沸石转轮+RTO蓄热焚烧工艺治理涂装工业VOCs废气研究

马红妍

（潍坊市高新生态环境监控中心，山东 潍坊 261061）

1 涂装工业VOCs废气概述

（1）当前，我国的环境污染防治工作正处于新的历史阶段，主要是指在“十四五”期间，生态环境质量的改善是由量变到质变的关键时期。同时，随着近年来我国大气污染防治工作的不断深入，对工业企业VOCs废气（有机废气）的治理更为精细化和标准化，其治理效果不断提升，排放标准也更加严格。其中，涂装工业是我国工业源VOCs废气的重点来源行业，且由于涂装工业VOCs废气的排放量大，已成为各地提升环境空气质量的重点监管行业。

（2）在涂装工业的生产过程中，主要是通过在加工对象表面覆盖涂料来对其进行保护和装饰。而常用的涂料有溶剂型涂料、非溶剂型涂料、无溶剂涂料和辐射固化涂料等。涂装工业VOCs废气的主要来源于调漆、喷漆、流平、固化等多个工序，其废气成分会因涂料成分而异，其中使用溶剂型涂料的工艺还会产生苯、甲苯、二甲苯等有害气体成分，这对环境质量和人们身体健康影响较大。

（3）VOCs治理方式有回收和销毁两种处置思路。通常，在处置过程中会通过吸附、吸收、冷凝、膜技术等方法对仍有利用价值的有机物进行回收；或通过催化燃烧、热力燃烧、生物处理、等离子、光催化、光氧化等销毁技术是将有机物质进行彻底分解。而在实际应用中，经常采用两种或两种以上的技术相结合的方式。

（4）通过沸石转轮+RTO蓄热焚烧工艺处理VOCs废气，主要是先利用沸石分子的吸附能力，将大风量、中低浓度的VOCs废气经吸附、脱附再生工序后，浓缩成小风量、高浓度的废气，再进行蓄热燃烧处理，从而实现有机废气的有效治理。通常，在实际应用该工艺时，吸附、再生会同时进行，因此，该工艺是一种不会产生二次污染，且连续高效、运行可靠的VOCs废气治理措施。

2 工艺原理介绍

（1）沸石是一种含水的碱金属或碱土金属的铝硅酸矿物，具备晶穴多孔结构，且比表面积大，因此有较好的吸附特性。同时，其耐酸碱性能也较好，常被用作吸附剂和离子交换剂、催化剂等[1]。而沸石转轮浓缩工艺是利用沸石分子具有晶体、多孔结构的特性[2]，以基材为依托，沸石为吸附剂载体，来制成大型圆盘式吸附轮用于有机废气吸附。沸石转轮分为吸附区、再生区和冷却区，当VOCs废气经过吸附区时有机废气分子会被吸附在转轮上，而在沸石转轮吸附饱和后再采用经过温度补偿后的高温废气进行反向吹扫，使有机气体分子从沸石中脱附，沸石转轮得以再生。而经过再生后的转轮温度会较高、吸附效率较低，因此，会设置冷却区作为再生区和吸附区的过渡。在实际应用过程中，沸石转轮浓缩工艺是将大风量、中低浓度的有机废气转换为小风量、高浓度的有机废气[3]，相比于活性炭等其他吸附方式，沸石转轮体积较小，但吸附量大，使用寿命长，而且可实现连续作业。

（2）高浓度的沸石转轮脱附废气会被送往RTO蓄热焚烧装置进行焚烧。在蓄热式焚烧炉内，有机废气会在700～800 ℃的高温下被分解为CO2和H2O等小分子物质，从而使有机废气得以彻底净化。而净化后的高温气体会将热量传递给蓄热体，该部分能量可用于加热后续进入的浓缩脱附废气，从而有效节省了脱附废气升温过程的能源消耗。通常情况下，蓄热体被设计成两个或两个以上的蓄热单元，但每个蓄热单元独立工作，而在切换阀的作用下，每个蓄热单元在蓄热（出气）-放热（进气）-清扫状态中往复循环、连续运转。

（3）应用沸石转轮+RTO蓄热焚烧工艺治理涂装工业VOCs有机废气，其优势在于：沸石转轮吸附效率高、系统连续运行稳定；通过系统化的设计可实现自动化操作；沸石转轮吸附过程压降低、气体热量被蓄热体有效利用、电耗和能耗低；对有机废气分解彻底、无二次污染等。

3 实际应用案例

以某中型汽车零部件涂装线VOCs废气治理为例，介绍沸石转轮+RTO蓄热焚烧装置的实际应用情况。

3.1 主要工艺流程

该涂装线采用文丘里式喷漆室作业，其工艺流程为，涂装废气经文丘里式喷漆室洗涤后进入沸石转轮进行浓缩，沸石转轮再生脱附废气进入RTO焚烧装置进行焚烧销毁。整个治理系统由风机、沸石转轮、加热补偿器、RTO焚烧装置等组成。如图1所示。

图1 某中型涂装线主要工艺图

沸石转轮轮面上分为彼此独立的吸附区、再生区和冷却区[4]。其中，吸附区面积是根据需要处理的废气量、浓缩比等参数设定，而再生区和冷却区面积相同。当系统开始运行，当VOCs废气经过沸石转轮吸附区时有机分子被沸石吸附，废气得以有效净化，净化后的废气可通过排气筒直接达标排放；而经过冷却区的少量废气会吸收转轮轮面热量，且在预热后进入加热补偿器；在加热补偿器中温度会提升至150～200 ℃后，反向进入再生区用于有机分子的脱附；该部分脱附废气经过再生区后有机分子浓度较高，然后被送至RTO焚烧装置进行焚烧分解后，汇同直排废气排放至大气中。

在再生区和吸附区之间会设置一个冷却区，目的是降低刚刚经过再生区的转轮的温度，以便高效吸附有机废气。同时，冷却区的热量会用于脱附气体的预热，这样可有效节省加热补偿器的能源消耗。整个系统的运行参数详见表1。由表1可以看出，该涂装线VOCs废气的浓度并不高，且废气经过治理后可实现达标排放，但废气处理效率并不高。

表1 整个系统的运行参数

3.2 系统运行影响因素分析

结合实际，分析该案例中系统运行效率低可能存在的原因。

3.2.1 废气特征

沸石转轮+RTO蓄热焚烧工艺适合应用于大气量、中低浓度有机废气的治理，所以，适用的废气浓度通常要求VOCs浓度大于250 mg/m3，且为连续作业的涂装线[5]。但该案例中VOCs废气进口平均浓度较低、日工作时间16 h非连续作业，导致废气治理效率低。

3.2.2 浓缩比

（1）浓缩比是沸石转轮运行参数的一个重要参数，即N=Q/R。

式中：N为浓缩比；

Q为进气风量，单位为m3/h；

R为脱附风量，单位为m3/h。

（2）当进气风量（废气量）一定时，选择低浓缩比，即增加脱附风量可提升沸石吸附效率，但脱附风量增加导致系统运行能耗增加，且大风量、较低浓度的脱附废气不利于后续焚烧处理；高的浓缩比则有利于减少蓄热焚烧装置天然气的消耗量。在实际应用过程中，确定浓缩比需兼顾处理效率与运行能耗。因此，该案例中可考虑在系统整体运行效能可接受的前提下，通过调整浓缩比提升废气的处理效率。

3.2.3 转速

在沸石转轮工作时，吸附与再生同时进行，而转速的大小会决定吸附和再生时间的长短，从而影响吸附效率。因此，转轮转速一般控制在1～6 R/h，但以3～4.5 R/h为最优。这主要是因为，若转轮转速过高，转轮再生不完全，会影响后续的吸附效率；但转轮转速过低，转轮吸附区过饱和，吸附效率就会降低。所以，调整转轮的处理效率，需根据废气的具体状况进行调整。

3.2.4 风机的设置

转轮压力状态的设计会影响处理效率。若吸附风机设置在转轮之前，则废气对沸石转轮形成正压力，对转轮的密封要求更高，此时吸附区密封不严会导致吸附效率下降；而再生区和冷却区密封不严会导致脱附风量增加、降低脱附效果，严重时还可能导致加热补偿器内形成正压，使其无法正常工作。因此，在实际应用过程中，要尽可能地将转轮设置为负压状态，即将风机设置在转轮之后，这样才能取得更好的运行效果。

3.2.5 废气的湿度与温度

（1）若沸石转轮长期处于高湿度废气环境下，其吸附效率就会降低，同时转轮寿命会缩短；而在废气进入处理系统前设置过滤器，去除废气中的水分，可提升处理效率。所以，进气温度一般会控制在低于40 ℃、相对湿度小于80%[6]。

（2）脱附温度会影响脱附效率及后续的吸附效率，较高的脱附温度可提升脱附效率，但却使得冷却区无法有效降温，从而导致吸附区温度较高、吸附效率下降。

3.2.6 堵塞与寿命

理论上，沸石转轮运行损耗很低、可以终生使用，但若废气中的颗粒物等杂质浓度过高则会导致沸石孔隙的堵塞，从而影响吸附效率，甚至会导致沸石转轮失效。而涂装工序废气中的漆雾颗粒物直径小、黏度大，易黏附在沸石表面，所以，需要设置过滤等预处理工序，以降低废气中颗粒物的浓度，然后再进行VOCs废气的处理。

3.3 系统运行的限制条件

3.3.1 综合措施

废气治理仅为污染防治的末端治理手段，而涂装废气的防治还应做好源头控制和过程控制。

（1）源头控制：主要是指要使用非溶剂型、无溶剂型、辐射固化型及粉末涂料等低VOCs含量涂料；要有效提高废气的收集效率及收集范围（如危废间等）；同时，还要对漆雾进行回收利用等。

（2）过程控制：通过选择自动喷涂机器人以及高效喷涂方式，来提高涂料的利用效率，如使用空气喷枪进行喷涂时，涂料的利用效率仅为25%，但使用静电旋转离心喷枪进行喷涂时，涂料的利用效率可高达65%～94%[7]；还可采用循环风等技术，减少废气的产生量。

3.3.2 运行技术和成本

相比于瑞典和日本等沸石转轮技术发展比较完善的国家，目前我国国产沸石转轮技术还不够成熟，高效沸石转轮仍需依靠进口。另外，沸石转轮+RTO蓄热焚烧工艺设备投资及运行费用较高，这使该工艺的推广应用受到了一定限制。

4 结语

（1）沸石转轮+RTO蓄热焚烧系统运行稳定、净化效率高、使用寿命长，在涂装工业VOCs废气治理过程中应用广泛。但在运行过程中应根据废气的特征来选择相应的治理工艺，如选择适宜的浓缩比、转速、风机位置，同时控制好废气的温湿度以及洁净程度等，以提升废气的处理效率。

（2）涂装工业是制造业中的重要环节。因此，涂装企业应在美丽中国建设过程中主动承担起废气治理的主体责任，并积极响应国家号召落实各项环保政策，从源头控制、过程控制、末端治理等各个环节进行多措并举，以此最大限度地降低废气污染物的排放量，这样既可以为保护环境贡献一份力量，又可以为涂装企业的绿色、高质量的长远发展保驾护航。