沸石浓缩转轮在废气处理行业中的高效应用研究

倪彪

摘 要：沸石转轮中含有大量的具有规则孔道结构的，良好吸附脱附VOC特性的分子筛，得到了人们的关注。广泛的应用于涂装行业、印刷行业、家居行业、电子行业及部分精细化工行业的废气处理中。本文结合标准涂装项目中沸石转轮的应用，从沸石转轮的结构以及特性出发，考虑外界条件对沸石转轮在废气吸脱附的影响;阐述了废气中粉尘、废气温度、废气湿度等对沸石转轮效率的影响，并从实际案例中得出在合适的条件下沸石转轮最佳的吸脱附性能，并有利于其具有较长的使用寿命。

关键词：沸石转轮;VOC;吸脱附;分子筛;转轮效率

1、前言

1.1 市场需求

随着我国工业经济的不断发展，环保压力逐渐增大;一系列环保新标准的制定以及发布，明确了各行业生产过程中尾气的排放标准以及要求;为满足排放要求生产源头、减量生产以及加装后端尾气处理装置成为主要手段;后端尾气处理装置成为排放大气的最后一道手段，受到社会的强烈关注;更加成熟、稳定以及低能耗的处理工艺是现在社会研究的主要方向[1]。

1.2 沸石分子筛的结构

一种新型的处理工艺沸石浓缩转轮近些年在废气处理设备中得到广泛的使用。沸石转轮本质为附着沸石分子筛的蜂窝状基材，沸石分子筛是结晶的铝硅酸金属盐的水合物活化脱水后形成的笼形结构，其孔径为3～10 A[1]。在分子筛晶体中有着许多大小一定的空穴，空穴与空穴之间有许多相同直径的孔（窗口）相连通，见图1及图2。

特殊的构型使得它可以将小于其孔径的的分子吸附到其空穴内部，并且可以而把比其孔径大的分子排斥在空穴外面，具有筛分分子的作用;产生这一吸附作用的作用力为分子引力在固体表面产生的“表面力”，本身不发生化学变化，再通过另一物理作用：压力、加温增加分子间相互作用的等方式将吸附的分子脱离出去，分子筛本身又恢复其吸附能力，这一吸附的逆过程又称解析或再生[2]。

1. 3 沸石分子筛对VOC吸脱附原理

转轮中沸石的大量使用确保了其具有大量的微观的笼或通道，较小尺寸的通道，产生较大的引力场;保证了其吸附质分子的能力远远超过其他类型如常规活性炭等吸附剂。沸石转轮的大比表面积、规整的孔隙率、吸附以及再生的特性，可以有效吸附尾气中的一定分子直径的VOC组分，再利用高温空气在线脱附，可以实现尾气的连续处理。浓缩后的尾气根据实际组分的不同可以采用高温热力氧化、催化燃烧以及冷凝吸附等方式将尾气中的有机物处理或者回收[3、4]。

1.4 沸石分子筛在实际应用中需要注意的事項

在整个废气处理的工艺中，沸石转轮是其设备的核心，直接影响到整套设备的处理性能。沸石独特的构造确保了其具有吸附浓缩部分化学分子的能力，而这部分分子范围交广，包括可常温下挥发性物质（VOCs）、较难挥发性物质（高沸点物质）部分较小颗粒的粉尘、以及水分子（H2O）;但是由于部分物质在沸石孔道中的积聚造成了极难被解析再生，造成了沸石分子筛在使用中损耗;尾气中水分子的存在（高湿度）代替可挥发性物质（主要吸附处理的物质）被吸附，同样造成了沸石分子筛较差的处理性能。营造一个良好的使用环境，确保沸石分子筛吸附特异性的物质（需处理的VOCs），高效稳定的运行使用，是废气处理工艺设计时需要注意的重点[4-6]。

2、沸石转轮使用中的要点

沸石转轮在尾气处理工艺中得到广泛的应用，营造一个良好的使用环境可以确保尾气处理设备较高的处理效率，较强的稳定性。

2.1 沸石转轮的运行原理

2.1.1 沸石转轮设备配置

图3为盘式沸石转轮的运行的原理图，如图所示，沸石转轮被划分为三个区域，处理区（有机分子吸附区域）、冷却区以及再生区;整套设备有，前置过滤器、处理（吸附）风机、沸石转轮、再生加热装置、再生风机。

2.1.2 沸石转轮运行机理

尾气经过过滤器过滤后进入到沸石转轮的处理区，尾气中的有机分子被特异性的吸附在沸石的孔道及笼中，被沸石吸附后的气体-- 净化气体排放烟囱;并有一股气体经过冷却区，为较高的转轮沸石表面降温，使得沸石重新具有吸附性;这股气体在经过加热后反吹转轮，高温使得沸石中的有机分子的活性增强，风压增加了气流作用力，两种作用力确保了被吸附的分子得以从沸石孔道中逃离。整个过程为连续运行过程，转轮驱动马达带动转轮连续运行，转轮转动方向为处理区（吸附）→再生区（解析）→冷却区（解析后高温沸石降温）[4]。

2.2 转轮的前置过滤

2.2.1 沸石转轮的结构特性

沸石转轮本身为蜂窝状结构，微观及宏观结构见图4，含有大量较规整的孔道。在尾气中常常含有大量的如漆雾、粉尘、大分子树脂以及可以进入分子筛牢笼孔道但在孔道中聚集的物质，这些物质会堵塞转轮得蜂窝状孔道以及沸石的微观孔道，造成转轮大孔以及小孔的堵塞。

2.2.2 转轮堵塞后对系统的影响

沸石转轮的堵塞在结构上分为两种：大孔道蜂窝的堵塞、小孔道沸石牢笼的堵塞。

大孔道蜂窝的堵塞：粉尘以及大分子树脂在孔道中聚集，造成通风的孔道堵塞，这种堵塞造成气流孔道堵塞，沸石转轮成为一个不透风的盲板，影响气流的通过，造成车间生产排气异常、系统内局部压力过大、以及再生区高温异常（闷燃）的可能，造成生产以及安全上的问题。

小孔道沸石牢笼的堵塞：一些分子尺寸较小，进入到分子筛牢笼中聚集以后尺寸较大不易逃离沸石分子筛，转轮不能解析再生。

2.2.3 前置过滤的设定

针对尾气中含尘、大分子以及部分聚合物的存在，在沸石转轮的设计中需要特备注意。

对于尾气中的含尘物质，通常采用湿法除尘结合干式过滤、多级干式过滤的范式解决。通畅采用的湿法除尘设备主要有：旋流板塔除尘、喷淋塔除尘、文丘里除尘等。干式过滤为多级搭配式设计，初效过滤+中效过滤+亚高效过滤/高效过滤的搭配使用。鉴于尾气中粉尘的粒径分布较广，一般定义为沸石转轮前端最后一级过滤等级不低于F9，并且过滤等级越高，对后端沸石转轮的保护越彻底。

尾气中大分子物质如树脂的存在，多在前端考虑增加一级活性炭颗粒。颗粒活性炭具有对分子物质吸附效率高，在其吸附达到饱和状态后，高沸点的物质可以将活性炭中低沸点的物质置换出去，从而确保大部分高沸点物质保留在活性炭颗粒内的特性。

对于尾气中可聚集性分子物质的存在，考虑使用喷淋塔改性或者更高级别的过滤等方式去除。

2.3 温湿度对转轮的影响

2.3.1 温度对沸石转轮的影响

不同行业的工序段不同，不同工序段的尾气排口温度不同，沸石浓缩转轮对处理气体的温度也有明确的要求。沸石分子筛的作用原理是通过气体分子与沸石分子式孔道之间产生的相互作用力，被吸附在沸石中，当这一作用力被破坏，气体分子可以从沸石孔道中脱附处理这也是沸石转轮解析再生的过程。

根据图5所示，一定的湿度下，随着废气温度升高，沸石分子筛的净化效率变化明显，在超过40 ℃时沸石转轮的吸附效率明显下降;并发现沸石分子筛转轮对25～35 ℃的废气净化效率最高。因此为了保证沸石转轮的净化效率，在工艺设计时需要对进入分子筛转轮的气体温度加以控制，确保其温度<40 ℃。

冷却装置的使用可以解决气体温度过高的情况，常规的冷却装置有：表冷器、冷却塔以及板式气体换热器。由于所降的温度较低，常采用表冷器作为沸石转轮前端的冷却装置对废气温度加以控制。

2.3.2 湿度对沸石转轮的影响

废气处理设备是对尾气中可挥发性有机化合物等影响环境的一系列物质的消除，而尾气中的水分子不在其处理范围之中。

尾气中存在的水分子，特异型的和沸石转轮的目标组分（可挥发性有机物）竞争，优先吸附在沸石分子筛的牢笼中，使得沸石转轮不能得到高效的应用。

如图6所示，一定的温度下，当进入转轮的尾气的相对湿度超过80%时，沸石分子筛转轮对尾气中挥发性有机气体的的净化效率急剧下降。降低尾气的相对湿度成为了提高沸石转轮净化效率的管径，需要将尾气的相对湿度降低至80%以下。

表1为下面为某沸石转轮+RTO工艺中，利用脱附换热后烟气与转轮前端尾气混风，升温除湿的详细工艺计算结果（尾气按160000Nm3/h计算）。

表1废气相对湿度计算（进气温度30℃）

1）按照浓缩10倍浓缩选择后端风机及RTO，脱附风量为16000 NCMH，换热器冷进口温度110 ℃，换热器冷出温度220 ℃;炉膛取800 ℃风换热，换热热出250 ℃。

2）实际尾气升温除湿需要的混风风量，以及混风后实际值，见图7～8。

3、工程应用案例介绍

3.1 某涂装尾气治理项目介绍

在某涂装尾气治理的实际案例中，客户排放的废气工况如表2所示：

该涂装行业排放尾气为手工喷房以及自动机器人喷房排出，最大排放浓度为300 mg/m3，正常运行时排放浓度在120～180 mg/m3之间。尾气中不含有转轮不吸附以及不脱附的物质存在，湿度满足转轮的使用要求。

客户要求排放浓度<20 mg/m3，按照要求，最低处理效率必须>90%。

3.2 某涂装尾气治理

在项目设计中，首先考虑沸石浓缩转轮的选型。必须充分考虑尾气中气体的组分，再确定沸石转轮型号。经风量以及VOCs组分确定，该项目浓缩转轮选用日本西部技研UZM-4250-V50型的转轮的设计，在确定浓缩转轮型号后，搭配不同设计为沸石转轮提供合适的工作环境，选择最优组合。

针对浓缩转轮模块的设计如下：

喷淋除尘+六级干式过滤+活性炭颗粒+升温除湿的搭配，如图9。

3.3 某涂装尾气治理项目实际运行情况

设备运行两年，期间现场人员按照要求更换滤材，维护过滤箱;两年后转轮表面干净正常，经第三方检测后转轮的净化效率仍和初始调试时效率持平>93%。这说明此套预处理工艺对沸石转轮有极好的保护作用。

4、结论与建议

沸石浓缩转轮引起具有良好的吸脱附VOC的特性，已广泛应用于电子、家居、涂装、印刷等尾气治理中，为沸石转轮提供一个良好的使用环境是其具有较好吸脱附性能的关键;其中废气中粉尘能否有效去除，影响着转轮的使用寿命及性能;废气较高的温度影响VOC与分子筛之间的相互作用，影响VOC在分子筛中的吸附;废气的较高的湿度使得廢气中的水分子与VOC竞争性的转轮分子筛中，水的存在影响了VOC在分子筛中的吸附。合适的过滤，合适的温度以及合适的湿度等，合理有效的使用条件使得沸石分子筛对VOC具有良好的吸脱附性能，并使其具有较长的使用寿命。

参考文献：

[1] 王春蓉.沸石分子筛的性能与应用研究[J].化学与粘合，2010，32（04）：76-78.

[2] 王绪绪，陈旬，徐海兵，付贤智. 沸石分子筛的表面改性技术进展[J]. 无机化学报，2002，6.

[3] 王国庆，孙剑平，吴锋，陈实.沸石分子筛对甲醛气体吸附性能的研究[J].北京理工大学学报，2006（07）：643-646.

[4] 张瑜，羌宁，李世杰.大风量、低浓度非连续排放有机废气治理的经济性探讨[J].四川环境，2019，38（05）：138-145.

[5] 刘相章，葛怀镇，王开锋，于记生.浅谈高沸点有机物对沸石转轮的影响及应对措施[J].现代涂料与涂装，2019，22（12）：47-49.

[6]孔文杰，凌志斌.沸石转轮吸附-热空气脱附催化燃烧在VOCs治理方面的应用[J].绿色环保建材，2019（01）：20+23.