常用的VOCs處理技術(shù):沸石轉(zhuǎn)輪濃縮+催化燃燒技術(shù)處理VOCs
隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，產(chǎn)生了大量的VOCs。近年來，VOCs已成為我國空氣污染物的主要來源之一，對(duì)人類健康和生態(tài)系統(tǒng)平衡構(gòu)成了巨大威脅。VOCs的最終處理引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。
在現(xiàn)有單端處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)論述了適用于大風(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。
通過不同末端處理技術(shù)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)單一末端處理技術(shù)難以有效實(shí)現(xiàn)VOCs的減排控制，而組合式末端處理技術(shù)具有凈化率高、投資成本低、能耗低、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，成為目前的研究熱點(diǎn)。其中，吸附-濃縮-催化燃燒技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，其他新興的組合技術(shù)有待研究和創(chuàng)新。
指出了我國VOCs終端處理技術(shù)存在的主要問題和未來的發(fā)展方向。
VOCs簡(jiǎn)介
VOCs(VOCs)是指飽和蒸氣壓大于133的有機(jī)化合物。常溫32 Pa，常壓沸點(diǎn)50 ~ 260°C以下，或常溫常壓下任何揮發(fā)性有機(jī)固體或液體，是一類普遍存在且復(fù)雜的有機(jī)污染物的總稱。根據(jù)其化學(xué)結(jié)構(gòu)，VOC可進(jìn)一步分為烷烴、芳香砜、酯類、醛類等。目前已鑒定300余種。最常見的有苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、三氯乙烯、氯仿、三氯乙烷、二異黃藥(TDI)、二異黃藥等。
VOCs對(duì)大氣的危害主要包括:
(1)部分有毒致癌，危害人體健康；
(2)VOCs中的碳?xì)浠衔锖偷趸镌谧贤饩€作用下反應(yīng)生成臭氧，可導(dǎo)致大氣光化學(xué)煙霧事件，危害人體健康和植物生長(zhǎng)；
(3)參與大氣中二次有機(jī)氣溶膠的形成，二次有機(jī)氣溶膠多為細(xì)小顆粒，不易沉降，能在大氣中停留較長(zhǎng)時(shí)間，對(duì)光的散射能力強(qiáng)，可顯著降低大氣的能見度.
目前，我國大多數(shù)城市的大氣環(huán)境呈現(xiàn)出區(qū)域性霾污染、臭氧和酸雨三大特征，其中VOCs是最重要的助推器之一。
2接觸網(wǎng)常用處理技術(shù)
VOCs對(duì)環(huán)境的巨大危害和對(duì)人類健康的嚴(yán)重威脅已經(jīng)引起了全世界的高度重視。VOCs的處理在中國迫在眉睫。目前，VOCs的處理技術(shù)主要分為兩類:
(1)源頭控制，具體來說就是生產(chǎn)過程中防止或減少VOCs排放的措施，是控制有機(jī)廢氣污染的最佳方法。但是，由于技術(shù)水平的限制，不同濃度的有機(jī)廢氣不可避免地會(huì)排放并泄漏到環(huán)境中，這是很難實(shí)現(xiàn)的。
(2)生產(chǎn)結(jié)束時(shí)控制和消除VOCs的處理方法可分為回收技術(shù)和銷毀技術(shù)兩種。
回收技術(shù):物理方法回收VOCs是一種無損方法，主要有活性炭吸附法、冷凝法、膜處理法。這種方法不僅可以有效控制VOCs的排放，而且可以節(jié)約資源，帶來經(jīng)濟(jì)效益，越來越受到重視。
銷毀技術(shù):即通過化學(xué)或生物反應(yīng)過程將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)包括燃燒、光催化降解、等離子體技術(shù)、生物降解等。
以上VOCs廢氣處理技術(shù)為單一處理工藝，應(yīng)根據(jù)VOCs廢氣排放的具體條件和要求選擇合適的工藝；由于VOCs種類繁多、成分復(fù)雜、性質(zhì)不同，在許多情況下，采用一種凈化技術(shù)往往難以滿足處理要求，也不經(jīng)濟(jì)。利用不同單元處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，采用組合處理工藝，既能滿足排放要求，又能降低設(shè)備運(yùn)行成本。
吸附是處理VOCs的第一種技術(shù)，其中活性炭吸附是最常用和最典型的一種。活性炭吸附在工業(yè)上處理鹵代卷煙和苯系物非常普遍。吸附法的主要原理是使用大比表面積的多孔材料作為吸附劑。當(dāng)VOCs氣體流經(jīng)吸附劑時(shí)，VOCs分子由于其較大的比表面積而被吸附劑截留在微孔的內(nèi)表面，從而達(dá)到氣體凈化的效果。沸石轉(zhuǎn)輪+催化燃燒技術(shù)作為一種新型的組合式高效VOCs吸附技術(shù)，在國外得到了廣泛應(yīng)用。
沸石轉(zhuǎn)輪+催化燃燒技術(shù)的技術(shù)原理
1.轉(zhuǎn)輪吸附簡(jiǎn)介
轉(zhuǎn)輪吸附是由轉(zhuǎn)輪除濕技術(shù)演變而來的，瑞典的卡爾·蒙特(Carl Munters)提出了吸附材料可以制成蜂窩的想法，然后轉(zhuǎn)輪技術(shù)可以用于分離過程。1986年，瑞典的蒙特公司(Munters Company)率先將理論變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，制作出沸石蜂窩，并將其置于轉(zhuǎn)輪中，凈化有機(jī)廢氣中的VOCs。1988年，日本西方技術(shù)研究公司在VOCs凈化項(xiàng)目中采用蜂窩沸石轉(zhuǎn)輪，并獲得成功。沸石轉(zhuǎn)輪技術(shù)在日本、美國、歐洲等國家已經(jīng)廣泛應(yīng)用于低濃度、大風(fēng)量的VOCs處理，在中國臺(tái)灣省也得到很好的應(yīng)用。由于國外轉(zhuǎn)輪技術(shù)發(fā)展較早，技術(shù)先進(jìn)。一般來說，沸石轉(zhuǎn)輪的生產(chǎn)技術(shù)仍然掌握在國外企業(yè)手中。
轉(zhuǎn)輪中常用的吸附劑:
(1)吸附劑的類型
吸附材料是轉(zhuǎn)輪技術(shù)的核心，常用的材料有活性炭和沸石分子篩兩種。活性炭微孔豐富、比表面積大、吸附能力強(qiáng)、速度快，廣泛應(yīng)用于轉(zhuǎn)輪技術(shù)中。活性炭作為吸附劑處理廢氣時(shí)，吸附容量大，成本低，但孔隙容易堵塞，活性炭本身易燃，脫附時(shí)容易著火，會(huì)造成一定的安全隱患，不符合安全生產(chǎn)的要求，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到影響。
沸石分子篩是具有特定骨架結(jié)構(gòu)的結(jié)晶鋁硅酸鹽金屬鹽的水合物材料，其化學(xué)通式為:
[ (A102) x -(二氧化硅)y] - zH20o
其中m代表陽離子，m代表化合價(jià)，z代表水合數(shù)，x和wan為整數(shù)。改造后的結(jié)構(gòu)激活后，頭部的水分會(huì)消失，成分會(huì)白白移動(dòng)，形成一個(gè)孔徑為3 ~ 10的籠狀結(jié)構(gòu)。
沸石分子篩的選擇性吸附能力主要是由于其規(guī)整的結(jié)構(gòu)。沸石分子篩具有規(guī)則的孔徑排列和均勻的分布，選擇性吸附主要是由于不同沸石的孔徑不同。一般只有分子動(dòng)力學(xué)直徑小于分子篩孔徑的分子才會(huì)被分子篩吸附。
不同類型分子篩的骨架結(jié)構(gòu)和孔徑也有很大差異，分子篩的骨架結(jié)構(gòu)在一定程度范圍內(nèi)具有可變性，因此一些分子動(dòng)力學(xué)直徑略大于孔徑的分子也可以被它們吸附，但吸附速率和吸附容量會(huì)顯著降低。
因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)中有陽離子，骨架結(jié)構(gòu)帶負(fù)電荷，所以分子篩本身具有極性。沸石分子篩的陽離子會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)的正電場(chǎng)吸引極性分子的負(fù)中心，或者可極化分子被沸石分子篩靜電誘導(dǎo)后極化。
因此，沸石分子篩可以吸附極性較強(qiáng)或易極化的分子，但動(dòng)力學(xué)直徑略大于其孔徑。由于分子篩特殊的孔結(jié)構(gòu)，使其具有特殊的性質(zhì)，并能在高溫低壓條件下發(fā)揮其吸附能力。目前吸附常用的有13X、NaY、絲光沸石、ZSM -5。
沸石轉(zhuǎn)輪原理介紹
研究表明，如果將加工好的波紋狀和扁平狀陶瓷纖維紙通過無機(jī)粘結(jié)制成蜂窩轉(zhuǎn)輪，然后在轉(zhuǎn)輪的通道上涂覆吸水性沸石，則轉(zhuǎn)輪將成為吸附轉(zhuǎn)輪。實(shí)驗(yàn)表明，吸附轉(zhuǎn)輪對(duì)VOCs的凈化非常有效。
沸石轉(zhuǎn)輪濃縮區(qū)可分為處理區(qū)、再生區(qū)和冷卻區(qū)三個(gè)部分，濃縮轉(zhuǎn)輪在每個(gè)區(qū)域連續(xù)運(yùn)行。VOCs有機(jī)廢氣經(jīng)預(yù)濾器過濾后，通過濃縮轉(zhuǎn)輪裝置的處理區(qū)。
VOCs在處理區(qū)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)處理后脫附濃縮5-15次。
濃縮轉(zhuǎn)輪在冷卻區(qū)冷卻，通過冷卻區(qū)的空氣被加熱作為再生空氣，達(dá)到凈化節(jié)能的效果。
催化燃燒過程
催化燃燒過程在催化燃燒裝置中進(jìn)行。有機(jī)廢氣經(jīng)換熱器預(yù)熱至200-400℃，然后進(jìn)入燃燒室。當(dāng)通過催化劑床時(shí)，混合氣體中的烴分子和氧分子分別吸附在催化劑表面并被活化。因?yàn)楸砻嫖浇档土朔磻?yīng)的活化能，碳?xì)浠衔锖脱醴肿釉谳^低的溫度下迅速氧化，產(chǎn)生二氧化碳和水。
沸石轉(zhuǎn)輪集中催化燃燒技術(shù)的基本概念
低濃度大風(fēng)量工業(yè)廢氣中的VOCs采用吸附分離法分離濃縮，高濃度小風(fēng)量的濃縮污染空氣采用燃燒法分解凈化，俗稱吸附分離濃縮+燃燒分解凈化法。
蜂窩結(jié)構(gòu)的吸附轉(zhuǎn)輪安裝在殼體內(nèi)，殼體分為吸附、再生和冷卻三個(gè)區(qū)域，由調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以每小時(shí)3-8轉(zhuǎn)的速度緩慢旋轉(zhuǎn)。
吸附、再生和冷卻區(qū)分別與處理空氣、冷卻空氣和再生空氣的風(fēng)道相連。另外，為了防止各區(qū)域與吸附輪圓周和殼體之間漏氣，在各區(qū)域隔板與吸附輪之間、吸附輪圓周與殼體之間安裝耐高溫、耐溶劑的氟橡膠密封材料。
旋轉(zhuǎn)吸附濃縮-催化燃燒過程
1號(hào)風(fēng)機(jī)帶動(dòng)含有VOCs的廢氣通過轉(zhuǎn)輪的A區(qū)，即吸附區(qū)。根據(jù)不同的目標(biāo)，轉(zhuǎn)輪中可以填充不同的吸附材料。吸附了VOCs的a區(qū)隨著旋轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)到達(dá)b區(qū)進(jìn)行脫附。吸附在轉(zhuǎn)輪上的VOCs被流經(jīng)傳熱1的高溫氣流脫附，通過傳熱2達(dá)到起燃溫度，然后進(jìn)入催化燃燒室進(jìn)行催化氧化反應(yīng)。由于轉(zhuǎn)輪在脫附后需要吸附，在脫附區(qū)旁邊設(shè)置了冷卻區(qū)C，由空氣冷卻，冷卻后的暖空氣通過傳熱1變成脫附用的熱空氣。在催化燃燒反應(yīng)之后，熱氣流將部分熱量傳遞給傳熱裝置2和傳熱裝置1，然后傳遞給空氣。
為了防止催化燃燒室的溫度過高，提供了第三方冷卻回路用于催化燃燒室的緊急冷卻。整個(gè)系統(tǒng)由10，000個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)組成。PCI負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)催化燃燒室和換熱器的溫度(內(nèi)部設(shè)置電動(dòng)輔助加熱裝置以平衡溫度波動(dòng))，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(jí)系統(tǒng)。當(dāng)PC1監(jiān)測(cè)到溫度波動(dòng)超過允許范圍時(shí)，它會(huì)立即將信息傳輸?shù)絧c2，pc2會(huì)將接收到的信息轉(zhuǎn)換為指令，并將其傳輸?shù)矫總€(gè)風(fēng)扇。
旋轉(zhuǎn)吸附濃縮-催化燃燒過程的特性
(1)在吸附區(qū)建立旁路內(nèi)循環(huán)。廢氣經(jīng)吸附區(qū)吸附后達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，進(jìn)入旁路內(nèi)循環(huán)，再次進(jìn)行吸附處理。這種旁路內(nèi)循環(huán)的基本思路是消除現(xiàn)有的污染，吸收新的污染。
(2)建立冷卻空氣旁路。在復(fù)雜的工作條件下，VOCs的濃度可能會(huì)突然增加。此時(shí)，一些冷卻空氣被引入吸附區(qū)以減少脫附空氣量，并且在傳熱2之后補(bǔ)充新鮮空氣以將進(jìn)入催化反應(yīng)器的空氣量保持在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。這種旁路的基本思路是用新鮮空氣稀釋高濃度的VOCs，所以從效果上看，這種方法也會(huì)延長(zhǎng)處理時(shí)間。
4結(jié)論
針對(duì)芯片制造、LCD面板行業(yè)、半導(dǎo)體行業(yè)、印刷行業(yè)、油漆行業(yè)等眾多工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。固定生產(chǎn)模式必須使用大量有機(jī)溶劑作為清洗劑、光刻膠、剝離液、稀釋劑等。在這個(gè)過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的有機(jī)廢氣，是一種風(fēng)量大、濃度低的廢氣。因此，為了高效處理這類含VOCs的廢氣，沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮法是目前最有效的處理方式。
如今，新的吸附劑正在開發(fā)中，我國轉(zhuǎn)輪的制造技術(shù)和密封技術(shù)也在不斷改進(jìn)。轉(zhuǎn)輪吸附技術(shù)的實(shí)用性和處理效果也將大大提高。這項(xiàng)技術(shù)將突破行業(yè)壁壘，在未來得到更廣泛的應(yīng)用。
