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沸石转轮技术在废气处理中的应用

返回列表 来源: 发布日期: 2020.01.09

1、沸石转轮技术简介

一套完善的用于VOC废气治理的沸石转轮系统通常包括沸石吸附区、热脱附区以及焚烧单元三个部分。

沸石转轮系统的工作原理如下:含低浓度VOCs的废气通过蜂窝状沸石分子筛时,废气中的VOCs成分被吸附在沸石中,净化后的气体排放到大气中。此时,已吸附VOCs的蜂窝沸石继续旋转,通过少量的热空气对沸石模块进行解吸再生,在此过程中,能够将低浓度的废气浓缩成高浓度废气。经沸石转轮浓缩的废气可采用燃烧法进行末端治理,将VOCs燃烧分解为无害的二氧化碳和水,使  VOCs得到较完全的分解。

沸石转轮系统最初在日本问世,经过本土的实践,逐渐发展至美国、欧洲、中国等地。目前市场上技术较为先进和成熟的沸石转轮设备制造商主要有瑞典蒙特、日本倪佳斯、西部技研等国外品牌公司。目前国内青岛纳博科环保科技有限公司生产的Napotec品牌沸石转轮已经达到国外沸石转轮指标,且已经进行了批量化生产并进行了工业化应用。

2、沸石转轮技术研究进展

2.1吸附剂

市场上常用的吸附剂有活性炭、沸石分子筛、硅胶、活性氧化铝、高聚物吸附树脂等材料。其中,活性炭和沸石分子筛对有机化合物具有较高的吸附选择性,被广泛运用于VOCs废气治理。

应用于吸附转轮的吸附剂需要具备以下特点:吸附选择性好、吸附容量大;容易再生和再利用;具有足够的稳定性和机械强度;来源广泛、价格适中。沸石分子筛通常采用耐高温的陶瓷纤维为基材,具有较好的耐热性和较高的机械强度,可满足吸附剂高频次脱附再生的

需求。高硅铝比的疏水性分子筛具有良好的抗湿性能。因此,沸石分子筛逐渐发展成为转轮浓缩吸附法治理VOCs废气技术中最常用的吸附剂类型。

经过不断研究探索,如今沸石分子筛种类已超过180种。不同型号的沸石分子筛具有不同的有效孔径、选择吸附性能。

沸石转轮

2.2转轮结构

目前,市场上的沸石转轮主要有两种形式,分别为盘式转轮和筒式转轮。

(1)盘式转轮

盘式转轮为传统的转轮形式。盘式转轮系统的基本构造如图1所示。系统主要由分子筛吸附转芯、气体过滤装置、转动装置、风机等部件构成。吸附转芯是核心部分,转芯可经耐高温、耐腐蚀的分隔板分隔为三个区域:吸附区、再生区、冷却区。

(2)筒式转轮

筒式转轮是近年来新发展的转轮形式。筒式转轮只有吸附区和脱附区,不设冷却区,通过自身较大的比表面积自然冷却。筒式转轮沸石采取了模块化设计,可单模块安装或更换,具有灵活度高、更换便捷等特点。

沸石转轮技术

2.3设备运行参数

一套沸石转轮系统的治理效率与进气参数、设备运行参数的选取等息息相关。影响系统性能的操作参数主要有以下几个方面:

a.废气进气参数:废气温度、废气湿度等;

b.设备运行参数:脱附再生温度、冷空气流量、转轮转速、浓缩比等;

c.转轮结构参数:转轮直径、吸附/脱附/冷却区面积比、转轮厚度等。

根据吸附机理,吸附平衡容量与吸附温度有关。低温有利于吸附,高温有利于脱附,因此废气温度越低越利于吸附的进行。此外,废气中的水份会在一定程度上堵塞沸石分子筛的孔道结构,从而影响吸附性能。即使是疏水性沸石,其对进气的湿度要求也不可超过80%。若进气湿度过高,可在进入沸石转轮系统之前增加一道干燥除湿的预处理工序,以确保沸石转轮的长期、有效运行。

转速是沸石转轮吸附操作过程中非常重要的参数之一,最佳转速与吸附质性质、吸附剂性质、吸附床层设计参数等多方面的因素有关,是一个综合因子。

浓缩比(Φ)是一个无量纲因子,其定义为吸附区进口处的VOCs废气流量与解析区进口处的VOCs废气流量的比值。若吸附区废气流量下降,解析区废气流量升高,则浓缩比下降。较低的浓缩比有利于提高吸附、脱附效率。但在实际应用过程中,将导致能耗的增加。因此,浓缩比存在一个最优值,通过优化浓缩比,可提高沸石转轮系统的技术经济性。

2.4焚烧系统

根据JiYang等人的研究,常见的热力焚烧方式有直燃式热氧化炉(TO)、催化氧化炉(RCO)以及蓄热式热氧化炉(RTO)。直燃式热氧化炉(TO)的特点为利用热交换器从烟气中回收热量用于预热废气或其他热能利用以节省能源。最常用的热交换器为管壳式换热器。一般情况下,具有较低的设备投资率,但热回收效率也较低,通常为  40~65%

催化燃烧(RCO)常用的催化剂为贵金属催化剂,以蜂窝状的陶瓷作为基体,负载钯、铂等贵金属。贵金属催化剂具有活性高、适用范围广、起燃温度低、使用寿命相对较长(3年左右)等优点。RCO将较于TORTO燃烧温度较低,具有能耗较小的优点。但贵金属催化剂价格高昂,且因设备压降大、催化剂易失活等缺点,使得其操作成本高于  TORTO。且热回收效率也较低。

蓄热式热氧化炉(RTO)的特点是换热器采用陶瓷蓄热床,氧化分解后气体将自身携带大量热量传递并储蓄在蓄热床中,然后让进入氧化器的气体从蓄热床中获得换取热量,RTO的热回收效率可高达95%,可在最大程度上降低能源消耗,但设备投资率较大、设备占地面积较大。

热力焚烧通常需要700~800℃的燃烧温度,才能获得较高的VOCs焚毁效率。因此,热力焚烧需要使用大量的能源。经浓缩的VOCs废气具有较高的浓度,理论上可提供热力焚烧所需的热值,以降低能源消耗。然而,热力焚烧炉在实际使用过程中,往往仍需补充大量的天然气、柴油等能源来维持设备运行所需的热量供应。即使是热回收效率较高的RTO在实际应用过程中仍需要保证一定量的燃料供应。

2.5配套辅助系统

沸石转轮系统的配套辅助设施按类型分可分为以下几类:废气预处理装置、仪表监控系统、防爆配件和其他配件等。

(1)废气预处理系统

不同行业的有机废气情况不尽相同。如涂料、油墨行业有机废气中往往含有一定量的粉尘颗粒物,半导体行业有机废气中往往含有较高的湿度,橡胶制品或喷涂行业有机废气中往往含有一定量的油雾。针对以上废气情况,需要根据进口废气的实际情况,在沸石转轮系统前端增设废气预处理装置,以保证沸石转轮系统的正常使用寿命,确保沸石转轮系统正常有效的治理效率。常见的废气预处理装置有除湿器、除尘器、前置过滤器等。

(2)监控系统

一套设计完善的系统控制系统可是很好的实现系统的自动化监控功能,很好的满足工艺要求,并大大提高操作人员的工作效率。

常用的自动监控技术有PLC控制系统、DCSFCS等。根据张博等人的分析比较可知,DCS控制系统的特点为从传统的表盘监控系统发展而来且连续调节性控制占支配地位;PLC控制系统的特点为从传统的继电器回路发展而来且离散逻辑控制处于主导地位  ;根据郭苏煜等人的研究可知,FCS控制系统是目前世界上最新型的控制系统,由PLCDCS发展而来。对于VOCs废气末端治理装置的自动控制系统,往往主要关注其中的几个监控模块,分别为浓度监控、温度监控、气量监控、湿度监控等。监控技术按监控方式可分为离线监控和在线监控两大类。

(3)安全防爆配件

为提高沸石转轮治理系统运行的安全性,治理系统应根据要求安装相应的阻火器(防火阀)、事故自动报警装置、其他防爆器件等配件。

沸石转轮应用

3、沸石转轮在废气处理中的应用

金伟力等人的研究显示,沸石转轮系统主要应用于以下生产制造过程的工业废气的分离净化处理过程。

(1)印刷行业:包括图书类、食品类、生活用品类等各种包装材料印刷业废气,其主要的VOCs为甲苯、异丙醇、乙酸乙酯、甲乙酮等。

(2)喷漆行业:包括汽车喷涂、板材、钢铁制品喷漆过程废气,其主要的VOCs为甲苯、二甲苯、酯类、醇类等。

(3)涂覆、上胶:包括磁带、胶带生产中的涂覆、上胶过程废气,其主要的VOCs为甲苯、酮类、醇类等。

(4)集成电路及液晶显示器生产中的有机废气,其主要VOCs为异丙醇、丙二醇甲醚乙酯、丙酮、二甲亚砜等。

(5)塑料、玻璃钢加工过程废气,其主要的VOCs为苯乙烯、酯类、醇类等。

不同生产行业、不同生产工艺,产生的废气情况均不尽相同,企业应根据自身实际情况,有针对性地选取不同形式的沸水转轮系统和沸石分子筛,并通过测试来设定系统运行参数。

4、结语

工业源的VOCs废气治理任重而道远,国内企业在选取废气末端治理措施时,应根据自身废气特点,有针对性地选取。对于采用沸石转轮系统进行VOCs治理的企业,也不可盲目地采用通用沸石吸附剂、通用工艺设计参数,应有针对性地选取不同的沸石转轮系统、沸石分子筛形式,通过测试来设定系统运行参数,并定期保养、维护,以确保废气稳定达标排放,降低工业源 VOCs排放量。

 

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