沸石轉(zhuǎn)輪吸附VOCs技術(shù)的研究

 

VOCs（揮發(fā)性有機化合物）來源廣泛，對人體和環(huán)境的危害大。隨著我國新環(huán)保法規(guī)的頒布，對VOCs有機廢氣的排放限制要求也日趨嚴(yán)格，處理VOCs污染正在全面展開，VOCs污染處理技術(shù)也在不斷提升，其中“轉(zhuǎn)輪濃縮-催化燃燒”工藝以技術(shù)優(yōu)勢得到了業(yè)主的青睞。國內(nèi)目前采用的轉(zhuǎn)輪技術(shù)和設(shè)備絕大部分是從日本進(jìn)口或采用日本技術(shù)生產(chǎn)的，在國內(nèi)運行情況良好，主要是處理VOCs的能力較強，在處理復(fù)雜成分的VOCs中表現(xiàn)出優(yōu)越的性能，已成為處理VOCs污染的主力設(shè)備之一。

 

1轉(zhuǎn)輪技術(shù)存在的問題

 

與普通的固定床吸附器相比，沸石轉(zhuǎn)輪（簡稱轉(zhuǎn)輪）的最大優(yōu)勢是占地面積較小，尤其是筒式轉(zhuǎn)輪，由于其將廢氣的預(yù)處理、吸脫附、催化燃燒幾道工序組合在一起，成為一套廢氣處理的集成裝置，因而更具優(yōu)越性。但轉(zhuǎn)輪并不是在任何情況下都可以采用。在采用轉(zhuǎn)輪處理VOCs時，一定要從技術(shù)原理上對轉(zhuǎn)輪進(jìn)行分析，這樣才能正確選擇和運用轉(zhuǎn)輪。

 

從吸附的原理上看，轉(zhuǎn)輪仍然是遵從經(jīng)典的吸附理論。因此，轉(zhuǎn)輪的運行程序仍然是吸附-脫附（再生）-冷卻-再吸附。

 

但轉(zhuǎn)輪并不是對所有的氣體都能處理。

 

對一些不易處理的廢氣，如易聚合的烯烴炔烴組分（脫附時容易聚合堵塞）、苯乙烯、涂裝行業(yè)UV漆的聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯等，照樣無能為力。

 

為此，轉(zhuǎn)輪生產(chǎn)廠家在設(shè)計時都會要求用戶提供廢氣的成分和濃度，轉(zhuǎn)輪生產(chǎn)廠家只有拿到這些數(shù)據(jù)后才能進(jìn)行設(shè)計。

 

據(jù)日本東洋紡，設(shè)計處理裝置的基礎(chǔ)就是根據(jù)廢氣中各成分的分子動力學(xué)直徑，來選擇沸石分子篩的，然后再把適合廢氣成分的分子篩按比例搭配，制成轉(zhuǎn)輪的吸附層，這樣，轉(zhuǎn)輪就能準(zhǔn)確地進(jìn)行廢氣處理，達(dá)到用戶的要求。

 

但廠家的供貨周期都較長，這實際上也是一個制造加工精細(xì)化的問題。

 

“轉(zhuǎn)輪對廢氣能濃縮20~40倍”，但只是個概念問題。如果廢氣濃度本來就很低，不要說濃縮到40倍，就是50倍60倍都是有可能的。如果廢氣濃度高，比如1000mg/m3，那恐怕連10倍的濃縮比也達(dá)不到。實際上因此，轉(zhuǎn)輪對廢氣的濃縮能力與自身的吸附容量有關(guān)。

 

“采用轉(zhuǎn)輪技術(shù)較易達(dá)標(biāo)排放，而采用普通的吸附裝置，就很難做到達(dá)標(biāo)。”其實是因為完全沒從吸附原理上去分析。任何一種吸附裝置都有吸附周期的問題，也就是說，任何一個吸附裝置都有破點的問題，如果吸附操作中在即將達(dá)到破點時才切換，當(dāng)運行不穩(wěn)定時，就很容易超標(biāo)；但是如果在距離破點還有較長的時間就提前切換，就不會超標(biāo)。所以，一般轉(zhuǎn)輪設(shè)定的吸附時間都會比達(dá)到破點的時間要短得多，因而很容易做到達(dá)標(biāo)排放。

 

“轉(zhuǎn)輪可以采用高風(fēng)速，處理能力大”，此說法也是概念問題。因為吸附的速度極高，可以接近化學(xué)反應(yīng)的速度（約10-8s），所以，只要吸附質(zhì)與吸附劑一接觸，瞬間就會被吸附。因此，當(dāng)廢氣濃度非常低時，廢氣在吸附層中停留很短的時間，就會完成吸附。因此，有觀點認(rèn)為：廢氣通過床層的風(fēng)速是由它的停留時間決定的，對濃度較稀的廢氣，可以采用較大的風(fēng)速。

 

設(shè)計人員在設(shè)計轉(zhuǎn)輪風(fēng)速時，肯定要根據(jù)氣體的濃度進(jìn)行選擇。由于采用轉(zhuǎn)輪處理的廢氣濃度一般都較低，所以可以采用較大的風(fēng)速。但轉(zhuǎn)輪的風(fēng)速不是隨意提升的，也必須考慮阻力問題。因此，轉(zhuǎn)輪的吸附層厚度最大也不會超過500mm。

 

此外轉(zhuǎn)輪還存在以下不足：

 

（1）從結(jié)構(gòu)上看，轉(zhuǎn)輪雖屬固定移動床的范疇，但其與普通的固定床不同，轉(zhuǎn)輪在運行時會將處理系統(tǒng)內(nèi)所有部分的固定床都旋轉(zhuǎn)起來，這就導(dǎo)致運行時的能耗會增加；把普通固定床用于氣流切換的閥門變成了與吸附單元硬摩擦的密封件，并將這些密封件固定在不同的位置，用于和旋轉(zhuǎn)的每個吸附單元進(jìn)行接觸，以實現(xiàn)氣體的切換。這種改變，無疑會增加設(shè)備制造的難度。尤其是密封件，國內(nèi)很少生產(chǎn)，基本依賴進(jìn)口。

 

（2）不少轉(zhuǎn)輪的脫附都是采用高溫（180℃~200℃）脫附，這不僅造成了能源浪費，也不利于資源回收。即使為了與后續(xù)的催化燃燒相銜接，也沒必要采用高溫去脫附?？梢圆捎玫蜏孛摳胶髮γ摳綒庠偌訜?，這樣就能實現(xiàn)節(jié)能。因為此時省去了對整個吸附系統(tǒng)加熱的能量，同時采用較低的溫度脫附，也省去了對床層進(jìn)行冷卻的能量。

 

這里附帶提醒一下：對于含氯的揮發(fā)性有機物，在采用轉(zhuǎn)輪濃縮進(jìn)行處理后，不可再進(jìn)行催化燃燒，因為那樣將會產(chǎn)生毒性更強的光氣或二噁英！

 

（3）有人認(rèn)為，由于沸石轉(zhuǎn)輪的脫附比熱相對較低的空氣或工業(yè)氮氣作為脫附介質(zhì)，必須依靠脫附才能確保較高的再生效率。但這種觀點是基于“溫度越高脫附效果越好”的錯誤脫附規(guī)律的認(rèn)識。實際生產(chǎn)中，脫附效率與脫附溫度并不存在一定的正相關(guān)，即不同的吸附質(zhì)均存在對應(yīng)的理想脫附溫度，而這一溫度點與燃燒所需的溫度吸附質(zhì)的沸點并不存在直接關(guān)聯(lián)。

 

2 分析及總結(jié)

 

轉(zhuǎn)輪不論從結(jié)構(gòu)還是運行方面，都存在可以改進(jìn)的地方，但最應(yīng)該改進(jìn)的地方是吸附劑。眾所周知，分子篩的吸附容量要比活性炭差得多，且活性炭本身屬于非極性吸附劑，疏水性能遠(yuǎn)大于沸石。如果將分子篩改成活性炭吸附劑，在同等條件下，其濃縮比會成倍地提高。轉(zhuǎn)輪之所以采用沸石分子篩作吸附劑，主要是利用其不同型號的分子篩可以吸附不同物質(zhì)的特性，此外，還利用了其在高溫下仍然具有較好的吸附能力。

 

如果在炭基吸附劑上進(jìn)行選擇或改性處理，使活性炭具有與分子篩相近的性能特點，如：消除活性炭上的活性點以避免其低溫催化帶來的運行安全隱患；改變活性炭的孔徑大小及分布等，以增強其對不同VOCs分子的吸附性能。實際上，目前市面上已經(jīng)出現(xiàn)了這種活性炭，如用于油氣回收的中孔活性炭、韓國的專用活性炭等。如果結(jié)合吸附質(zhì)的分子動力學(xué)直徑，按照孔徑大小進(jìn)行分類，分別制成模塊，用這些模塊設(shè)計成固定床，則會收到比轉(zhuǎn)輪還要好的效果。

 

綜上所述，沸石轉(zhuǎn)輪之所以能夠在短時間內(nèi)對活性吸炭固定床的濃縮工藝產(chǎn)生沖擊，除了商業(yè)上的考量之外，根本原因是由于轉(zhuǎn)輪的運行特點和吸附劑類型更適合粗放的脫附條件和控制模式。如能夠?qū)OCs脫附規(guī)律、活性炭改性和復(fù)配技術(shù)進(jìn)行更深入的研究，開發(fā)出一種集成裝置，再在智能化方面做些研發(fā)，可以相信，活性炭固定床毫無疑問是處理VOCs污染更理想的選擇。