分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪內(nèi)部燜燒現(xiàn)象的判定與原因分析

VOCs來源廣泛，涉及生產(chǎn)、生活等多個(gè)途徑。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，VOCs排放量與日俱增，給人們的生活環(huán)境帶來了嚴(yán)重影響。對(duì)于大風(fēng)量、低濃度的廢氣處理，分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪技術(shù)應(yīng)用廣泛。但是，在實(shí)際運(yùn)行過程中，若處理工藝設(shè)計(jì)不當(dāng)，或轉(zhuǎn)輪性能較差，也會(huì)發(fā)生各種運(yùn)行故障，其中，轉(zhuǎn)輪燜燒是最常見的現(xiàn)象之一。轉(zhuǎn)輪燜燒是指分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于轉(zhuǎn)輪內(nèi)部受熱不均勻發(fā)生的一種不同程度燃燒的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)輪燜燒不僅會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)輪及附屬設(shè)備的壽命造成嚴(yán)重影響，也可能會(huì)造成更為嚴(yán)重的運(yùn)行事故，直接威脅操作人員的生命安全。因此，快速、精準(zhǔn)判斷分子篩轉(zhuǎn)輪運(yùn)行過程中燜燒現(xiàn)象的發(fā)生，并能采取及時(shí)、有效的控制方式，對(duì)消除由此帶來的設(shè)備故障和安全隱患尤為重要。
一、分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪及工藝簡(jiǎn)介
分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪核心部件為分子篩轉(zhuǎn)輪輪芯，其是由分子篩吸附介質(zhì)和陶瓷纖維組成，其中分子篩吸附介質(zhì)是一種具有均勻孔道結(jié)構(gòu)的無機(jī)化合物。

根據(jù)不同作用，分子篩轉(zhuǎn)輪輪芯分為吸附區(qū)、解析區(qū)和冷卻區(qū)，各個(gè)區(qū)域由耐熱、耐溶劑的密封性材料分隔。圖1給出了分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪輪芯結(jié)構(gòu)及VOCs處理工藝示意圖。首先，低濃度、大風(fēng)量、常溫（40℃以下）的廢氣在風(fēng)機(jī)輸送下通過分子篩轉(zhuǎn)輪吸附區(qū)，VOCs被分子篩吸附，凈化后的氣體直接排放。由于吸附是放熱的，因此，凈化后排氣會(huì)有1～5℃的溫升；當(dāng)吸附區(qū)分子篩吸附飽和時(shí)，分子篩轉(zhuǎn)輪塊體轉(zhuǎn)動(dòng)至解析區(qū)，VOCs分子從轉(zhuǎn)輪上解析脫附，解析溫度為150～180℃。解析完成后，解析區(qū)轉(zhuǎn)輪塊體轉(zhuǎn)動(dòng)至冷卻區(qū)，經(jīng)冷卻降溫后，轉(zhuǎn)輪塊體恢復(fù)吸附能力，此時(shí)，冷卻區(qū)排氣溫度約為60～90℃。在轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，轉(zhuǎn)輪不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)吸附、解析、冷卻循環(huán)進(jìn)行，確保廢氣處理持續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行。分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪廢氣處理技術(shù)主要設(shè)備組成如圖2所示，主要包括氣體過濾器、分子篩轉(zhuǎn)輪輪芯、加熱器、轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)及動(dòng)力傳輸設(shè)備（風(fēng)機(jī)）等。

二、判定分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪內(nèi)部燜燒的方法
由上文可知，分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪在正常運(yùn)行過程中，工藝參數(shù)一旦確定，各區(qū)進(jìn)、出氣體溫度均在可控范圍內(nèi)波動(dòng)，如表1所示。

因此，通常情況下，各反應(yīng)區(qū)進(jìn)、出氣端均設(shè)置有溫度監(jiān)控裝置及溫度異常報(bào)警裝置，通過對(duì)各路氣體溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并及時(shí)反饋和控制，進(jìn)而保證整個(gè)處理工藝的穩(wěn)定運(yùn)行。但是，在實(shí)際監(jiān)測(cè)過程中，轉(zhuǎn)輪解析區(qū)及冷卻區(qū)排氣溫度偶爾會(huì)出現(xiàn)如圖3所示。系統(tǒng)剛開始運(yùn)行（0～40min）時(shí)，解析區(qū)排氣溫度始終維持在50～80℃，而冷卻區(qū)排氣溫度始終維持在60～90℃。當(dāng)運(yùn)行至45min時(shí)，解析區(qū)與冷卻區(qū)溫度開始持續(xù)升高。至75min時(shí)，解析區(qū)排氣溫度高于110℃，至80min時(shí)，冷卻區(qū)排氣溫度高于120℃，并且高于相應(yīng)溫度時(shí)間持續(xù)5min以上，若發(fā)生這種現(xiàn)象，則推斷認(rèn)為分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪內(nèi)部發(fā)生燜燒，需要及時(shí)拆開檢查，并對(duì)可能導(dǎo)致該現(xiàn)象發(fā)生的原因進(jìn)行排查。因此，溫度判定法是一種最直接、有效的判定分子篩轉(zhuǎn)輪內(nèi)部發(fā)生燜燒現(xiàn)象的方法。

三、分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪內(nèi)部燜燒的原因
3.1廢氣組分
（1）低沸點(diǎn)組分。
湖北某制藥公司于2019年對(duì)合成車間散排廢氣及污水池廢氣使用了一套分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪處理裝置，該項(xiàng)目轉(zhuǎn)輪在運(yùn)行一年后拆機(jī)檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪輪芯表面存在灼燒痕跡。為查詢輪芯灼燒原因，對(duì)該項(xiàng)目廢氣進(jìn)行氣相色譜-質(zhì)譜檢測(cè)，分析結(jié)果如圖4及表2所示。從數(shù)據(jù)分析看，該項(xiàng)目有機(jī)廢氣中含有大量低沸點(diǎn)（低于100℃）的有機(jī)廢氣分子，如丙酮、乙腈等。為滿足沸點(diǎn)較高的有機(jī)物（如3-乙基3-甲基庚烷（164℃）、3,3-二甲基辛烷（168℃））的正常解析，設(shè)計(jì)該工藝解析溫度為150～180℃。當(dāng)進(jìn)氣中低沸點(diǎn)有機(jī)分子在轉(zhuǎn)輪上不斷吸附濃縮時(shí)，在較高的解析溫度（150～180℃）下，這些有機(jī)分子就會(huì)與氣體中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，并放出大量的熱，因此會(huì)直接導(dǎo)致分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪內(nèi)部燜燒現(xiàn)象的發(fā)生。由此，可以解釋本項(xiàng)目轉(zhuǎn)輪輪芯發(fā)生燜燒現(xiàn)象的原因。

（2）高沸點(diǎn)組分。
浙江某制藥廠生產(chǎn)車間有較明顯的異味，對(duì)該車間通風(fēng)換氣，產(chǎn)生大量的低濃度廢氣。2017年，該公司為保證排氣達(dá)標(biāo)，采用了一套分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪處理裝置。該裝置運(yùn)行兩年后在拆機(jī)檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪輪芯表面存在灼燒痕跡。為查詢輪芯灼燒原因，對(duì)該項(xiàng)目廢氣進(jìn)行氣相色譜-質(zhì)譜檢測(cè)，分析結(jié)果如圖5及表3所示。從數(shù)據(jù)分析看，該項(xiàng)目有機(jī)廢氣中含有高沸點(diǎn)（高于180℃）的有機(jī)廢氣分子，如6-乙基2-甲基癸烷（沸點(diǎn)217℃）、3-甲基十一烷（沸點(diǎn)217℃）等。這些物質(zhì)在常規(guī)解析溫度下無法發(fā)生解析，而本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的解析溫度為150～180℃。

由此可以推斷，當(dāng)有機(jī)廢氣中存在大量高沸點(diǎn)氣體時(shí)，由于其沸點(diǎn)較高，當(dāng)采用常規(guī)解析溫度（150～180℃）時(shí)，吸附在分子篩孔道內(nèi)部的高沸點(diǎn)有機(jī)分子脫附效率較低，從而占據(jù)吸附位。隨著項(xiàng)目運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，轉(zhuǎn)輪會(huì)因內(nèi)部高沸點(diǎn)物質(zhì)不斷富集吸附位被占據(jù)而降低吸附效率，為使其維持較高的吸附脫附效率，需定期進(jìn)行高溫脫附（200～230℃）。而在高溫脫附期間，輪芯內(nèi)部富集的高沸點(diǎn)有機(jī)物與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)形成焦體物質(zhì)，造成轉(zhuǎn)輪不通暢且局部過熱，最終導(dǎo)致燜燒現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3.2輪芯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性

圖6為河北某化工原料生產(chǎn)車間有機(jī)廢氣處理工藝中監(jiān)測(cè)的分子篩轉(zhuǎn)輪輪芯運(yùn)行2年期間壓降隨時(shí)間的變化圖，從圖中可以看出，剛開始運(yùn)行（0～12個(gè)月）時(shí)，轉(zhuǎn)輪壓降約200～500Pa，而運(yùn)行一年后，監(jiān)測(cè)的壓降明顯升高，最高達(dá)到1000Pa。對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行停機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)輪芯盤面局部發(fā)生燜燒，同時(shí)，發(fā)生燜燒區(qū)域的輪芯孔道也存在明顯的堵塞現(xiàn)象。由此可見，轉(zhuǎn)輪輪芯孔道堵塞可能是導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪輪芯內(nèi)部發(fā)生燜燒的原因之一。分子篩轉(zhuǎn)輪輪芯主要是由吸附介質(zhì)（分子篩）和骨架結(jié)構(gòu)（陶瓷纖維）組成，其中陶瓷纖維及輪芯塊體之間使用密封膠黏連而成，因此在一定程度上容易造成骨架坍塌，進(jìn)而影響了輪芯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。另外，雖然分子篩轉(zhuǎn)輪輪芯具有規(guī)則的孔道，保證廢氣流通的同時(shí)能有效地降低壓損，節(jié)省能耗，但是，通常情況下，該孔道尺寸相對(duì)較小，容易造成孔道堵塞。此外，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部容易引起孔道堵塞的物質(zhì)還包括：
（1）高沸點(diǎn)物質(zhì)聚合。
如3.1（2）所述，高沸點(diǎn)有機(jī)物存在會(huì)導(dǎo)致分子篩脫附不完全，隨著運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，這些物質(zhì)含量不斷增加，且會(huì)與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)形成焦體物質(zhì)，進(jìn)而導(dǎo)致分子篩孔道及轉(zhuǎn)輪輪芯孔道不斷堵塞。
（2）無機(jī)組分。若處理廢氣中含有NaCl、CaCl2、MgCl2等一定濃度的無機(jī)組分時(shí)，這些組分會(huì)在分子篩表面以及轉(zhuǎn)輪輪芯孔道中發(fā)生吸附，并不斷累計(jì)，最終導(dǎo)致輪芯孔道結(jié)構(gòu)的堵塞。
（3）密封材料磨損。分子篩轉(zhuǎn)輪輪芯分區(qū)支架與箱體之間采用耐高溫復(fù)合材料進(jìn)行軟密封，當(dāng)轉(zhuǎn)輪長(zhǎng)期運(yùn)行后，密封材料會(huì)出現(xiàn)一定程度的磨損，磨損的密封材料會(huì)粘連在轉(zhuǎn)輪表面，形成薄膜進(jìn)而堵塞轉(zhuǎn)輪。
3.3轉(zhuǎn)輪濃縮處理工藝
如第1章所述，分子篩轉(zhuǎn)輪輪芯和過濾器、加熱器、轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)及動(dòng)力傳輸設(shè)備（風(fēng)機(jī)）結(jié)合構(gòu)成一套完整的分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪處理工藝，其中若轉(zhuǎn)動(dòng)故障或解析氣加熱存在問題時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致分子篩轉(zhuǎn)輪內(nèi)部發(fā)生燜燒。
（1）轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)故障。
分子篩轉(zhuǎn)輪輪芯持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)是保證該工藝正常運(yùn)行的基本條件，轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)是維持其轉(zhuǎn)動(dòng)所需的動(dòng)力設(shè)備，在運(yùn)行過程中，電控對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，轉(zhuǎn)速異常則會(huì)發(fā)生報(bào)警。
例如，河北某制藥公司廢氣治理項(xiàng)目，系統(tǒng)運(yùn)行過程中曾出現(xiàn)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速異常報(bào)警現(xiàn)象，并伴隨有轉(zhuǎn)輪凈化氣中非甲烷總烴數(shù)據(jù)超標(biāo)現(xiàn)象，如圖7所示。

如圖7，在系統(tǒng)正常運(yùn)行（0～8h）時(shí)，凈化排氣中非甲烷總烴明顯低于50mg/m3，但是，當(dāng)控制面板上轉(zhuǎn)輪發(fā)出低速運(yùn)轉(zhuǎn)（小于1r/h）報(bào)警（9h后），凈化排氣中非甲烷總烴含量迅速達(dá)到150mg/m3。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行停機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪內(nèi)部有明顯燜燒現(xiàn)象。
其主要原因是，當(dāng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速較低或停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致吸附區(qū)長(zhǎng)期處于吸附狀態(tài)，從而使得吸附近飽和狀態(tài)的分子篩無法進(jìn)行解析，從而使得吸附效率降低，排氣非甲烷總烴升高。而對(duì)于解析區(qū)，由于轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速變慢或停止轉(zhuǎn)動(dòng)且長(zhǎng)時(shí)間未進(jìn)行處理時(shí)，會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間被解析氣加熱，進(jìn)而溫度不斷升高。當(dāng)該區(qū)域集聚了大量的有機(jī)分子時(shí)，這些有機(jī)分子在持續(xù)的高溫環(huán)境中會(huì)和分子篩孔隙中的氧氣發(fā)生觸媒反應(yīng)，從而形成放熱并導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪內(nèi)部燜燒現(xiàn)象的發(fā)生。
（2）解析氣熱源。高溫解析氣的加熱方式通常包括電加熱、蒸汽加熱及燃?xì)饧訜岬确绞剑?dāng)業(yè)主方能夠提供充足燃?xì)鈺r(shí)，為節(jié)省能源，降低能耗，通常采用燃?xì)饧訜岬姆绞竭M(jìn)行，而此時(shí)，氣體燃燒機(jī)是必不可少的設(shè)備之一。

通常，燃?xì)饧訜峤馕隽鞒倘鐖D8所示。
當(dāng)采用燃?xì)夤釙r(shí)，天然氣進(jìn)入燃燒機(jī)的燃燒頭內(nèi)，與助燃風(fēng)機(jī)所提供的助燃?xì)饣旌希c(diǎn)火燃燒。因此，燃?xì)馊紵龝r(shí)系統(tǒng)內(nèi)存在明火焰。若燃燒機(jī)火焰異常狀態(tài)（如火焰過長(zhǎng)或殘余零星火星等情況），會(huì)存在燃燒機(jī)火焰直接灼燒到轉(zhuǎn)輪部分盤面的情況，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪內(nèi)部發(fā)生燜燒現(xiàn)象。
四、分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪內(nèi)部燜燒解決方法
綜上所述，分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪內(nèi)部發(fā)生燜燒現(xiàn)象的原因很多，為避免該現(xiàn)象的發(fā)生，提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，降低風(fēng)險(xiǎn)和投入，現(xiàn)提出以下解決辦法。
（1）嚴(yán)格控制廢氣組成。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，對(duì)所處理有機(jī)廢氣組成進(jìn)行詳細(xì)的取樣檢測(cè)和分析，設(shè)定合理的解析溫度等工藝參數(shù)。當(dāng)處理廢氣中含有高沸點(diǎn)有機(jī)分子時(shí)，在進(jìn)入分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪前要進(jìn)行氣體預(yù)處理，從而避免燜燒現(xiàn)象的發(fā)生。
（2）提高輪芯結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。為避免輪芯堵塞，應(yīng)定期采用帶壓惰性氣體吹掃，保證輪芯通暢，避免廢氣中攜帶的無機(jī)組分長(zhǎng)時(shí)間在輪芯孔道堆積發(fā)生堵塞。另外，為防止轉(zhuǎn)輪長(zhǎng)期運(yùn)行使得密封材料發(fā)生氧化或磨損而堵塞孔道，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行定期拆卸和更換，以避免燜燒現(xiàn)象發(fā)生。
（3）改進(jìn)工藝設(shè)計(jì)。針對(duì)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速，電控系統(tǒng)需進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)定，實(shí)時(shí)監(jiān)控，并設(shè)置系統(tǒng)報(bào)警和連鎖裝置。當(dāng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速持續(xù)異常應(yīng)自動(dòng)停止加熱，從而避免因不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)和處理所引起的燜燒。另外，在采用燃?xì)夤釙r(shí)，為避免轉(zhuǎn)輪盤面的灼燒，應(yīng)在燃?xì)饧訜崞骱徒馕鰠^(qū)之間增設(shè)阻火器，從而避免了火焰竄到輪芯表面。此外，在該段解析管路上，還應(yīng)適當(dāng)增加溫度監(jiān)測(cè)儀表數(shù)量，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理燃燒機(jī)火焰異常情況。
五、結(jié)語(yǔ)
分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪技術(shù)在處理大風(fēng)量、低濃度廢氣中應(yīng)用廣泛，該技術(shù)在實(shí)際運(yùn)行過程中如果處理不當(dāng)仍存在一些風(fēng)險(xiǎn)，其中，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部發(fā)生燜燒現(xiàn)象是最典型的問題之一。本文首次采用溫度判斷法判定轉(zhuǎn)輪內(nèi)部燜燒現(xiàn)象的發(fā)生，當(dāng)系統(tǒng)解析區(qū)排氣溫度持續(xù)5min以上高于110℃且冷卻區(qū)排氣溫度高于120℃，表明系統(tǒng)內(nèi)部可能發(fā)生了燜燒，需及時(shí)停機(jī)檢查。另外，本文還以實(shí)際工程項(xiàng)目為背景，從廢氣組分、輪芯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及轉(zhuǎn)輪濃縮處理工藝等方面詳細(xì)分析了發(fā)生燜燒現(xiàn)象的原因，并有針對(duì)性地提出了合理、有效的解決方案。首先，嚴(yán)格分析和控制廢氣組成，降低廢氣中高沸點(diǎn)組分的含量，并有針對(duì)性地設(shè)計(jì)合理的解析溫度是避免轉(zhuǎn)輪燜燒的方法之一。其次，針對(duì)轉(zhuǎn)輪壓損和轉(zhuǎn)速，設(shè)置多點(diǎn)測(cè)定，實(shí)時(shí)監(jiān)控，并設(shè)置異常報(bào)警和連鎖裝置，對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期檢修和維護(hù)將有利于提高設(shè)備的穩(wěn)定性和工藝的安全性，是避免轉(zhuǎn)輪燜燒的又一有效方法。
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