基于交替吸附和分区再生的涂装废气深度治理技术探讨

胡 胜

(湖南鑫远环境科技股份有限公司，湖南 长沙 410008)

挥发性有机物被喻为大气化学反应的“燃料”，在二次气溶胶和臭氧的生成过程中起着不可或缺的重要作用[1-3]。涂装工业作为挥发性有机物最重要的排放源之一，占到工业源发性有机物排放量的20%以上，已被纳入全国挥发性有机物减排的重点领域[4-6]。且我国涂装工业普遍采用的废气治理技术为传统的吸附或吸附-催化燃烧技术，存在治理效率不高，运行能耗高等问题[7-9]。随着我国环保标准的日益严苛和挥发性有机物控制工作进入深水区，如何提升传统技术处理效率和降低运行能耗，实现涂装废气的深度治理，已成为涂装行业挥发性有机物控制的必然趋势。

1 行业概况

涂料是现代工业中不可或缺的材料，涂装是指将涂料涂覆于需要涂覆或保护的成型构建的主体材料表面(基底)形成具有防护、装饰或特定功能涂层的过程，在现代经济和国防领域发挥着重要的作用。我国涂装行业正处于转型升级阶段，涂装设备非标化程度高、涂装工艺落后、喷漆生产自动化程度低、绝大多数采用人工喷涂作业，涂料资源利用率低于国际水平，挥发性有机物产生量远高于发达国家水平[10]。

涂装废气排放特征：大多为人工喷涂，涂装作业一般延续时间不长(通常为白天工作，夜间休息)，废气排放具有间歇性；涂装废气一般气量较大、浓度较低。

2 现有治理技术概况

涂装废气治理的重要途径是在末端安装废气净化装置，目前比较成熟的涂装废气治理技术有吸附技术、吸收技术、燃烧技术、离子技术和生物技术。吸附技术是一种传统的有机废气治理技术，也是目前我国应用最为广泛的有机废气治理技术。在目前我国涂装废气治理设备中，吸附净化设备以及以吸附技术为基础的集成设备约占总数的50%以上。涂装废气治理工艺普遍采用传统的吸附浓缩+催化燃烧治理方式。常规工艺流程如图1所示。

图1 传统吸附浓缩+催化燃烧工艺流程图

工艺说明：废气经收集系统收集送入吸附床A和吸附床B，两个吸附床为并联使用；吸附饱和后，吸附系统停止工作，启动催化燃烧装置利用热空气对吸附床A和吸附床B分别进行脱附处理，将吸附的有机废气脱附处理经催化燃烧分解成二氧化碳和水等；经脱附处理吸附床得以再生，重新获得吸附容量，再次投入吸附处理，以此循环实现涂装废气净化处理。

3 涂装废气深度治理技术

3.1 传统技术应用于涂装废气治理存在的不足

目前传统吸附浓缩+催化燃烧工艺应用于涂装废气治理主要存在以下不足：

(1)吸附去除效率不高

由于涂装废气量大，需要匹配大容量吸附床，随着吸附设备的增大，吸附过程中气流不均性加大，容易造成吸附器内气流的短流现象发出，造成吸附去除效率下降；

吸附床A和吸附床B为并联使用，涂装废气在两个吸附床间存在分配不均现象，不可避免地造成吸附床A与吸附床B的穿透曲线不同步，不可避免的造成吸附效率的降低，随着吸附床数量的增加，该现象更加明显；

传统大容量吸附床在再生过程中(普遍采用小风量再生)再生气流分布不均的现象更加明显，极易造成不同区域吸附剂再生效果偏差大，再次投入使用时不同吸附区域的废气去除效率也不同，易造成总体除去效率的下降；

因此，无法满足涂装废气深度处理要求。

(2)吸附剂吸附容量利用率低，再生频繁，使用寿命缩短

传统吸附工艺采取多吸附床并联运行模式，由于各吸附床的负荷曲线不同步，多个吸附床中一个吸附器发送穿透后即会引起吸附效率的显著下降，要求进入再生状态，易造成吸附剂再生频繁和使用寿命缩短，随着环保标准的日益严格，这种现状将根据明确。

(3)再生能耗高，运行经济性差

传统催化燃烧再生方式为对吸附床整体进行再生，启动时间长，且启动过程依赖外部高功率电加热，能耗高；

热能利用率低：再生出废气浓度波动大，废气脱附集中造成反应后废气温度过高，大量热量需外排，造成有机废气热量利用率低；

传统方式造成的频繁再生进一步加大了系统运行能耗和成本。

3.2 涂装废气治理技术改进

针对传统吸附浓缩+催化燃烧工艺应用于涂装废气治理主要存在的不足，结合涂装废气排放量大和间断工作特点，提出交替吸附和分区再生方案以提高处理效率和降低再生能耗及系统运行成本。工艺流程详见图2。

图2 改进型吸附浓缩+催化燃烧工艺流程图

工艺说明：废气经收集系统收集后，可选择性送入吸附床A或吸附床B，两个吸附床为串联使用，废气经两级吸附后实现深度处理，实现超低排放。第一级吸附床吸附饱和后，利用涂装工作间歇期间对第一级吸附床进行再生，然后通过阀门切换实现交替吸附将再生好的第一级吸附床转化为新的第二级吸附，在充分利用吸附剂吸附容量的同时减少再生频率，节约运行费用。催化燃烧装置通过阀门切换实现吸附床的分区再生，节约再生能耗。

3.3 交替吸附

对传统进行改进后，在不改变吸附剂用量和吸附器容量条件可实现梯级吸附和废气的超低排放，具体实现方式为：如图2所示，阀门F101和阀门F112开启，阀门F102和阀门F111关闭，收集系统收集的废气经阀门F101进入第一级吸附床(吸附床A)，再进入第二级吸附床(吸附床B)进行深度处理后，最后通过阀门F112实现超低排放。第一级吸附床(吸附床A)吸附饱和后，关闭阀门F121和阀门F122，开启催化燃烧装置对吸附床A进行再生。再生完成后，阀门F102和阀门F111开启，关闭阀门F101和阀门F112，收集系统收集的废气经阀门F102进入第一级吸附床(吸附床B)，再进入第二级吸附床(吸附床A)进行深度处理，从而实现交替吸附。

针对涂装废气排放量大，吸附器容积大的特点，对吸附床内吸附剂进行了优化布置，将吸附剂分四区布置，每两层吸附剂中间设置有废气再分布区，有效避免了传统大容量吸附床废气短流问题。废气从吸附器中间进入，向两侧流经吸附层，有效降低了吸附剂内废气流速，减少了系统压损。吸附床A和吸附床B之间通过阀门连接，同时吸附器内留有混合区，废气经吸附床A进入吸附床B过程中实现了混合均质，有效减缓了低浓度废气的传质阻力，为废气深度处理和超低排放奠定了基础。

采用两级吸附，第一级应用废气本身高浓度实现高效吸附，第二级利用吸附剂处于吸附负荷曲线前端(低负荷)实现废气深度处理，再通交替吸附使第二级吸附始终处于低负荷区，在充分利用第一级吸附容量的同时实现废气的超低排放。

3.4 分区再生

针对传统大容量有机废气吸附装置再生过程中存在的再生不均匀、再生效率低、再生废气浓度波动大、再生热能利用率低、存在的安全风险大等问题，通过对吸附器内吸附剂进行分区布设和阀门切换实现了再生过程的均匀、稳定、高效和安全。实现方式如下：如图2所示，将吸附床A内吸附剂从左至右依次分为吸附区Ⅰ、吸附区Ⅱ、吸附区Ⅲ和吸附区Ⅳ，通过调整阀门依次再生吸附区Ⅱ、吸附区Ⅱ和吸附区Ⅰ、吸附区Ⅲ、吸附区Ⅲ和吸附区Ⅳ，从而实现再生废气浓度均匀和催化燃烧产生的热量高效利用，有效节约再生能耗和运行成本。

4 治理效果

采用交替吸附和分区再生对浙江嘉善某大型家具喷涂废气治理工程进行改造，在吸附剂用量不变条件下，通过交替吸附方式废气去除效率大于95%，废气总VOCs排放浓度低于10 mg/m3。相对与传统方式废气治理效率提升了约10%，实现了涂装废气超低排放。同时吸附装置再生频率下降了30%，有效延长了吸附剂使用寿命。

分区再生方式可以使再生加热时间节约50%，再生废气浓度稳定控制在自持燃烧范围内，充分利用再生废气提供热能。

5 结 论

采用交替吸附和分区再生方式改进传统涂装废气治理技术，通过两级交替吸附，可实现废气的深度治理和超低排放。同时，两级交替吸附可实现吸附剂吸附容量的高效利用，减少吸附剂再生频率，从而延长吸附剂使用寿命和降低涂装废气治理系统运行费用。分区再生方式实现了大容量吸附装置的高效、节能、安全和稳定再生，再生综合节能效率大于65%。