有机废气颗粒物预处理技术的应用研究

王腾骄，孙永嘉，徐遵主

(南京大学环境规划设计研究院股份公司，江苏 南京 210093)

工业企业排放的挥发性有机物(VOCs)废气中含有颗粒物是一个较为普遍的现象，比如：喷漆废气、印刷废气、机加工油雾废气、化工行业反应釜投料废气等，这类废气中VOCs、颗粒物等污染物共同存在。颗粒物的存在直接影响VOCs废气处理系统的正常运行，导致VOCs去除效率下降、系统故障等问题，因此，在有机废气治理工程设计中应重点考虑颗粒物的预处理。

颗粒物预处理技术即在有机废气中含有颗粒物时，在VOCs净化系统前先净化去除有机废气中颗粒物的技术。目的是使预处理后的有机废气颗粒物浓度明显降低，对VOCs净化系统基本不产生影响。本文分析了颗粒物对常规VOCs处理系统的影响，综述了目前较为成熟的颗粒物预处理技术，并分析了各方法的优缺点和适用范围，最后论述了增设颗粒物预处理系统后对VOCs处理系统的影响。

1 颗粒物对VOCs处理系统的影响分析

目前较为成熟的VOCs治理工艺有：吸附法、吸收法、冷凝法、膜分离法、催化燃烧法、热力燃烧法、光催化法以及活性炭吸附脱附-催化燃烧、沸石转轮吸附浓缩+蓄热焚烧等，其中颗粒物主要对吸附法、催化燃烧法、热力燃烧法、光催化法等影响较大，目前国家已有相关技术规范，明确规定采用吸附法、催化燃烧法、蓄热焚烧法时，有机废气中的颗粒物浓度限值，具体如表1所示。

表1 VOCs治理工艺进口颗粒物浓度限值要求

因此本文主要分析颗粒物对吸附法、催化燃烧法、蓄热焚烧法的影响。

吸附法中吸附剂往往选取具有较大比表面积的多孔材料，比如颗粒物活性炭、蜂窝活性炭、活性炭纤维(ACF)、沸石转轮、分子筛、石墨烯等[4]。当废气中含有颗粒物时，颗粒物会积聚在吸附剂表面造成吸附失效，降低吸附剂对VOCs的吸附效率，并使系统流阻大幅增加。若未及时更换吸附剂或有效去除吸附剂上积聚的粉尘，可能会导致电机烧毁等故障，系统最终无法正常运行。

催化剂是催化燃烧器的核心构件，直接影响催化燃烧系统的成功与否。含尘有机废气中的颗粒物会在催化剂表面或孔道内堆积，使催化剂的活性中心减少，造成催化剂失活，降低VOCs的去除效率[5-6]。此外，颗粒物会粘附在换热器内表面，降低换热效率，同时也会增加设备阻力。

含尘有机废气中的颗粒物对蓄热焚烧系统造成最大的危害是颗粒物蓄积在蓄热床层内，导致蓄热床堵塞，增加设备阻力[7]。此外颗粒物还有可能进入蓄热燃烧炉燃烧室内，进入火焰检测器管路内，造成火焰检测不灵敏等情况[8]。

2 颗粒物预处理技术选择

颗粒物预处理技术从原理上可以分为干法和湿法。干法是利用惯性原理，将颗粒物拦截在过滤材料上的净化方法，常规的干法包括过滤器(粗效过滤器、中效过滤器、高、中效过滤器、亚高效过滤器和高效过滤器)、滤筒除尘器、袋式除尘器等，重力除尘器、惯性除尘器、旋风除尘器等除尘工艺对颗粒物去除效率较低，且投资费用较高，不宜作为颗粒物预处理器。

湿法是利用惯性或离心力等将颗粒物携带入水中的净化方法，常规的湿法包括：喷淋塔、水膜(帘)等；

不同行业产生的有机废气中的颗粒物千差万别，应根据废气和颗粒物的性质采取有针对性的预处理技术。选择颗粒物预处理技术时需考虑的主要因素有：①废气中颗粒物粒径范围；②颗粒物产生浓度及速率；③废气湿度、温度等因素；④颗粒物的性质(黏度、比重、燃爆性等)；⑤颗粒物处理目标浓度等。

2.1 湿法预处理技术的适用性和优缺点分析

湿法颗粒物预处理技术适用于处理粒径较大、比重较大、有黏性、易燃爆的颗粒物，以及废气进口颗粒物浓度较低、去除效率不要求太高的场合。

优点：①系统运行可靠，颗粒物会沉积在设备水槽底部，喷淋水经过滤后可循环使用，系统能够长期运行；②湿法经济性较高，投资、运行费用相对较低。

缺点：①产生废水、废渣等二次污染，易于处理；②造成废气含湿量较大，影响后续VOCs净化效果。

2.2 干法预处理技术的适用性和优缺点分析

干法颗粒物预处理技术适用于处理粒径较小的颗粒物，以及颗粒物处理目标浓度较低的场合。

优点：①对颗粒物的去除效率较高，尤其对粒径较小的颗粒物，其去除效率高于湿法预处理技术；②设备安装，运行维护较为方便。

缺点：①容尘量有限，需定期更换滤材，失效的滤材一般作为危险废弃物进行处理处置，运行费用较湿法高；②设备阻力大。当颗粒物去除效率要求较高时，一般考虑多级过滤组合，设备终阻力可达1000 Pa，若设备不及时更换，对系统影响较大。

2.3 颗粒物预处理系统工程实例

不同类别有机废气常规的颗粒物预处理系统工程实例列举如表2所示。

表2 颗粒物预处理系统工程实例

3 颗粒物预处理工艺对VOCs处理系统的影响分析

3.1 干法对VOCs处理系统的影响

干式预处理系统最大的特点是需要定期更换滤材，更换滤材时系统需停止运行，以保证操作人员的安全，并避免滤材上的粉尘被气流带入VOCs处理系统。对于热力焚烧、催化燃烧等VOCs处理系统宜持续运行，不宜频繁启停，因此更换滤材会对这些系统产生冲击，影响其稳定运行。因此在采用干式颗粒物预处理系统时，系统需考虑设置备用装置、应急排放装置等，减少对VOCs处理系统的影响。

3.2 湿法对VOCs处理系统的影响

湿式颗粒物预处理系统在去除颗粒物的同时，会对废气的湿度、温度、VOCs浓度产生影响，从而对后续VOCs处理系统的选择、运行产生影响。

(1)增加废气湿度

湿法除尘利用水的重力将逆向的废气中的颗粒物携带至水中，同时废气会携带少量水汽进入后续VOCs处理系统，增大废气的相对湿度，主要对吸附法影响较大。

废气中的水分子会与VOCs形成竞争吸附，研究表面，当废气的相对湿度大于50%时，会明显抑制吸附剂对VOCs的吸附[9]。因此在选择湿法颗粒物预处理系统作为吸附法的颗粒物预处理技术时，还需要在湿法颗粒物预处理系统后增加除雾除湿装置，降低废气的相对湿度。

(2)降低废气温度

对于含有一定温度的废气，采用湿法预处理技术，会降低废气的温度。采用吸附法时，降低废气温度，有利于VOCs的吸附去除。采用焚烧法时，降低废气温度，会使得废气处理的温差增加，导致辅助能源消耗量增大。

(3)可能降低VOCs浓度

若有机废气中存在水溶性有机物，如甲醇、丙酮等，会同时起到去除水溶性有机物的作用，降低废气中VOCs浓度。降低VOCs浓度可以降低吸附法、光催化氧化等系统的污染物处理负荷，提高系统对VOCs的去除效率，并降低系统运行费用。

但对于热力焚烧、催化燃烧等需要利用废气中VOCs燃烧热值的处理工艺，废气中VOCs浓度的降低，会增加天然气、电等辅助能源的用量，导致系统运行费用增加。

3.3 系统阻力增加

无论干法还是湿法颗粒物预处理系统，都会增加系统运行阻力，各类颗粒物预处理系统的阻力值(预留一定余量)汇总如表3所示。

表3 各预处理系统终阻力建议值

当采用干式多级过滤组合或湿法+干法组合时，系统阻力增加更为明显。因此，在进行VOCs处理系统设计时需充分考虑颗粒物预处理系统增加的阻力，在设备设计时应考虑增加压差计和压差报警装置，及时更换堵塞的滤袋或填料等，防止系统超压运行[10]。

4 结 语

有机废气中颗粒物会对VOCs净化系统造成诸多不利影响，如吸附剂、蓄热层堵塞，催化剂活性降低，换热器换热效率降低等，因此在VOCs治理工程设计时必须考虑预处理颗粒物。颗粒物预处理技术分为湿法和干法，在实际工程应用中，需根据具体情况选择合适的预处理技术，同时还应注意颗粒物预处理系统对后续VOCs净化系统的影响，并采取相应的解决措施，确保VOCs净化系统能够稳定运行。