转轮浓缩技术分析

转轮浓缩技术分析技术简介VOCs的种类繁多、成分复杂、性质各异，在很多情况下采用一种净化技术往往难以达到治理要求，而且也不经济。利用不同单元治理技术的优势，采用组合治理工艺，不仅可以满足排放要求，而且可以降低净化设备的运行费用。因此，在有机废气治理中，采用两种或多种净化技术的组合工艺近年来得到了迅速发展。沸石转轮吸附浓缩技术就是针对低浓度VOCs的治理而发展起来的一种新技术，与焚烧技术（催化燃烧或高温焚烧）或冷凝技术进行组合，形成了“沸石转轮吸附浓缩+焚烧技术”和“沸石转轮吸附浓缩+冷凝回收技术”。低浓度、大风量的VOCs排放在目前我国的有机废气污染中占了很大的比例，吸附浓缩技术是低浓度废气治理中最为经济有效的技术途径，从一些大型和较大型企业的经营情况分析，吸附浓缩-催化燃烧集成技术所占比例最大，占到全部项目数量的50%以上。之前主要采用的是“固定床吸附浓缩+催化燃烧技术”，近十多年来在我国的工业VOCs净化中占有主导地位，但经过多年来的运行实践，该工艺存在一些明显的缺陷：1）之前主要采用活性炭材料（蜂窝活性炭、颗粒活性炭和活性碳纤维）作为吸附剂，而活性炭材料在采用热气流再生时的安全性较差，当再生热气流的温度达到100°C以上时，吸附床容易着火。2）采用热气流吹扫再生活性炭，因为再生温度低，当脱附周期完成后部分高沸点化合物不能彻底脱附，会在活性炭床层中积累而使其吸附能力下降。由于存在安全性问题，通常的再生温度不能超过120C。因此对于沸点高于120C的有机物，如三甲苯等则不能利用该工艺进行净化。3）通常活性炭具有很强的吸水能力，当废气湿度较高（超过60%）时，对有机物的净化能力将会迅速下降，在处理高湿度的废气时床层的净化效率较低。鉴于以上存在的问题，在吸附浓缩工艺中，国外主要采用疏水型蜂窝分子筛（蜂窝沸石）作为吸附剂，移动式的沸石转轮作为吸附装置。与“固定床吸附浓缩+催化燃烧装置”相比，具有一些明显的优势：1）采用沸石作为吸附剂，安全性能好，采用热气流再生时不易发生着火现象；2）采用沸石作为吸附剂，再生温度可以提高，适用于从低沸点到高沸点各种VOCs的净化；3）设备阻力低，运行成本低；4）吸附后尾气中有机污染物的浓度稳定，便于控制；5）设备体积和占地面积小。硅铝分子筛本身是一种强极性物质，对空气中的水分具有极强的选择性吸附能力。采用沸石作为吸附剂，关键在于沸石的疏水改性技术可以提高其对有机化合物的选择性吸附能力。经过近年来的不断努力，我国在疏水型蜂窝分子筛的生产技术上已经取得了突破，打破了美、日等国家在该技术上的垄断。由于我国的应用市场广泛，因此沸石转轮吸附浓缩技术在今后将会成为国内低浓度VOCs治理的关键技术。国内外研究现状国外催化燃烧技术的研制、生产和销售以Engelhard、BASF、GE等几家大公司为主，生产规模大，质量比较稳定。近年来国内一些单位引进并已相继开发了蓄热式催化燃烧装置，目前正在大面积地推广使用。所使用的关键材料蓄热体的综合性能基本达到国外的水平，并有部分产品出口。最新发展的高温蓄热体是采用陶瓷、砾石或其他高密度惰性材料，热容量高，换热速度快。日本、美国等已经开发出蓄热面积达1200m2/m3的蜂窝陶瓷，并成功应用于蓄热式换热器中。利用催化燃烧法进行工业有机废气的治理，目前在我国已经非常普遍。如北京创导奥福精细陶瓷有限公司蓄热式催化燃烧装置，二室净化效率大于95%，三室净化效率大于99%，主要应用于汽车喷涂、磁带制造和飞机零部件喷涂等。广东东莞泽龙漆包线公司治理工程，该公司采用催化燃烧技术将挥发出来的大量有机溶剂充分燃烧。催化剂采用多孔陶瓷载体催化剂，催化前的预热温度视漆的种类分别为：聚氨酯380〜480°C，聚酯亚胺480〜580°C；有机物浓度约1600mg/m3,净化效率平均为99%。北京绿创大气环保工程有限公司和福州嘉园环保股份有限公司采用吸附浓缩-催化燃烧技术治理低浓度的有机废气。以活性炭纤维作为吸附剂，福州嘉园环保股份有限公司使用蜂窝状活性炭作为吸附剂，并在解放军4309厂、大连船舶重工等成功实施，低浓度的废气经过吸附床浓缩以后最终进入催化反应器进行催化燃烧净化，催化燃烧器的净化效率设计在95%。蜂窝转轮吸附-催化燃烧处理技术是20世纪70年代由日本发明的一种有机废气处理系统，吸附用装置是用分子筛、活性炭纤维或含炭材料制备的瓦楞型纸板组装起来的蜂窝转轮，吸附与脱附气流的流向相反，两个过程同时进行。这种系统在20世纪80年代初被我国引进和仿制，但由于吸附元件（蜂窝转轮）以及系统关键部位连接技术都不过关，吸附与脱附的串风问题未得到根本解决，设备性能不稳定，因此国内应用较少，一直未得到推广。中国人民解放军防化研究院在20世纪80年代末研制设计了固定床吸附-催化燃烧处理系统。该系统是将吸附材料（50X50X100mm蜂窝状活性炭）装填在固定床中，再将吸附床与催化燃烧装置组合成净化处理系统。该工艺系统的原理与上述蜂窝转轮吸附-催化燃烧技术基本相同，但由于单件吸附床的吸附与脱附再生过程分开进行，在操作上克服（避免）了蜂窝转轮净化系统吸、脱附易串气的缺点。经不断改进，系统配置更加合理，净化效率高，运行节能效果显著，在技术上达到国际先进水平。该工艺系统非常适合处理大气体量、低浓度的VOCs废气，其单套系统的废气处理量可以从几千到十几万（m3/h）。该技术是我国真正自主创新的VOCs废气治理工艺，自1989年首次在国内推广，到目前已有数百套该类系统与装置在使用。已经成为国内工业VOCs废气治理的主流产品之一，并预计在将来仍将有很大的应用前景。技术原理针对现行各种方法在处理低浓度、大风量的VOC污染空气时存在的设备投资大、运行成本高、去除效率低等问题，我们研发了一种用于处理低VOC浓度、大风量工业废气的高效率、低运行成本的处理方法。该方法的基本构思是：采用吸附分离法对低浓度、大风量工业废气中的VOC进行分离浓缩，对浓缩后的高浓度、小风量的污染空气采用燃烧法进行分解净化，通称吸附分离浓缩+燃烧分解净化法。具有蜂窝状结构的吸附转轮被安装在分隔成吸附、再生、冷却三个区的壳体中，在调速马达的驱动下以每小时3〜8转的速度缓慢回转。吸附、再生、冷却三个区分别与处理空气、冷却空气、再生空气风道相连接。而且，为了防止各个区之间串风及吸附转轮的圆周与壳体之间的空气泄漏，各个区的分隔板与吸附转轮之间、吸附转轮的圆周与壳体之间均装有耐高温、耐溶剂的氟橡胶密封材料。含有VOC的污染空气由鼓风机送到吸附转轮的吸附区，污染空气在通过转轮蜂窝状通道时，所含VOC成分被吸附剂所吸附，空气得到净化。随着吸附转轮的回转，接近吸附饱和状态的吸附转轮进入到再生区，在与高温再生空气接触的过程中，VOC被脱附下来进入到再生空气中，吸附转轮得到再生。再生后的吸附转轮经过冷却区冷却降温后，返回到吸附区，完成吸附/脱附/冷却的循环过程。由于该过程再生空气的风量一般仅为处理风量的1/10〜1/20，再生过程出口空气中VOC浓度被浓缩为处理空气浓度的10〜20倍。因此，该过程又被称为VOC浓缩除去过程。再牛一加热器转轮吸附的影响因素当吸附材料确实后，影响转轮装置吸附性能的主要因素是转轮运行参数和进气参数。Yosuke等认为，一定范围内进气负荷的变化可通过转速、浓缩比、再生风温度等转轮运行参数调节，以维持预定的性能；Lin等将蜂窝转轮应用于TFT-LCD产业废气处理，当处理高排放浓度时，将入流速度降至1.5m/s，浓缩比降至8,转速增至6.5r/h，再生风温度升至220°C，系统去除效率可达90%以上;Hisashi等指出最佳转速由再生风热容量与吸附剂热容量平衡决定。4.1转轮运行参数对吸附性能的影响4.1.1浓缩比转轮通过吸附-脱附以获得低流量的浓缩气体，因此浓缩比是转轮性能的一个重要指标，定义为进气流量与再生风流量的比值F,表示为公式：F二同邱心低浓缩比虽然可以保证高去除效率，但增加再生风量的同时也增加了脱附能耗，而且浓缩气体的浓度亦随着脱附风量的增加而降低。当浓缩比从14减少至6时，甲苯的出口浓度仅从4.7mg/m3。降低到1.5mg/m3，但浓缩后的甲苯浓度从1345mg/m3降至576mg/m3，如此低的浓度不利于后续燃烧或泠凝单元处理。因此，在确保系统设定的去除率前提下，合理选择浓缩比是至关重要的。工程应用上，浓缩比应兼顾效率与能耗，对于高浓度废气，可选择低浓缩比以确保去除率；而对于低浓度废气，适当选择高浓缩比有利于系统整体能效比提高。4.1.2转轮转速吸附与脱附在转轮运行周期中是同步进行的，两者互为影响并共同决定转轮的去除效率，而转速的大小意味着吸附和脱附时间长短。当转速低于最佳转速时，相应的运行周期变长，其脱附区的再生充分，但是其相对吸附能力久箍着转速n的减小而减小，在温度分布曲线上表现为吸附区的曲线下降明显，这是由吸附放热少引起的，反映了吸附率的降低。而当转速大于最佳转速时，温度曲线表现为只有脱附区前段少部分能被加热到再生温度，因此最佳转速是脱附与吸附的最佳平衡。因此，最佳转速本质上是吸附和脱附时间的控制，以实现转轮去除率最大。实际应用时，因受多因素影响，转轮转速为配合其他参数变化可控制在一区间值。4.1.3再生风温度吸附剂的解析再生存在一个特征温度（最低清洗温度），高于该温度可以获得更快的解析速率同时消耗更小的脱附风量。4.2进气参数对转轮吸附性能的影响4.2.1进气湿度实际工程中，有机废气一般都含有水分，部分相对湿度甚至达到80%。而水分可能与污染物形成吸附竞争，占据转轮吸附空间而降低污染物去除效率，因此抗湿性是衡量吸附性能的重要指标之一。4.2.2进气流速在一定条件下，最佳转速与进气流速成正比，当进气流速提高时，转速应相应的提高，如果转速未根据流速进行相应的提高，运行值低于最佳转速其相对吸附能力久随着转速n的减小而减小，在温度分布曲线上表现为吸附区的曲线下降明显，反映了吸附率的降低。因此对于高浓度有机废气，控制低进气流速是十分必要的，或可相应的提高转速。关键点和难点吸附分离浓缩+燃烧分解净化法的核心技术是高效吸附分离浓缩过程以及所采用的具有蜂窝状结构的吸附转轮。沸石型号选择及性能研究疏水性沸石转轮的研制。需要把加工成波纹形和平板形陶瓷纤维纸用无机粘合剂粘接在一起后卷成具有蜂窝状结构的转轮，并将疏水性分子筛涂敷在蜂窝状通道的表面制成吸附转轮，应用于工业废气中VOC的净化处理过程。转轮工艺参数及结构优化浓缩比一一转轮通过吸附-脱附以获得低流量的浓缩气体，因此浓缩比是转轮性能的一个重要指标，定义为进气流量与再生风流量的比值F。转轮转速一一吸附与脱附在转轮运行周期中是同步进行的，两者互为影响并共同决定转轮的去除效率，而转速的大小意味着吸附和脱附时间长短。再生风温度一一吸附剂的解析再生存在一个特征温度(最低清洗温度)，高于该温度可以获得更快的解析速率同时消耗更小的脱附风量。密封性不佳是转轮应用上存在的较大问题。催化剂的选择。性能良好的催化剂应满足下列基本要求：1)具有优良的低温活性，并适应较高空速，因其直接关系到装置的建设费用和运行费用；2)热稳定性好，在废气浓度过高而产生大量反应热的情况下，催化剂的温度会急剧上升，此时催化剂应不发生显著的物理化学变化；3)具有一定的机械强度和较小的压力降。吸附分离浓缩装置选用及使用中的注意事项6.1吸附转轮的水清洗再生吸附转轮经过长期使用后，总会有一些灰尘或是高沸点的VOC物质附着在吸附过程入口侧转轮的表面或是蜂窝状孔道的表面。导致风阻增加、吸附除去效率降低。通常，在停机检修时，用高压空气对吸附转轮进行吹扫即可清除其表面附着的灰尘，恢复其本来性能。但是，当灰尘与高沸点的VOC或者油类物质一起附着在吸附转轮表面时，仅仅靠高压空气吹扫很难除掉。此时可以采用热水或者是低压水蒸气对吸附转轮进行清洗净化、实现再生。该方法尤其对水溶性VOC特别有效。由于吸附转轮是用无机粘合剂将分子筛涂敷在陶瓷纤维纸表面制造而成。水洗时不仅转轮不会龟裂变形，也不会发生由于分子筛脱落所导致的性能劣化、使用寿命缩短等问题。6.2吸附转轮的高温再生赋活一般来说，由于集成电路或者液晶显示屏等生产过程的废气中含有高沸点有机物、易发生聚合的有机物。在对其进行吸附净化处理时，在通常的标准再生温度(180-200°C)操作条件下，会发生由于脱附不完全或者由于聚合反应生成的高沸点物质蓄积在吸附转轮中。这样不仅造成吸附净化效率降低，而且当吸附转轮中蓄