【技術(shù)創(chuàng)新深度解析】常用 VOCs 治理技術(shù)：沸石轉(zhuǎn)輪濃縮+催化燃燒技術(shù)處理VOCs

摘要

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，有機(jī)揮發(fā)性物質(zhì)VOCs大量產(chǎn)生，近年來，揮發(fā)性有機(jī)物 (VOCs)已成為我國大氣污染物的主要來源之一，這對人類的健康和生態(tài)系統(tǒng)的平衡造成了極大的威 脅，VOCs的末端治理工作引起了社會的廣泛關(guān)注。

在現(xiàn)有單一末端治理技術(shù)基礎(chǔ)上，對適合于大風(fēng)量、低濃度VOCs的吸附濃縮-催化燃燒組合技術(shù)的原理、工藝流程、研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景進(jìn)行了具體論述。

通過不同末端治理技術(shù)的對比，發(fā)現(xiàn)單一末端治理技術(shù)難以有效實(shí)現(xiàn)VOCs的減排控制，而 組合末端治理技術(shù)具有凈化率高、投資成本少、能耗低、無二次污染等優(yōu)勢，已成為目前研究的熱點(diǎn)。其中吸附濃縮-催化燃燒技術(shù)已經(jīng)取得廣泛應(yīng)用，其他新興組合技術(shù)還有待研究與創(chuàng)新。

本工作指出了我國VOCs末端治理技術(shù)存在的主要問題及今后的發(fā)展方向。

一.  VOCs簡介

VOCs (volatile organic compounds),是指常溫下飽和蒸汽壓大于133. 32 Pa、常壓下沸點(diǎn)在 50~260°C以下的有機(jī)化合物，或在常溫常壓下任何能揮發(fā)的有機(jī)固體或液體，是普遍存在且組 成復(fù)雜的一類有機(jī)污染物的統(tǒng)稱。VOC按其化學(xué)結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步分為：烷類、芳炷類、酯類、 醛類和其他等。目前已鑒定出的有300多種。最常見的有苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、三氯乙 烯、三氯甲烷、三氯乙烷、二異氤酸酯(TDI)、二異氤甲苯酯等。

VOCs對大氣造成的危害主要有：

(1)部分具有毒性和致癌性，危害人體健康；

(2) VOCs 中的碳?xì)浠衔锱c氮氧化合物在紫外線的作用下反應(yīng)生成臭氧，可導(dǎo)致大氣光化學(xué)煙霧事件發(fā) 生，危害人類健康和植物生長；

(3)參與大氣中二次氣溶膠的形成，二次氣溶膠多為細(xì)顆粒, 不易沉降，能較氏時(shí)間滯留在大氣屮，對光線的散射力較強(qiáng)，能顯著降低大氣能見度

目前我國大部分城市大氣環(huán)境已呈現(xiàn)區(qū)域性霾污染、臭氧及酸雨等三大復(fù)合型污染特點(diǎn)，而 VOCs是極重要的助推劑之一。

二. VOCs常見處理技術(shù)

VOCs對環(huán)境的極大危害和對人體健康的嚴(yán)重威脅，引起了全世界的高度重視。VOCs的治 理在我國已是刻不容緩，目前VOCs的處理技術(shù)主要分為兩大類:

(1)在源頭上進(jìn)行控制，具體是指在生產(chǎn)環(huán)節(jié)上防止或減少VOCs排放的措施，是治理有機(jī) 廢氣污染的最佳方法。但由于技術(shù)水平的限制，會不可避免地向環(huán)境中排放和泄漏不同濃度的有 機(jī)廢氣，實(shí)現(xiàn)難度較大。

(2)在生產(chǎn)末端控制并消除VOCs的治理方法，可分為回收技術(shù)和銷毀技術(shù)兩類。

回收技術(shù)：是采用物理方法將VOCs回收的非破壞性方法，主要有活性炭吸附法、冷凝法、膜處理法等。此類方法不僅能有效控制VOCs的排放，而且回收利用能夠節(jié)約資源，帶來經(jīng)濟(jì)效益，目前越來越 受到人們的關(guān)注。

銷毀技術(shù)：即通過化學(xué)或生物反應(yīng)過程使VOCs廢氣氧化分解為無毒或低毒物質(zhì)的破壞性方法，主要技術(shù)有燃燒、光催化降解、等離子體技術(shù)、生物降解等。

上述VOCs廢氣處理技術(shù)是單一處理工藝，須根據(jù)VOCs廢氣排放的具體情況和要求，選擇合適的工藝；因?yàn)閂OCs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)往往 難以達(dá)到治理要求，并且很不經(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，既可以滿足排放要求，又可以降低設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用。

最先被用于處理VOCs的技術(shù)是吸附法，其中最為常用且較為典型的是活性炭吸附，活性炭吸附法用于吸附處理鹵代煙和苯系物等的技術(shù)在工業(yè)上已很常見。吸附法的主要原理是利用比表面積比較大的多孔材料作為吸附劑，當(dāng)VOCs氣體流經(jīng)吸附劑時(shí)，由于吸附劑大的比表面積, VOCs分子被吸附劑截留于微孔內(nèi)表面上，從而達(dá)到將氣體凈化的效果。沸石轉(zhuǎn)輪+催化燃燒技術(shù)作為一種新型組合的、高效的VOCs吸附處理技術(shù)，在國外已得到廣泛應(yīng)用。

三. 沸石轉(zhuǎn)輪+催化燃燒技術(shù)技術(shù)原理

1、 轉(zhuǎn)輪吸附簡介

轉(zhuǎn)輪吸附是由轉(zhuǎn)輪除濕技術(shù)演化而來，后由來自瑞典的Carl Munters提出可以把吸附材料做成蜂窩狀，然后將轉(zhuǎn)輪技術(shù)用于分離過程的想法。在1986年，瑞典Munters公司第一個(gè)將理論 變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，將沸石制成蜂窩狀置于轉(zhuǎn)輪中，來實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢氣中VOCs的凈化。1988年，日本西部技研公司在VOCs凈化工程中采用了蜂窩狀沸石轉(zhuǎn)輪，并獲得成功。沸石轉(zhuǎn)輪技術(shù)已被大量用 于日本、美國、歐洲等國家低濃度大風(fēng)量VOCs的治理中，而在我國的臺灣地區(qū)也得到了很好的應(yīng)用。由于國外轉(zhuǎn)輪技術(shù)發(fā)展較早，因此技術(shù)較為先進(jìn)，總體來說，沸石轉(zhuǎn)輪的生產(chǎn)技術(shù)還掌握 在國外的企業(yè)手中。

轉(zhuǎn)輪常用吸附劑：

(1)吸附劑種類

吸附材料是轉(zhuǎn)輪技術(shù)的核心，常用的有活性炭和沸石分子篩兩種。活性炭有豐富的微孔，較 大的比表面積，吸附能力強(qiáng)，速度快，被廣泛用于轉(zhuǎn)輪技術(shù)中。活性炭作為吸附劑處理廢氣時(shí), 其吸附容量大，成本低，但是其孔道易堵塞，并且活性炭本身具有一定的可燃性，在脫附時(shí)易著火，會構(gòu)成一定的安全隱患，不符合安全生產(chǎn)的要求，在實(shí)際的應(yīng)用中會受到影響。

沸石分子篩是一種具有特定骨架結(jié)構(gòu)的結(jié)晶鋁硅酸金屬鹽的水合物材料，化學(xué)通式為：

[ (A102) x - (SiO2)y] - zH20o

其中M代表陽離子，m表示其價(jià)態(tài)數(shù)，z表示水合數(shù)，x 和萬是整數(shù)，改結(jié)構(gòu)被活化后，甲.頭的水分了會消失，剰下的成分就會白動形成籠形結(jié)構(gòu)，孔徑為3~10?。

沸石分子篩其選擇吸附能力主要得力于規(guī)整的結(jié)構(gòu)。沸石分子篩孔徑排列規(guī)則，分布均勻，選擇吸附性主要是因?yàn)椴煌惺目讖酱笮〔煌?，一般情況下，只有分子動力學(xué) 直徑小于分子篩孔徑的分子才會被分子篩吸附。

不同類型的分子篩的骨架結(jié)構(gòu)和孔徑大小也存在較大的差異，而分子篩的骨架結(jié)構(gòu)具有程度 范圍內(nèi)的可變性，因此一些分子動力學(xué)直徑略大于孔徑的分子也可以被其吸附，但是吸附速率和吸附容量會明顯減小。

由于結(jié)構(gòu)中具有陽離子，并且其骨架結(jié)構(gòu)帶負(fù)電荷，因此是分子篩自身帶有極性。沸石分子篩的陽離子會產(chǎn)生強(qiáng)正電場，以此來吸引極性分子的負(fù)極中心，或者可極化的分子經(jīng)沸石分子篩靜電誘導(dǎo)后極化。

因此，沸石分子篩能夠吸附極性較強(qiáng)或較易極化但動力學(xué)直徑略大于其孔道尺寸的分子。由于分子篩具有特殊的孔道結(jié)構(gòu)使其具有特殊的性能，于高溫低壓 的條件下也能夠發(fā)揮其吸附能力。目前常被用來吸附的分子篩種類有13X, NaY,絲光沸石和 ZSM -5 等。

沸石轉(zhuǎn)輪原理介紹

研究得出：若是將加工好的波紋形以及平板形陶瓷纖維紙采用無機(jī)粘合的方式做成蜂窩狀的轉(zhuǎn)輪，然后再將具有吸水性的沸石涂抹在這個(gè)轉(zhuǎn)輪的通道上，該轉(zhuǎn)輪就成為了吸附性轉(zhuǎn)輪，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，該吸附性轉(zhuǎn)輪對于VOCs的凈化處理十分有效。

沸石轉(zhuǎn)輪濃縮區(qū)可分為處理區(qū)、再生區(qū)、冷卻區(qū)三部分，濃縮轉(zhuǎn)輪在各個(gè)區(qū)內(nèi)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。 VOCs有機(jī)廢氣通過前置過濾器過濾后，再通過濃縮轉(zhuǎn)輪裝置的處理區(qū)。

在處理區(qū)VOCs被吸附劑吸附去除，凈化后的空氣從濃縮轉(zhuǎn)輪的處理區(qū)排出。吸附在濃縮轉(zhuǎn)輪中的有機(jī)廢氣VOCs,在再生區(qū)經(jīng)熱風(fēng)處理而被脫附、濃縮到5~15倍的程度。

濃縮轉(zhuǎn)輪在冷卻區(qū)被冷卻，經(jīng)過冷卻區(qū)的 空氣，加熱后作為再生空氣使用，達(dá)到凈化節(jié)能的效果。沸石轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)如圖所示。

催化燃燒過程

催化燃燒過程是在催化燃燒裝置中進(jìn)行的。有機(jī)廢氣先通過熱交換器預(yù)熱到200 - 400°C , 再進(jìn)入燃燒室，通過催化劑床時(shí)，碳?xì)浠衔锏姆肿雍突旌蠚怏w中的氧分子分別被吸附在催化劑的表面而活化。由于表面吸附降低了反應(yīng)的活化能，碳?xì)浠衔锱c氧分子在較低的溫度下迅速氧化，產(chǎn)生二氧化碳和水。

沸石轉(zhuǎn)輪濃縮催化燃燒技術(shù)的基本構(gòu)思

采用吸附分離法對低濃度、大風(fēng)量工業(yè)廢氣中的VOCs進(jìn)行分離濃縮，對濃縮后的高濃度、 小風(fēng)量的污染空氣釆用燃燒法進(jìn)行分解凈化，通稱吸附分離濃縮+燃燒分解凈化法。

具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的吸附轉(zhuǎn)輪被安裝在分隔成吸附、再生、冷卻三個(gè)區(qū)的殼體中，在調(diào)速馬達(dá)的驅(qū)動下以每小時(shí)3 ~8轉(zhuǎn)的速度緩慢回轉(zhuǎn)。

吸附、再生、冷卻三個(gè)區(qū)分別與處理空氣、冷卻空氣、再生空氣風(fēng) 道相連接。而且，為了防止各個(gè)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(gè)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)輪吸附濃縮-催化燃燒工藝流程

1號風(fēng)機(jī)帶動含VOCs廢氣經(jīng)過轉(zhuǎn)輪a區(qū)域，a區(qū)域?yàn)槲絽^(qū)，根據(jù)不同的目標(biāo)物可在轉(zhuǎn)輪 中填充不同的吸附材料。吸附了 VOCs的a區(qū)域隨轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動來到b區(qū)域進(jìn)行脫附。流經(jīng)傳熱1的 高溫氣流將吸附于轉(zhuǎn)輪上的VOCs脫附下來，并經(jīng)過傳熱2達(dá)到起燃溫度，隨后進(jìn)入催化燃燒室 進(jìn)行催化氧化反應(yīng)。由于轉(zhuǎn)輪脫附之后又要進(jìn)行吸附，所以在脫附區(qū)域旁邊設(shè)冷卻區(qū)域c,以空 氣進(jìn)行冷卻，冷卻之后的溫空氣經(jīng)傳熱1變成脫附用熱空氣。催化燃燒反應(yīng)之后的熱氣流將部分 熱量傳遞給傳熱2、傳熱1后排至空氣。

為了防止催化燃燒室溫度過高，設(shè)置第三方冷卻線路用于催化燃燒室的緊急降溫。整個(gè)系統(tǒng)巾萬個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)組成，PCI負(fù)責(zé)監(jiān)控催化燃燒室、傳熱器的溫度（其內(nèi)部設(shè)電輔熱裝置以平衡溫 度波動)，PC2負(fù)責(zé)風(fēng)機(jī)控制，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量。PC2屬于PC1的子級系統(tǒng)，當(dāng)PC1 監(jiān)測到溫度波動超過允許范圍時(shí)立刻將信息傳遞給PC2, PC2將收到的信息轉(zhuǎn)成指令傳遞給各風(fēng)機(jī)。

轉(zhuǎn)輪吸附濃縮-催化燃燒工藝特點(diǎn)

(1)吸附區(qū)旁路內(nèi)循環(huán)的建立。當(dāng)廢氣經(jīng)過吸附區(qū)吸附后不達(dá)標(biāo)，進(jìn)入旁路內(nèi)循環(huán)，再次 進(jìn)行吸附處理。此旁路內(nèi)循環(huán)的基本思路為消滅現(xiàn)有污染再吸納新的污染。

(2)冷卻風(fēng)旁路建立。在工況十分復(fù)雜的情況下，VOCs濃度有可能陡然升高，此時(shí)將部分 冷卻風(fēng)引入到吸附區(qū)以降低脫附風(fēng)量，同時(shí)在傳熱2后補(bǔ)充新風(fēng)，以維系進(jìn)入催化反應(yīng)器的風(fēng)量 在預(yù)設(shè)范圍以內(nèi)。此旁路的基本思想是以新風(fēng)對高濃度VOCs進(jìn)行稀釋，因而從效果上看，此法 也會延長治理時(shí)間。

四.  結(jié)語

針對目前芯片制造業(yè)、LCD面板業(yè)、半導(dǎo)體業(yè)，印刷業(yè)、涂裝行業(yè)等多個(gè)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。其固定的生產(chǎn)方式必須要用到大量的有機(jī)溶劑，用以作為清洗劑、光刻膠、剝離液、稀釋劑等, 在這個(gè)過程中會產(chǎn)生大量的有機(jī)廢氣，這些有機(jī)廢氣都是大風(fēng)量、低濃度的廢氣，所以要想高效的治理這一類的含有VOCs成分的廢氣，沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮法是現(xiàn)階段最為有效的治理方式。

現(xiàn)在新型新型吸附劑正在開發(fā)當(dāng)中，我國的轉(zhuǎn)輪制作技術(shù)和密封技術(shù)也在不斷的提高，轉(zhuǎn)輪吸附技術(shù)的實(shí)用性和處理效果也將得到大幅度的提升，該項(xiàng)技術(shù)在未來的時(shí)間里將突破行業(yè)的壁壘，受到更加廣泛的應(yīng)用。