分子篩轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)筒在廢氣治理工程中的應(yīng)用分析

紀麟肯，柴靈芝，王士剛，王淦

（青島華世潔環(huán)?？萍加邢薰?，山東 青島 266510）

大部分揮發(fā)性工業(yè)有機廢氣具有大風量、低濃度的特點，直接使用蓄熱式氧化或催化氧化等凈化設(shè)備會造成設(shè)備投資過大、能耗過高。而吸附濃縮裝置可將大風量、低濃度的揮發(fā)性有機物（VOCs）氣體濃縮為小風量、高濃度的氣體，大大降低了后端氧化設(shè)備的投資、能耗及占地。隨著各地方有機廢氣排放標準的陸續(xù)發(fā)布，對于揮發(fā)性有機廢氣排放濃度和排放速率的要求也越來越嚴格，對吸附濃縮裝置的凈化效率也提出了較高的要求。相比于活性炭吸附濃縮裝置，分子篩吸附濃縮裝置由于凈化效率高、使用壽命長，在市場上得到了廣泛應(yīng)用[1]。在分子篩吸附濃縮裝置的發(fā)展過程中逐漸分化形成了分子篩轉(zhuǎn)輪和分子篩轉(zhuǎn)筒兩種應(yīng)用結(jié)構(gòu)形式，用戶在選擇的過程中常存在困惑。

本文通過總結(jié)實驗和項目現(xiàn)場實際運行工況，針對分子篩轉(zhuǎn)輪與分子篩轉(zhuǎn)筒，從設(shè)備的結(jié)構(gòu)、投資、運行特點、能耗、吸附材料性能、凈化效率、占地面積、安全性能等方面進行了對比，以幫助用戶做出合理的選擇。

1 分子篩轉(zhuǎn)輪介紹

分子篩轉(zhuǎn)輪呈圓盤狀結(jié)構(gòu)，分為吸附區(qū)、脫附區(qū)和冷卻區(qū)三個功能區(qū)域，各區(qū)域由密封材料分隔開來。分子篩轉(zhuǎn)輪使用時為連續(xù)運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動順序為由吸附區(qū)到脫附區(qū)，再經(jīng)過冷卻區(qū)，然后返回吸附區(qū)循環(huán)。

廢氣經(jīng)過預(yù)處理（如過濾、噴淋等后），送至沸石分子篩轉(zhuǎn)輪的吸附區(qū)。在吸附區(qū)，有機廢氣中的VOCs被沸石分子篩吸附除去，有機廢氣被凈化后從沸石分子篩轉(zhuǎn)輪吸附區(qū)排出，直接排入煙囪，實現(xiàn)達標排放。

吸附在分子篩轉(zhuǎn)輪中的VOCs，在脫附區(qū)經(jīng)過熱風處理后被脫附、濃縮。脫附后的小風量、高濃度廢氣進入后端的熱氧化設(shè)備進行凈化處理。

為保證高的吸附效率，需對高溫脫附后的轉(zhuǎn)輪進行冷卻。脫附再生后的沸石分子篩轉(zhuǎn)輪在冷卻區(qū)被冷卻。經(jīng)過冷卻區(qū)的空氣再經(jīng)過加熱后可作為再生空氣使用，從而達到節(jié)能的效果[2]。

2 分子篩轉(zhuǎn)筒介紹

分子篩轉(zhuǎn)筒呈筒狀結(jié)構(gòu)，又稱筒式沸石轉(zhuǎn)輪，分為吸附區(qū)、脫附區(qū)和無效區(qū)（常見面積占比為9∶1∶2），各區(qū)域由密封材料分隔開來。分子篩轉(zhuǎn)筒使用時為連續(xù)運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動順序為由吸附區(qū)到無效區(qū)，再經(jīng)過脫附區(qū)、另一側(cè)的無效區(qū)后進入吸附區(qū)循環(huán)。

廢氣經(jīng)過預(yù)處理后進入分子篩轉(zhuǎn)筒的圓柱形側(cè)面，經(jīng)過吸附后，從圓筒中心頂部的出風口送入煙囪達標排放。另有一股經(jīng)過加熱的小風量空氣從脫附區(qū)入口管道進入，經(jīng)過脫附區(qū)后變成高濃度的廢氣進入后端氧化設(shè)備進行凈化處理。

3 分子篩轉(zhuǎn)輪與分子篩轉(zhuǎn)筒對比分析

3.1 結(jié)構(gòu)布風

吸附區(qū)裝填相同質(zhì)量的分子篩轉(zhuǎn)輪和轉(zhuǎn)筒理論上具有相同的吸附容量和凈化效率，但通過工程測試發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)輪的凈化效率略高于轉(zhuǎn)筒。主要原因如下：

（1）分子篩轉(zhuǎn)筒沒有冷卻區(qū)，轉(zhuǎn)輪有冷卻區(qū)。分子篩轉(zhuǎn)筒經(jīng)過脫附區(qū)加熱后溫度升高，吸附能力減弱，若未經(jīng)冷卻直接進入吸附區(qū)，造成部分高濃度廢氣快速吸附穿透，降低整體吸附凈化效率。

（2）分子篩轉(zhuǎn)筒布風不均勻。即使在轉(zhuǎn)筒入口處擴徑，風速差別仍較大，部分高風速位置廢氣易穿透，而分子篩轉(zhuǎn)輪整個迎風面風速基本一致。測試分子篩轉(zhuǎn)筒吸附區(qū)不同位置的風速后發(fā)現(xiàn)差別較大，迎風面處風速可達5m/s、背風面處風速為1m/s（見圖1）。根據(jù)靜態(tài)吸附實驗可知，風速越高，吸附容量越低。所以在風速較高的位置，高濃度廢氣容易快速穿透，造成凈化效率下降。

圖1 分子篩轉(zhuǎn)筒風速模擬俯視

3.2 運行特點及能耗

分子篩轉(zhuǎn)輪由于是連續(xù)運行，脫附出口的溫度穩(wěn)定在60℃—70℃。脫附出口的濃度為積分平均值，連續(xù)穩(wěn)定。分子篩轉(zhuǎn)筒本質(zhì)上是多個固定床輪流切換的過程，脫附過程中會出現(xiàn)溫度和濃度的瞬間波動。某分子篩轉(zhuǎn)筒項目設(shè)計為12個分區(qū)，轉(zhuǎn)速4.8r/h（即750s/r），每個區(qū)域在脫附區(qū)的停留時間為62.5s?，F(xiàn)場實測，當某個分區(qū)進入脫附區(qū)時，脫附出口溫度在前11s由60℃降到20℃，在中間20s由20℃升到60℃，波動較大。通過手持式濃度儀測試，脫附出口濃度在2000—10 000mg/m3波動。溫度和濃度波動會造成后端氧化設(shè)備的反應(yīng)溫度波動，并造成加熱器頻繁啟停，不利于節(jié)能。從安全的角度考慮，濃度波動高峰值有可能會瞬間超過爆炸下限（LEL），存在一定的安全隱患。

另外，分子篩轉(zhuǎn)輪和轉(zhuǎn)筒的脫附溫度通常在180℃—200℃，由于分子篩轉(zhuǎn)輪具有冷卻區(qū)，能較好利用冷卻區(qū)的余熱，將脫附氣體預(yù)熱到120℃—170℃（與轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速越快，預(yù)熱后溫度越高）。脫附加熱僅需補充20℃—80℃的熱量，脫附所需的加熱能量較小。而分子篩轉(zhuǎn)筒無冷卻區(qū)，需要將常溫氣體升溫至180℃—200℃，需要補充160℃—180℃的熱量，因此脫附所需的加熱能量較高。分子篩轉(zhuǎn)輪和分子篩轉(zhuǎn)筒脫附能耗對比見圖2。

圖2 分子篩轉(zhuǎn)輪和分子篩轉(zhuǎn)筒脫附能耗對比

3.3 吸附材料利用率

如圖3所示，分子篩轉(zhuǎn)筒分為吸附區(qū)、脫附區(qū)和無效區(qū)，以常見規(guī)格的12個分區(qū)為例，面積占比為9∶1∶2，吸附區(qū)占有率為75%。分子篩轉(zhuǎn)輪分為吸附區(qū)、脫附區(qū)和冷卻區(qū)，常見的面積占比為10∶1∶1，吸附區(qū)占有率為83.3%。通過上述對比可見，分子篩轉(zhuǎn)輪的吸附區(qū)有效利用率更高。

圖3 分子篩轉(zhuǎn)筒（左）與分子篩轉(zhuǎn)輪（右）的吸附區(qū)、脫附區(qū)面積占比

分子篩轉(zhuǎn)輪比轉(zhuǎn)筒的吸附區(qū)利用率高主要是由于轉(zhuǎn)筒的密封比轉(zhuǎn)輪困難。分子篩轉(zhuǎn)輪為平面密封，僅需保證圓餅的表面平面度即可。分子篩轉(zhuǎn)筒為了實現(xiàn)不同區(qū)域的密封，如轉(zhuǎn)筒內(nèi)側(cè)與脫附區(qū)入口的貼合、轉(zhuǎn)筒外側(cè)和脫附區(qū)出口的貼合，需要保證多層圓柱弧面貼合，即不同曲率和垂直度同時保證貼合。單純通過機械加工和安裝精度來確保單層密封的難度很大，所以在脫附區(qū)兩側(cè)設(shè)置了2個無效區(qū)，在每個無效區(qū)邊緣再設(shè)置一層密封，通過雙層密封來滿足要求。

在上述已有1個脫附區(qū)、2個無效區(qū)的基礎(chǔ)上，如果再做一個冷卻區(qū)，為了隔絕冷卻區(qū)與脫附區(qū)和吸附區(qū)，還需再增加一個無效區(qū)。這就造成轉(zhuǎn)筒12個區(qū)域中會有3個無效區(qū)，整體分子篩的利用率會變得過低，所以通常分子篩轉(zhuǎn)筒不設(shè)置冷卻區(qū)。

另外，分子篩轉(zhuǎn)輪常見的吸附床層厚度為400mm或500mm。分子篩轉(zhuǎn)筒塊體的吸附床層厚度為225mm。根據(jù)吸附穿透的原理，傳質(zhì)帶占有一定厚度，所以吸附床層越厚，傳質(zhì)帶的占有率越低，能有效吸附飽和的厚度越大，利用率越高。因此，分子篩轉(zhuǎn)筒受制于吸附區(qū)面積占比和床層厚度兩個因素，吸附材料有效利用率較低。

3.4 設(shè)備成本

分子篩轉(zhuǎn)筒的設(shè)備成本比轉(zhuǎn)輪高。處理相同風量的分子篩轉(zhuǎn)筒和轉(zhuǎn)輪的吸附材料成本基本一致，但分子篩轉(zhuǎn)筒的機械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，通過多個風量規(guī)格轉(zhuǎn)筒與轉(zhuǎn)輪的核算，可發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)筒的機械結(jié)構(gòu)成本比轉(zhuǎn)輪平均高40%，詳細對比見表1。

表1 分子篩轉(zhuǎn)筒和轉(zhuǎn)輪機械結(jié)構(gòu)的主要組成部分對比

3.5 設(shè)備占地

通過表2可看出，分子篩轉(zhuǎn)筒的占地面積比轉(zhuǎn)輪大，而且分子篩轉(zhuǎn)筒前端還需要設(shè)有一定長度的分風區(qū)，所以分子篩轉(zhuǎn)筒的實際占地面積更大。因此，分子篩轉(zhuǎn)筒不適用于集成化和小型化的設(shè)備。

表2 分子篩轉(zhuǎn)筒和轉(zhuǎn)輪的占地面積對比

3.6 吸附材料

常見的分子篩轉(zhuǎn)筒使用的吸附材料為有機纖維，不耐高溫，超過300℃后易引燃，不能回爐再生。而分子篩轉(zhuǎn)輪使用的基材為玻璃纖維，耐高溫。長期使用后，如果是由于高沸點物質(zhì)引起的凈化效率下降，經(jīng)過回爐再生（500℃—600℃），大部分高沸點物質(zhì)可去除，可恢復(fù)一定的凈化效率，大大延長了吸附材料的使用壽命。

同時，常見的分子篩轉(zhuǎn)筒中的有機纖維基材的分子篩塊體強度低，吸水、觸碰和刮擦后易出現(xiàn)塌陷，所以只能做成配合分子篩轉(zhuǎn)筒的結(jié)構(gòu)使用，無法在分子篩轉(zhuǎn)輪中應(yīng)用。而分子篩轉(zhuǎn)輪的吸附材料強度較高，不僅可應(yīng)用于轉(zhuǎn)輪，也可加工成分子篩轉(zhuǎn)筒的長方體形狀，用于分子篩轉(zhuǎn)筒，所以工程應(yīng)用上出現(xiàn)了大量用玻纖基材塊體替代有機纖維塊體的案例。分子篩轉(zhuǎn)筒和轉(zhuǎn)輪的吸附材料對比見表3。

表3 傳統(tǒng)分子篩轉(zhuǎn)筒和轉(zhuǎn)輪的吸附材料對比

3.7 維護更換便捷性

分子篩轉(zhuǎn)筒的主要優(yōu)點在于吸附材料更換的便捷性。轉(zhuǎn)筒采用卡扣式結(jié)構(gòu)，單人即可完成塊體的拆裝與更換。傳統(tǒng)的分子篩轉(zhuǎn)輪不易單獨拆裝某一個塊體，需要整體吊裝。但近年來，可更換塊體的分子篩轉(zhuǎn)輪從技術(shù)上也可以實現(xiàn)。通過在圓餅式的骨架上拆裝扇形的分子篩塊體，在一定程度上改善了更換便捷性（見圖4）。

圖4 可更換塊體的分子篩轉(zhuǎn)輪

另外，由于玻璃纖維基材的分子篩塊體可再生溫度高，部分污染工況的塊體可通過高溫再生延長一定的使用壽命。所以，無論選擇轉(zhuǎn)筒還是轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)形式，更換吸附材料塊體都建議使用玻璃纖維基材的分子篩塊體，這樣可降低投資和維護費用。

4 結(jié)語

通過調(diào)研分子篩轉(zhuǎn)筒與分子篩轉(zhuǎn)輪在多個項目中的實際應(yīng)用情況，從投資、運行能耗、安全、占地等多個方面，可看出分子篩轉(zhuǎn)輪相比于分子篩轉(zhuǎn)筒具有明顯的優(yōu)勢（見表4）。隨著更換便捷性的提高，分子篩轉(zhuǎn)輪必定是吸附濃縮裝置的主流技術(shù)。

表4 分子篩轉(zhuǎn)筒和轉(zhuǎn)輪的綜合對比