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沸石转轮吸附浓缩

发布时间:2021-01-27 12:56 作者:亚博网页版

  沸石转轮吸附浓缩+催化燃烧 技术研究现状 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, 吸附装置是用分子筛、活性碳纤维或含碳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,吸附与脱附的窜风问 题未得到根本解决,设备性能不稳定,因此国内应用较少,一直未能得到推广。 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 m3/h 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,并预计在未 来仍将有很大的应用前景。 利用催化燃烧法进行工业有机废气治理,已普遍应用于汽车喷涂、磁带制造和飞机零部 件喷涂等。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 VOCs 种类而不同:聚氨酯 380℃~480℃,聚酯亚胺 480℃~580℃; 有机物浓度约 1600mg/m3,净化效率平均为 99%。 转轮浓缩+催化燃烧新工艺 1 技术概况针对现行各种方法在处理低浓度、大风量的 VOCs 污染物时存在的设备投资大、 运行成本高、去除效率低等问题,国内企业研发了一种用于处理低 VOCs 浓度、大风量工业废 气的高效率、安全的处理工艺。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 VOCs 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 了防止各个区之间窜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 VOCs 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 VOCs 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,VOCs 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,再生过程出口空气中 VOCs 浓度被浓缩为处理空气中浓度的 10 倍,因此,该过程又被称为 VOCs 浓缩除去过程。 转轮吸附浓缩-催化燃烧工艺流程见下图。 转轮吸附浓缩-催化燃烧工艺流程图 1 号风机带动含 VOCs 废气经过转轮 a 区域,a 区域为吸附区,根据不同的目标物可在转 轮中填充不同的吸附材料。吸附了 VOCs 的 a 区域随转轮转动来到 b 区域进行脱附。流经传热 1 的高温气流将吸附于转轮上的 VOCs 脱附下来,并经过传热 2 达到起燃温度,随后进入催化 燃烧室进行催化氧化反应。由于转轮脱附之后又要进行吸附,所以在脱附区域旁边设冷却区 域 c,以空气进行冷却,冷却之后的温空气经传热 1 变成脱附用热空气。催化燃烧反应之后 的热气流将部分热量传递给传热 2、传热 1 后排至空气。为了防止催化燃烧室温度过高,设 置第三方冷却线路用于催化燃烧室的紧急降温。整个系统由 2 个监控系统组成,PC1 负责监 控催化燃烧室、传热器的温度(其内部设电辅热装置以平衡温度波动),PC2 负责风机控制, 根据实际情况调节进气流量。PC2 属于 PC1 的子级系统,当 PC1 监测到温度波动超过允许范 围时立刻将信息传递给 PC2,PC2 将收到的信息转成指令传递给各风机。 2 新工艺的特点(1)吸附区旁路内循环的建立。当废气经过吸附区吸附后不达标,进入旁 路内循环,再次进行吸附处理。此旁路内循环的基本思路为消灭现有污染再吸纳新的污染。 (2)冷却风旁路建立。在工况十分复杂的情况下,VOCs 浓度有可能陡然升高,此时将部 分冷却风引入到吸附区以降低脱附风量,同时在传热 2 后补充新风,以维系进入催化反应器 的风量在预设范围以内。此旁路的基本思想是以新风对高浓度 VOCs 进行稀释,因而从效果上 看,此法也会延长治理时间。 (3)与传统工艺相比,该整个系统采用引风机设计,便于对旁路的调控。去掉给催化燃烧 装置用的降温鼓风机,此机治标不治本,改为在转轮部分控制 VOCs 浓度。 (4)催化燃烧室去掉电辅热系统,改由传热 2 对空气加热到 VOCs 起燃温度,并利用反应 放热使催化燃烧室温度稳定在 500℃~600℃范围内。 (5)转轮转速易调,则在 2 的情况下可以适当提高转轮转速,减少单位面积转轮单位时间 内吸附 VOCs 的量,从而保障系统的安全。 转轮吸附的影响因素 当吸附材料确定后,影响转轮装置吸附性能的主要因素是转轮运行转轮吸附浓缩-催化燃 烧工艺流程图参数和进气参数。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℃,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。 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,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冷凝单元处理。因此, 在确保系统设定的去除率前提下,合理选择浓缩比至关重要。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。 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λ 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,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。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,因受多种因素影响,转轮转速为配合其他参数变化可控制在 一区间值。 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 进气参数 3.4.1 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。 3.4.2 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,转速应相应提高,如 果转速未根据流速进行相应提高,运行值低于最佳转速其相对吸附能力λ 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,控制低进气流速十分必要,或可相应地提高转速。 转轮吸附浓缩+催化燃烧的关键点 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。 1 沸石型号的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 瓷纤维纸用无机黏合剂黏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 VOCs 的净化处理过程。 2 转轮工艺参数及结构优化浓缩比: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。 转轮转速:吸附与脱附在转轮运行周期中是同步进行的,两者互相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: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。 密封性不佳会使转轮在应用中存在窜风问题,因而结构的密封是一个非常重要的控制点。 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,并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阻力。 展望 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、更多的行业得到应用。转轮运行的模型研究也将更加深入,治理效果将更加有效。


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