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VOCs的治理与沸石浓缩转轮技术

作者:欧阳 来源:原创 日期:2018-12-14 16:33:21 人气:0


近期从生态环境部通报2018-2019年蓝天保卫战重要点区域强化监督情况了解到,不少地区在VOCs治理工作中,存在着使用等离子、单纯活性炭吸附、光催化氧化等单级治理技术,因而造成处理结果不达标。为此,多地环保部门提出对处理效率较低,无法保证处理设备能够连续稳定效率高的处理VOCs的处理工艺,一律不允许采用,这些工艺包括:单一活性炭吸附处理工艺、光氧催化处理工艺、处理易燃易爆VOCs使用的低温等离子处理工艺。同时提出,鼓励采用前处理后吸附脱附、催化燃烧、燃烧等污染物去除效率较高的联合治理技术。


引言

VOCs(volatile organic compounds),挥发性有机化合物,是指会产生危害的那一类挥发性有机物,是空气中普遍存在且组成复杂的一类有机污染物的统称。

VOCs对大气造成的危害主要有:(1)部分具有毒性和致癌性,危害人体健康;(2VOCs中的碳氢化合物与氮氧化合物在紫外线的作用下反应生成臭氧,可导致大气光化学烟雾事件的发生,危害人类健康和植物生长;(3)参与大气中二次气溶胶的形成,二次气溶胶多为细颗粒状,不易沉降,能较长时间滞留在大气中,对光线的散射力较强,能显著降低大气能见度。目前我国大部分城市大气环境已呈现区域性霾污染、臭氧及酸雨等三大复合型污染特点,而VOCs是极重要的助推剂之一。


一、关于VOCs的单一治理技术

  首先肯定一点:无论单独采用哪一种治理技术,只要选择得当、设计合理、运行管理到位,都可以收到理想的处理效果,也就是说,都可以达标准排放。

  先说说活性炭吸附工艺。在所有采用吸附法治理VOCs的方法中,采用活性炭作吸附剂的吸附工艺是很理想的工艺。因为与其它吸附法如采用沸石分子筛、硅胶、活性氧化铝作吸附剂的吸附工艺相比,从对甲苯的吸附上看,活性炭的吸附容量是其它吸附剂的4-8倍。


活性炭、沸石分子筛、硅胶对甲苯吸附性能比较


.黏胶基活性炭纤维


.吸附VOCs常用分子筛


.疏水改性硅胶


 可以看出,活性炭对甲苯的吸附容量远远高于沸石分子筛。活性炭纤维则显示出更高的吸附容量。

  因而采用活性炭吸附工艺,只要吸附剂选择得当、设计合理(主要是运行程序),运行管理到位,它完全可以单独采用。

  所谓吸附剂选择得当,是指根据吸附质的分子动力学直径去选择合适的吸附剂。

  所说的设计合理,除对装置的要求外,主要是吸附程序的设计。从理论上讲,吸附法可以处理痕量物质,也就是说,采用吸附法几乎可以实现“零”排放。要实现这一目标,必从吸附程序上做文章。大家知道,任何一种吸附剂都有一个吸附容量的指标。而当吸附剂床层被穿透时,我们认为吸附就达到了饱和。

  如果一个吸附床层,它的保护作用时间(即达到吸附饱和的时间)30分钟,那么,为了做到达标排放,你可以在吸附进行到25分钟、甚至20分钟就进行脱附,而切换到另一个吸附床,你还会有不达标的风险吗?在就是设计吸附程序的问题。这也是转轮浓缩能够作到达标排放的原因。

  再说一下低温等离子体处理技术,由于它的能量较小,所以一般只能用来处理VOCs浓度小于150mgm3的气体。如果浓度过高,则需要采取其它方法,所以一般情况下,低温等离子技术只能作为其它技术的辅助方法。另外由于VOCs大都属于易燃易爆的气体,所以在装置的设计上要特别注意。

  说到光氧化、光催化等也都只能用于处理浓度低于150mgm3的气体。

  再说说燃烧法(包括直接燃烧、热力燃烧、催化燃烧、RTORCO)。这些处理方法都属于消除法(也称破坏法)。按理说,对于VOCs的处理,燃烧法是很彻底的处理方法,所以,目前凡是采用燃烧法(包括转轮浓缩-催化燃烧)都获得了广大用户的青睐。

  从理论上讲,如果不算经济账,燃烧法可以处理任何浓度的气体。但是,当你处理的气体浓度过低时,要想直接燃烧,你就得加辅助燃料,这就是要采用热力燃烧。究竟要采用何种方式燃烧,需要对物质的燃烧热进行计算,如果燃烧放出的热量能够维持燃烧的继续进行,那就可以采用直接燃烧的方式,否则就需要选择其他的燃烧方式,如热力燃烧或催化燃烧,这里还有一个选择催化剂的问题。至于RTO、RCO工艺,只是在蓄热体的选择上要做些文章罢了。

  但是,大家必要明白:不是什么样的VOCs都可以烧的,比如含氯的VOCs,如二氯甲烷、二氯乙烷、氯仿、四氯化碳等,它们在燃烧时,特别是催化燃烧时,很容易生成毒性更强的光气或二噁英!

  在采用燃烧法时,一定要考虑经济上是否合理。一般情况下,我们对于VOCs处理工艺选择上,都是以回收为主的,实在无法回收的才会把它烧掉。所以我常说,采用燃烧法处理VOCs是没有办法的办法。


二、关于联合处理技术

  什么是联合处理?我认为,就是整个处理系统只有一个排放口。在我们的VOCs处理工艺上,往往会出现一个误区:比如转轮吸附浓缩-催化燃烧工艺,它虽然整个处理系统非常紧凑,但是它却有两个排放口,即转轮浓缩工序部分有一个排放口,而燃烧工序部分还有一个排放口,要做到达标排放,必对两个排放口都要进行检测,才能确实做到对整体处理效果的监管。

不论采用单一的还是联合的处理技术,只要方法选择正确、设计合理、运行管理到位,都可以达到标准排放;不能笼统地说,不能采用单一技术去处理VOCs,而必采用联合技术去处理VOCs。希望大家对VOCs处理的各种技术,从技术原理是去搞清它,并且搞清各种技术的使用对象和适应范围以及它们的运行管理,这样 我们才能正确选择处理方法,才能对治理单位所采用的治理技术做出正确的判断,才能更好地指挥和监督整个VOCs治理行业。


VOCs处理的沸石转轮技术研究


随着我国经济的快速发展,有机挥发性物质VOCs大量产生,这对人类的健康和生态系统的平衡造成了极大的威胁,VOCs污染治理已成为我国大气环境治理的重要问题。现主要阐述了VOCs污染的危害、常用VOCs污染处理的工艺,着重介绍了适合于大风量、低浓度VOCs处理的沸石转轮技术及其发展。


沸石浓缩转轮技术发展现状


一、 国外技术现状和发展趋势

20世纪60年代起,欧美等国已出现吸附富集—脱附浓缩—蓄热催化氧化后处理技术的应用,其中德国Dürr公司,美国MegtecEnguil公司和加拿大Biothermica公司等在行业中占有绝大部分市场。1986年,瑞典的Munters公司率先将蜂窝状沸石转轮用于VOCs废气处理。1988年,日本株式会社西部技研公司将加工成波纹形和平板形的陶瓷纤维纸用无机黏合剂粘结在一起后卷成具有蜂窝状结构的转轮,然后将疏水性沸石涂覆在蜂窝状通道的表面得以吸附转轮,并将其成功用于VOCs的净化处理。目前,沸石浓缩转轮系统在日本、美国、欧洲等国获得普遍使用,就技术而言,沸石吸附转轮的生产技术还掌握在国外企业手中。

VOCs经转轮浓缩后,再采用氢化燃烧技术和催化燃烧技术进行燃烧处理。国外对设备工艺进行持续的改进,日本三菱公司在20世纪就设计利用移动阀切换的蓄热装置,采用了具有高蓄热能力的陶瓷蜂窝体,并实际应用。催化剂也是影响废气处理的关键内容,将PdAuCe等金属催化剂用于催化燃烧降解的实验结果在国外已见报道,德国的SüD-Chemie公司是目前研究较为成功的企业之一。目前,国外沸石浓缩转轮的相关产品价格昂贵,在我国的VOCs废气处理中很难大规模应用。

1.1 国内技术现状和发展趋势

国内的沸石吸附浓缩设备起步较晚,生产企业众多以组装、代理为主要经营模式,作为核心的沸石吸附单元基本依赖进口,国外具有生产技术的企业也在国内相继设立设备组装厂。不过,国内现已有多家高校及科研院所如华南理工大学、浙江大学等对沸石转轮进行了相关研究,使得国内现有的沸石转轮成型及设备技术水平与国外的差距在逐步缩减。近几年,我国在催化燃烧技术方面也已取得较大发展,国内已有工业应用及推广的实例。对催化燃烧技术而言,采用蜂窝状全.效换热器回收低品位热源、进一步优化系统的结构设计及实现标准化、模块化设计是未来的发展趋势。虽然我们已经有了较好的研究基础,但是在核心材料研发、系统化集成、示范工程应用等方面还有待突破。


二、 沸石浓缩转轮技术


沸石浓缩转轮系统是全球公认的很效率高的废气浓缩技术,沸石转轮吸附浓缩装置采用吸附—脱附—浓缩焚化三项连续程序,主要用于有机废气的治理,特别适用于大风量、低浓度的有机废气,净化效率稳定、去除率达到90%以上 。转轮低压损、无吸附损耗、对于高沸点的挥发性有机气体也能有效处理。由无机氧化物组成,具有不燃性,使用安全,稳定性极高,反复通过加热脱附来实现再生,理论使用寿命可达到10年左右。


2.1 沸石转轮基本构造

沸石转轮浓缩区可分为处理区、再生区、冷却区三部分,浓缩转轮在各个区内连续运转。VOCs有机废气通过前置过滤器过滤后,再通过浓缩转轮装置的处理区。在处理区VOCs被吸附剂吸附去除,净化后的空气从浓缩转轮的处理区排出。吸附在浓缩转轮中的有机废气VOCs,在再生区经热风处理而被脱附、浓缩到515倍的程度。浓缩转轮在冷却区被冷却,经过冷却区的空气,加热后作为再生空气使用,达到净化节能的效果。


2.2 沸石转轮工艺参数

(1)浓缩比:转轮通过吸附—脱附以获得低流量的浓缩气体,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。

(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,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。

(3)再生风温度:吸附剂的解析再生存在一个特征温度,即很低清洗温度,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。

沸石转轮结构的密封是一个非常重要的控制点,密封性不佳会使得转轮应用上存在窜风的问题。

三、结语

沸石转轮浓缩+催化燃烧进行工业有机废气的处理,现在我国已经广泛应用于印刷业、半导体制造业、涂装行业等多个工业生产领域,但是目前作为核心技术的沸石吸附单元仍依赖于进口,使得沸石浓缩转轮系统在VOCs处理的使用中受到了很大限制。随着新型吸附剂的开发及我国转轮制作技术、密封技术的提高,转轮吸附技术将会在更大范围、更多产业中得以应用。


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