摘要：揮發(fā)性有機物(Volatile Organic Compounds,VOCs)是近年來大氣污染治理的重點和難點。針對許多行業(yè)VOCs排放具有低濃度、大風量的特點,以國外知名化工公司生產的聚合物樹脂為吸附材料,研究開發(fā)了雙流化床吸附濃縮-技術。本論文首先在多層流化床中開展了吸附和脫附實驗研究,采用三層流化床,二甲苯的總脫除率可以達到99%以上,150℃下脫附,濃縮比可以達到10以上。在實驗研究的基礎上,設計并建立了一套2萬m3/h的雙流化床吸附濃縮-催化燃燒示范裝置,運行結果顯示,VOCs總入口濃度221mg/m3,吸附塔的總脫除率可以達到97%以上,濃縮比達到17,多層流化床的每一床層壓降僅為90Pa,示范裝置的雙流化床系統(tǒng)和催化燃燒裝置運行穩(wěn)定。實驗和示范裝置的運行結果表明,雙流化吸附濃縮技術為低濃度、大風量的VOCs凈化治理提供了一條切實可行的技術途徑。
一、前言
揮發(fā)性有機物（Volatile Organic Compounds，VOCs）是最常見的空氣污染物，種類繁多，包括醇類、醛類、酯類、芳烴、鹵代烴等。在家具制造、汽車制造的表面涂裝工藝，印刷行業(yè)中印刷和涂布，電子制造的焊接和烘干工藝等中，排放的VOCs呈現出大風量（2 萬-18 萬m3/h）、低濃度（200-800mg/m3）的特點，直接燃燒或者催化燃燒需要大規(guī)模的設備，投資高，而且運行時需額外補充燃料，運行費用高。目前普遍采用吸附濃縮工藝，將大風量、低濃度的廢氣濃縮到高濃度、小風量的廢氣，然后進行后續(xù)的燃燒或冷凝回收處理，從而降低設備的投資和運行費用。吸附濃縮工藝根據吸附器的不同，主要分為三類：固定床，沸石轉輪和流化床。固定床屬于間歇操作，通常采用蜂窩活性炭吸附材料，存在的問題有熱氣流再生時活性炭材料易燃，疏水性差，不適用于高濕度的廢氣，且再生濃度波動大。沸石轉輪是一種將沸石吸附性材料制作成蜂窩狀結構的轉輪設備，具有壓降低，吸脫附效率高，脫附溫度高，且無自燃風險等優(yōu)點，目前已經得到普遍應用。但沸石轉輪對廢氣的溫度、濕度、成分、濃度等要求比較高，另外，轉輪的密封性要求嚴，模塊化的蜂窩吸附材料使得后期的維護成本相對較高。沸石轉輪技術目前主要掌握在日本、美國、瑞典等國家的手中。
除沸石轉輪外，國內外一些研究機構和公司還開發(fā)出了流化床裝置用于 VOCs的吸附，并得到了應用。流化床吸附的優(yōu)點是床層溫度均勻，傳質、傳熱快，不需要專門的維護保養(yǎng)，易于設計放大。流化床吸附濃縮的關鍵是耐磨、疏水、球形度好的高性能吸附劑的開發(fā)，典型的吸附劑是球形顆?；钚蕴亢蜆渲?。日本吳羽公司早在上世紀70 年代就開發(fā)出了GASTAK 技術，采用多層流化床吸附，移動床脫附的方法用于有機溶劑的回收，吸附劑為吳羽公司開發(fā)的瀝青基球形活性炭。國內的中國科學院過程工程研究所在流化床VOCs 吸附方面研發(fā)較早，上世紀70 年代中國科學院過程工程研究所郭慕孫院士開發(fā)出了氣控式多層流化床吸附濃縮技術，采用多層流化床吸附，移動床蒸汽脫附的方法回收二氯乙烷溶劑，吸附劑為活性炭。中國科學院過程工程研究所宋文立等采用樹脂基的球形活性炭為吸附劑，在循環(huán)流化床裝置上開展了VOCs的吸附研究。最近，中國科學院過程工程研究所聯合某環(huán)保公司共同研發(fā)了雙流化床吸附濃縮技術，用于低濃度、大風量VOCs廢氣的吸附濃縮治理。該技術的工藝流程示意圖如下。雙流化床吸附濃縮裝置主要由兩個多層流化床-多層流化床吸附塔和多層流化床脫附塔組成，采用熱氣流脫附再生，濃縮后的廢氣去催化燃燒或冷凝回收處理。
二、實 驗
2.1 吸附樹脂
實驗采用的是國外知名化工公司生產的聚合物吸附樹脂，外觀為橙色-棕色球形顆粒，用于去除潮濕空氣中的VOCs，包括鹵代烷烴或有機溶劑。該聚合物吸附樹脂的典型物理和化學性質如表1 所示。由表可見，聚合物吸附樹脂粒徑小，比表面積高，保證了高吸附容量和吸脫附動力學性能。聚合物吸附樹脂球形度高，內部高分子三維網狀結構使其在流化床中使用時具有高耐磨性能和良好的流化性能。
2.2 流化床吸附-脫附實驗
為了研究聚合物吸附樹脂在流化床中的吸附和脫附性能，實驗室建立了一套流化床VOCs 吸附-脫附實驗研究裝置，裝置主要包括多層流化床吸附裝置，多層流化床脫附裝置，見圖2。實驗考察了代表性的VOCs 氣體二甲苯在吸附和脫附床層中的濃度分布。二甲苯氣體濃度采用手持式氣體檢測儀在線測定。
2.3 雙流化床吸附濃縮-催化燃燒示范裝置
在多層流化床吸附-脫附實驗結果的基礎上，設計并建立了一套2 萬立方米/小時的雙流化床吸附濃縮-催化燃燒示范裝置。示范裝置建于東莞市百安石化倉儲有限公司，用于有機廢氣包括二甲苯、乙酸乙酯等的治理。示范裝置的現場圖片如圖3 所示，裝置主要由多層流化床吸附裝置，多層流化床脫附裝置和催化燃燒裝置組成。
三、結果與討論
3.1 流化床吸附實驗研究
圖4 和圖5 分別給出了不同入口濃度下二甲苯在多層流化床中的濃度分布情況。入口濃度234mg/m3 時，經過第一層吸附，濃度降低到33mg/m3，二甲苯的脫除率達到86%。再經過第二層吸附，濃度降低到9mg/m3，二甲苯的總脫除率達到96%，最后第三層出口濃度降低到1mg/m3，總脫除率達到99.6%。當二甲苯的入口濃度提高到1094mg/m3 時，經過第一層吸附，氣體中的二甲苯濃度降低到106mg/m3，二甲苯的脫除率達到90%。再經過第二層吸附，濃度降低到12mg/m3，二甲苯的總脫除率達到98.9%，最后第三層出口濃度降低到5mg/m3，總脫除率達到99.5%?？梢姡瑢Σ煌肟跐舛鹊亩妆綒怏w，采用三層流化床，二甲苯的總脫除率可以達到99%以上。
3.2 流化床脫附實驗研究
圖7 給出了吸附樹脂在多層流化床中吸附低濃度二甲苯（234mg/m3）后，在多層床再生脫附時的濃度分布情況，脫附溫度150oC。由圖可見，濃縮后氣體出口濃度達到了2462mg/m3，濃縮比達到10.5。
3.3 2 萬m3/h 流化床吸附濃縮-催化燃燒示范裝置運行結果
第三方檢測化驗結果顯示，入口風量19810m3/h，進氣口總VOCs 濃度221mg/m3，其中甲苯169mg/m3，乙酸乙酯40.8mg/m3，經多層流化床吸附后，氣體出口總VOCs 濃度降到6.61mg/m3，總脫除效率達到97%，其中甲苯3.72mg/m3，乙酸乙酯2.01mg/m3。150oC 熱空氣脫附后，脫附塔出口濃縮后的VOCs 濃度達到3793mg/m3，濃縮比達到17。多層流化床的每一床層的壓降較低，僅為90Pa。
四、結論
聚合物樹脂為吸附材料，在多層流化床中開展了吸附和脫附實驗研究，采用三層流化床，二甲苯的總脫除率可以達到99%以上，150oC 下脫附，濃縮比可以達到10 以上。設計并建立了一套2 萬m3/h 雙流化床吸附濃縮-催化燃燒示范裝置，運行結果顯示，VOCs 總入口濃度221mg/m3，吸附塔總脫除率97%，濃縮比達到17，單床層壓降僅為90Pa。實驗和示范裝置的運行結果表明，雙流化吸附濃縮技術為低濃度、大風量的VOCs凈化治理提供了一條切實可行的技術途徑。
來源：北極星VOCs在線
