催化氧化+分子篩流動(dòng)床系統(tǒng)在高濃度有機(jī)廢氣中的應(yīng)用

張紅偉

摘  要：針對(duì)制藥行業(yè)包衣車間高濃度有機(jī)廢氣，提供了一種優(yōu)化的高濃度有機(jī)廢氣處理工藝，基于催化氧化爐的最佳處理溫度與合適的空速，證明了催化氧化爐+分子篩流動(dòng)床工藝的高效性，分析了不同進(jìn)氣濃度下的系統(tǒng)凈化效率。結(jié)果表明，催化氧化爐+分子篩流動(dòng)床的工藝適合高濃度有機(jī)廢氣的處理，處理效率穩(wěn)定，能實(shí)現(xiàn)低排放。

關(guān)鍵字：催化氧化爐；分子篩流動(dòng)床；有機(jī)廢氣；高濃度；低排放

1   引言

     醫(yī)藥行業(yè)在我國一直是環(huán)境污染大戶，由于其廢氣成分復(fù)雜、污染危害嚴(yán)重、廢氣排放呈現(xiàn)不規(guī)律性等特征，因此開發(fā)適應(yīng)性強(qiáng)的廢氣處理系統(tǒng)在制藥工業(yè)廢氣治理領(lǐng)域中顯得尤為關(guān)鍵。

     近年來，催化氧化與吸附脫附裝置備受廢氣治理行業(yè)的青睞。催化氧化裝置(CO)是將廢氣中的有機(jī)污染物如苯類、酮類、酯類、酚類、醛類、醇類、醚類、烴類等進(jìn)行催化氧化，分解為CO₂和H₂O等小分子化合物。催化氧化處理裝置均設(shè)有余熱回收模塊，預(yù)熱后續(xù)進(jìn)入的有機(jī)廢氣，從而節(jié)省廢氣升溫的能源消耗。吸附脫附裝置主要有活性炭與分子篩，有研究指出沸石分子篩單位傳質(zhì)長度的平均傳質(zhì)速率是活性炭的1.42~4.66倍，雖然相同吸附、脫附溫度下，活性炭的工作容量要大于沸石分子篩，但沸石分子篩的優(yōu)勢是，在210℃可幾乎完全脫附徹底，且濃縮倍率可達(dá)到48倍以上，連續(xù)吸附、脫附對(duì)沸石分子篩影響不大，更加適合連續(xù)吸附、脫附的工作。分子篩吸附脫附利用吸附—高溫脫附濃縮—冷卻再吸附，三項(xiàng)連續(xù)的變溫吸附、脫附的程序化過程，使得低濃度有機(jī)廢氣濃縮為高濃度的廢氣，該技術(shù)主要是降低了后續(xù)處理裝置的投資成本。介于以上兩設(shè)備的優(yōu)勢，分子篩吸附脫附+催化氧化工藝應(yīng)用較為廣泛，現(xiàn)有研究也闡明低濃度有機(jī)

     廢氣凈化處理易采用分子篩吸附脫附與催化氧化連用技術(shù)，此工藝技術(shù)也已成熟，并且具有很高的實(shí)用性。但現(xiàn)有技術(shù)并沒有提及適用于高濃度(≮10g/m³)、低排放標(biāo)準(zhǔn)(20mg/m³)的廢氣處理技術(shù)。

     基于以上的認(rèn)識(shí)與現(xiàn)有技術(shù)針對(duì)高濃度有機(jī)廢氣處理存在的缺陷，本文給出一種催化氧化+分子篩流動(dòng)床處理高濃度有機(jī)廢氣處理的最佳處理技術(shù)，為高濃度有機(jī)廢氣的處理提供高效、節(jié)能、低投資的處理方案。

2   工藝說明

     催化氧化+分子篩流動(dòng)床系統(tǒng)應(yīng)用于北京某制藥廠，整套處理系統(tǒng)用于包衣車間高濃度有機(jī)廢氣的處理，治理宗旨是高濃度、低排放，滿足北京市揮發(fā)性有機(jī)物的排放標(biāo)準(zhǔn)(醫(yī)藥行業(yè))，即20mg/m³。

     投入建設(shè)的催化氧化+分子篩流動(dòng)床系統(tǒng)如圖1所示，包括廢氣源、催化氧化系統(tǒng)(含CO爐與氧化風(fēng)機(jī))、分子篩流動(dòng)床系統(tǒng)(含分子篩流動(dòng)床系統(tǒng)包括分子篩流動(dòng)床、吸附風(fēng)機(jī)、脫附風(fēng)機(jī)、冷卻風(fēng)機(jī)、加熱器)、水冷卻器預(yù)處理系統(tǒng)(含降溫與除濕兩個(gè)單元)、檢測儀表、控制系統(tǒng)，CO爐設(shè)計(jì)處理能力7000Nm³/h。本系統(tǒng)設(shè)有CO爐高溫出氣(≮150℃)回用管路，充分利用高溫氣的熱量，一部分回流至CO爐進(jìn)口，減少CO裝置的熱負(fù)荷；一部分用于分子篩脫附，降低脫附過程的電能耗量；高溫氣體的回流，也減少后端水冷器和分子篩流動(dòng)床的設(shè)備投資，本系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用價(jià)值較高。此外，根據(jù)CO爐氧化分解產(chǎn)生大量水，出氣溫度與濕度較高，會(huì)造成分子篩吸附丙酮能力下降，因此水冷卻器具備的降溫除濕的特點(diǎn)保證了分子篩裝置的吸附率，是不可或缺的一個(gè)處理模塊。CO爐與分子篩流動(dòng)床聯(lián)用的工藝，拓展了催化氧化爐與分子篩裝置傳統(tǒng)的應(yīng)用范疇和領(lǐng)域，尤其適用于處理高濃度有機(jī)廢氣，在提高處理效率的同時(shí)，降低投資成本和運(yùn)行費(fèi)用。

2   應(yīng)用效果分析

     催化氧化+分子篩流動(dòng)床處理系統(tǒng)于2017年8月完成安裝調(diào)試工作，在系統(tǒng)設(shè)備調(diào)試、試運(yùn)行的同時(shí)，進(jìn)行了一系列數(shù)據(jù)采集與分析。

2. 1   運(yùn)行關(guān)鍵參數(shù)

     (1)進(jìn)氣成分：丙酮；

     (2)進(jìn)氣溫度：≤30℃；

     (3)進(jìn)氣濕度：≤80%；

     (4)進(jìn)氣濃度：＜1/4爆炸下限；

     (5)CO爐的最高效、最節(jié)能的處理溫度為350℃；

     (6)CO爐空速綜合考慮設(shè)備成本、較高處理效率等問題，選用12000Nm³/h；

     (7)吸附進(jìn)氣：≤40℃；

     (8)脫附溫度：180~220℃。

2. 2   CO 爐單獨(dú)處理與聯(lián)合處理的去除效率分析

     CO爐進(jìn)氣濃度為6g/m³，處理能力保持在7000Nm³/h，整機(jī)系統(tǒng)在沒有預(yù)熱的條件下進(jìn)行，CO爐單獨(dú)處理與聯(lián)合處理的去除效率曲線如圖2所示?；贑O爐處理丙酮廢氣的97%去除效果，當(dāng)進(jìn)入CO爐的丙酮廢氣高達(dá)6g/m³時(shí)，出氣濃度為180~210mg/m³，滿足不了20mg/m3的低濃度排放標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)行結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)，CO爐單體設(shè)備處理效率穩(wěn)定后基本保持在97%~98%內(nèi)。此外，圖中亦可見，CO+分子篩流動(dòng)床系統(tǒng)隨著運(yùn)行時(shí)間的加長，爐膛與分子篩脫附溫度不斷上升，經(jīng)過60min后整套系統(tǒng)去除效率達(dá)99.8%以上，出氣濃度完全低于20mg/m³，達(dá)到高濃度進(jìn)氣、低濃度排氣的預(yù)期效果。隨后隨著時(shí)間的加長，去除效率無較大波動(dòng)，可見，本系統(tǒng)處理過程較為穩(wěn)定。

2.3   系統(tǒng)入口不同廢氣濃度對(duì)去除效率影響的分析

     介于制藥廠包衣車間廢氣具有濃度高且波動(dòng)大的特點(diǎn)，在系統(tǒng)調(diào)試過程中，遵循逐漸增長的梯度式濃度變化，取7個(gè)濃度變化，最終達(dá)到CO爐的處理濃度上限值7~8g/m³時(shí)停止，分析CO爐進(jìn)氣濃度是否會(huì)影響系統(tǒng)的處理效率，CO爐進(jìn)氣濃度與處理效率的關(guān)系曲線見圖3。由圖中可看出，當(dāng)CO催化氧化爐入口丙酮廢氣濃度在2~8g/m³之間呈線性變化時(shí)，廢氣源濃度最高幾乎達(dá)至15g/m³，系統(tǒng)廢氣在氧化分解和吸附后的去除效率隨入口廢氣濃度升高而變化的幅度非常之小，系統(tǒng)去除效率基本保持在99.8%以上，結(jié)果說明，本系統(tǒng)處理效果幾乎不受進(jìn)氣濃度的影響，體現(xiàn)了系統(tǒng)的高效性、穩(wěn)定性與可靠性。

3   工程應(yīng)用情況

     催化氧化+分子篩流動(dòng)床系統(tǒng)應(yīng)用于包衣車間高濃度丙酮廢氣的處理。系統(tǒng)處理能力保持在7000Nm³/h，正常運(yùn)行參數(shù)內(nèi)，不同工況下系統(tǒng)去除效率見表1。由表可知，在處理系統(tǒng)正式運(yùn)行過程截取的三組處理數(shù)據(jù)，均體現(xiàn)系統(tǒng)的高效性、穩(wěn)定性與可靠性，且整套系統(tǒng)從竣工驗(yàn)收至今一直用于生產(chǎn)，運(yùn)行狀況良好，處理效果優(yōu)越，完全滿足初始設(shè)計(jì)時(shí)的宗旨，即高濃度進(jìn)氣、低濃度排放。

     本文給出的前端設(shè)置CO爐，后端聯(lián)用分子篩流動(dòng)床裝置，在滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，使得所有設(shè)備均發(fā)揮最大處理作用，也充分利用熱量回用、最大可能減小后端設(shè)備處理能力的設(shè)計(jì)優(yōu)勢，為高濃度進(jìn)氣、低濃度排氣的工況條件提供合理、有效、低成本的處理方式，為廢氣治理行業(yè)提供參考價(jià)值。

4   結(jié)論

   （1）CO爐單體設(shè)備處理效率基本保持在97%~98%內(nèi)；CO+分子篩流動(dòng)床系統(tǒng)去除效率達(dá)99.8%以上，出氣濃度完全低于20mg/m³。

表1   催化氧化+分子篩流動(dòng)床系統(tǒng)不同工況下運(yùn)行的去除效率

     (2)當(dāng)CO催化氧化爐入口丙酮廢氣濃度在2~8g/m³呈線性變化時(shí)，廢氣源濃度最高幾乎達(dá)至15g/m³，系統(tǒng)廢氣在氧化分解和吸附后的去除效率隨入口廢氣濃度升高而變化的幅度非常之小，系統(tǒng)去除效率基本保持在99.8%以上，體現(xiàn)了系統(tǒng)的高效性、穩(wěn)定性與可靠性。

     (3)催化氧化+分子篩流動(dòng)床系統(tǒng)可有效應(yīng)用于高濃度有機(jī)廢氣的治理，實(shí)現(xiàn)低濃度排放的要求。

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