裝行業(yè)在廢氣治理工作上帶來(lái)更多積極作用。