基于活性炭與催化燃燒噴漆廢氣處理設(shè)備的研究與應(yīng)用

王高春，翁衛(wèi)飛

（杭州冶藍(lán)環(huán)?？萍加邢薰?，杭州 310022）

在部分產(chǎn)品的噴漆與烤漆生產(chǎn)過程中，會出現(xiàn)大量的工藝尾氣排放，這些尾氣對自然環(huán)境的危害較大，給操作工人的健康帶來較大的威脅。具體來說，噴漆、烤漆等工藝需要使用大量苯、甲苯、乙苯、乙酸乙酯等揮發(fā)性化合物，作為涂料溶劑以及稀釋劑等。這些有機溶劑在噴涂時不會吸附在工件表面，會全部揮發(fā)到空氣中變?yōu)橛袡C廢氣。這些廢氣具有沸點低、常溫下容易揮發(fā)等特征，對周邊環(huán)境以及操作人員的身體健康產(chǎn)生較大的影響[1]。

我國一些大城市的空氣中揮發(fā)性有機化合物含量是美國城市的數(shù)倍，工業(yè)生產(chǎn)排放的有機廢氣已經(jīng)成為我國城市大氣污染的主要因素。這些氣體揮發(fā)時會產(chǎn)生刺激性氣味，對操作人員的身體危害很大，短期接觸后會引發(fā)惡心、頭暈等，大量吸收后會損害人體的內(nèi)臟、神經(jīng)系統(tǒng)等。因此，在工業(yè)生產(chǎn)活動中，除了采用必要的防護措施外，還要盡量避免有機廢氣的排放，全面收集與凈化有機廢氣。

1 基本原理

本方案將蜂窩狀活性炭作為吸附劑，通過吸附凈化、脫附再生并濃縮揮發(fā)性有機物（VOCs）以及催化燃燒的原理，即將大風(fēng)量、低濃度的有機廢氣通過蜂窩狀活性炭吸附實現(xiàn)空氣凈化的目標(biāo)。在活性炭吸附飽和后，再通過熱空氣脫附使得活性炭再生，脫附得到的濃縮有機物被送到催化燃燒床進行催化燃燒，內(nèi)部的有機物質(zhì)被氧化成為無害的CO2以及H2O。燃燒后的熱廢氣通過熱交換器加熱冷空氣，熱交換后降溫氣體部分排放，部分用于蜂窩狀活性炭的脫附再生，實現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)[2]。整套設(shè)備含有預(yù)濾器、吸附床、催化燃燒床和風(fēng)機等設(shè)備。

相比其他有機廢氣處理方法，該方法是一種綜合處理模式，汲取了其他模式的優(yōu)勢，技術(shù)較為成熟可靠，對于處理大風(fēng)量、低濃度的有機廢氣具有較大優(yōu)勢，在催化燃燒的作用下，凈化效果可以達(dá)到最佳。

2 處理工藝設(shè)計

2.1 預(yù)處理

對于有機廢氣，人們應(yīng)首先開展水噴淋，去除廢氣內(nèi)部的雜塵、可溶性有機物。噴淋后，氣體內(nèi)部具有大量水分和少量粉塵，為避免水分與粉塵影響活性炭吸附床的有效運行，人們需要在處理時利用高效率的過濾器進行過濾[3]。

2.2 吸附操作

經(jīng)過預(yù)處理的有機廢氣，在風(fēng)機的作用下引入吸附床，將其均勻地分布在活性炭表面。依據(jù)分子間的范德華力，活性炭會將有機廢氣吸附在表面，這一過程耗時較少，但時間越長，吸附越徹底。二者之間沒有出現(xiàn)較大的化學(xué)反應(yīng)，而有機廢氣卻達(dá)到較高的凈化效果。經(jīng)過凈化后的潔凈廢氣可以達(dá)到相關(guān)大氣污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)，在風(fēng)機的作用下，其可以達(dá)到15 m高排氣筒的排放標(biāo)準(zhǔn)。每套廢氣凈化處理系統(tǒng)含有三個級別的吸附床，兩套用來吸附，一套用來脫附，三套設(shè)備可以實現(xiàn)輪流操作[4]。

2.3 脫附與催化燃燒

具體的反應(yīng)方程式為：

（貴金屬催化劑/200～300℃）

在活性炭吸附到飽和程度后，切換到脫附床，脫附需要外加的熱量，加熱裝置安裝在催化氧化床內(nèi)部，開啟后同時預(yù)熱催化劑。催化氧化床達(dá)到設(shè)定的溫度后，將熱空氣引入脫附床內(nèi)部，有機廢氣在加熱的作用下從活性炭表面全部解析出來[5]。

高濃度的有機廢氣在外力的作用下進入氧化床中，通過金屬鉑的催化作用，被燃燒分解為H2O與CO2，廢氣通過這一操作得到凈化。這一燃燒過程的特征為低溫、快速以及無焰，并產(chǎn)生較大的熱量，人們可以將活性炭再次回用到有機廢氣的脫附與燃燒氧化中，從而降低能源消耗。具體的反應(yīng)過程如圖1所示。

圖1 催化燃燒過程

在有機廢氣濃度較大時，燃燒產(chǎn)生的熱量過多會導(dǎo)致催化氧化床的溫度較大，進而影響整個廢氣治理系統(tǒng)的安全性、為此，本文設(shè)計的系統(tǒng)含有冷空氣補充裝置，它可以引入新鮮空氣來降低反應(yīng)溫度，從而保證系統(tǒng)操作的安全性[6]。

2.4 污水處理

水噴淋預(yù)處理之后，含有雜質(zhì)與有機物的廢水被引入噴漆車間的污水處理池內(nèi)開展沉淀，去除大顆粒的雜物。含有有機物的廢水呈現(xiàn)出弱酸性，為降低污水回用對設(shè)備的腐蝕，人們需要添加少量片堿，開展中和反應(yīng)，調(diào)節(jié)其酸堿度。在經(jīng)過較為徹底的凈化后，廢水可以循環(huán)利用，可以再次用于水噴淋預(yù)處理模塊，污水處理單元基本沒有污水外排現(xiàn)象。污水離心分析的產(chǎn)物以及沉淀產(chǎn)生的漆渣沉淀物作為危險廢物，依據(jù)國家的相關(guān)危險廢棄物的管理要求，應(yīng)委托具有資質(zhì)的危險廢物處置單位開展安全處理操作[7]。

本方案具有眾多優(yōu)勢。首先，采用新型高效的活性炭，吸附床結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、合理，吸附效果大幅度提升；其次，通過金屬鉑開展催化燃燒，將有機廢氣分解為無毒無害的H20與CO2，實現(xiàn)高效的徹底凈化；再次，燃燒過程溫度較低、安全，燃燒過程產(chǎn)生的熱量可以循環(huán)使用，熱量損失較少，能耗大幅度降低；最后，系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計安裝采用多種措施來杜絕安全隱患，操作簡單，便于后期的使用和管理。

3 各個組成模塊的操作方法

3.1 漆霧過濾器

噴漆廢氣主要出現(xiàn)在工件涂抹的噴漆工作臺，高壓空氣噴射的油漆很多停留在工件上，其他都隨廢氣排出，變成漆霧。這些漆霧粉塵含量較低，顆粒較小，絕大部分直徑小于10 mm。如果不處理會很快堵塞活性炭的微孔，使其失去原有的功能。因此，噴漆廢氣必須先進行粗過濾處理。

3.2 吸附劑的選擇與參數(shù)設(shè)定

活性炭具有比表面大、吸附能力強以及成本較低等優(yōu)勢，它是目前VOCs污染常見的吸附劑。粉末狀態(tài)的活性炭更換不方便，活性炭纖維含有規(guī)則的微孔結(jié)構(gòu)，具有較大的吸附容量，同時容易脫落，成本較高[8]。蜂窩狀的活性炭風(fēng)速高，阻力小，可以應(yīng)用到大風(fēng)量的低濃度廢氣吸附中。本文選擇蜂窩狀活性炭，吸附床的結(jié)構(gòu)采用的為抽屜式的組裝模式，便于使用時的填裝與拆卸。

3.3 催化燃燒設(shè)計

3.3.1 換熱器

換熱器的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為了降低生產(chǎn)成本，方便后續(xù)安裝，本文采用結(jié)構(gòu)較為簡單的固定式管板式換熱器，冷氣體走殼體，熱氣體走管程。

3.3.2 電加熱室

在本方案中，加熱室僅僅提供開機時預(yù)熱氣體需要的熱量，苯催化燃燒后有大量的預(yù)熱可以利用，因此需要的熱功率較低，通過電加熱即可，不需要天然氣或液化石油氣的額外加熱。

3.3.3 保溫模塊的處理

催化燃燒一體化設(shè)備內(nèi)部的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常溫，需要增加保溫處理避免對工作人員造成傷害。保溫利用的保溫棉采用的材料為硅酸鋁纖維氈，依據(jù)燃燒室可能出現(xiàn)的最高溫度400℃來設(shè)計，保溫棉的厚度取值為64 mm。

3.4 阻火器的設(shè)計

阻火器是由許多細(xì)小通道或孔隙組成的，當(dāng)火焰進入這些細(xì)小通道后就形成許多細(xì)小的火焰流。由于通道或孔隙的傳熱面積很大，火焰通過通道壁進行熱交換后，溫度下降，到一定程度時火焰即熄滅。阻火器是用來阻止燃燒的氣體或者是易燃性液體蒸發(fā)火焰蔓延的設(shè)備，在VOCs催化燃燒的反應(yīng)器中，如果有火星的話會引發(fā)氣體火焰出現(xiàn)進而促使整個管網(wǎng)燃燒，所以阻火器的作用較大。阻火器的殼體尺寸大小與流體阻力有直接關(guān)系，通常殼體直徑為配合使用的管道直徑的4倍左右，即D≈4d。本文依據(jù)規(guī)范設(shè)計，利用明火開口端和閉口端進行點火，本方案采用無火燃燒方式，如果依據(jù)D=4d的話，阻火器會過大，依據(jù)實際的操作需求，本文設(shè)計的數(shù)據(jù)取值為D=2d，角度為60°。阻火器采用的為1 mm不銹鋼，管道直徑為500 mm×200 mm，擴散的角度為60°，殼體前半部分的高度取值為250×sin60°≈433 mm。

4 結(jié)語

本方案采用吸附-催化燃燒法處理噴漆廢氣，首先利用過濾器去除漆霧，之后通過系統(tǒng)控制，利用蜂窩狀活性炭吸附床對其開展連續(xù)吸附，同時對吸附飽和的活性炭開展脫附。通過80℃熱風(fēng)吹脫的作用，將大風(fēng)量、低濃度的有機廢氣濃縮為小風(fēng)量、高濃度的有機廢氣，同時利用催化燃燒室將有機氣體轉(zhuǎn)化為CO2以及H2O，并保持穩(wěn)定的自燃燒。實踐證明，這種處理模式同傳統(tǒng)的工藝相比，具有凈化效率高、無二次污染以及運行成本低等優(yōu)勢。

1 師琴琴.某電子企業(yè)噴涂廢氣綜合治理工程設(shè)計[D].杭州：浙江大學(xué)，2014.

2 施媛媛.活性炭吸附催化一體設(shè)備在汽車涂裝噴漆廢氣處理中的應(yīng)用[J].汽車實用技術(shù)，2017，（15）：167-169.

3 張武學(xué).噴涂廢氣的治理措施[J].污染防治技術(shù)，2012，（6）：48-50.

4 劉 娟.噴涂廢氣的治理措施探討[J].工業(yè)，2015，（8）：12.

5 徐 雪，田曉剛，海 洋.兩種噴漆廢氣處理方法的技術(shù)經(jīng)濟對比分析[J].能源與節(jié)能，2013，（11）：142-144.

6 劉 暉，孫彥富，蘇建華，等.利用吸附-催化燃燒法處理噴漆產(chǎn)生的有機氣體[J].廣州化工，2009，37（1）：112-117.

7 徐綺坤，李淑瓊.汽車噴漆廢氣VOCs處理技術(shù)應(yīng)用進展探究[J].化工設(shè)計通訊，2017，43（6）：207.

8 劉 琪，劉澤航.印刷行業(yè)有機廢氣治理工程實例[J].環(huán)境科技，2016，29（5）：47-49.