沸石转轮吸附浓缩技术及其运行维护

李文斐，刘冰，展飞，万月亮，胡兴华，梁鹏

（青岛华世洁环保科技有限公司，山东 青岛 266510）

挥发性有机化合物（VOCs）是指能够参与大气光化学反应的有机化合物，或根据有关规定确定的有机化合物。VOCs 是大气中细颗粒物（PM2.5）和臭氧（O3）的重要前体物，该类物质的大量排放不仅会对周边环境造成严重污染和影响，还会给人体健康带来严重危害[1—4]。“十四五”期间，VOCs 被列入我国空气质量改善的总量指标，VOCs 污染防治成为现阶段我国大气污染防治的关键与重点。生态环境部数据显示，2021年挥发性有机物排放量为590.2 万吨，其中，工业源废气中挥发性有机物排放量为207.9 万吨，VOCs 治理任务依然比较繁重[5]。

目前，大风量、低浓度有机废气是VOCs 治理的重点，占治理市场的60%—70%。吸附浓缩技术是针对此类废气最为经济有效的治理技术，其中沸石转轮凭借风阻低、效率高、连续脱附、无着火危险、寿命长的优势，成为主要的吸附浓缩装备，已广泛应用在涂装、印刷、石油化工、橡胶、机械等行业。随着沸石转轮的广泛应用，由于用户对该工艺缺乏深层次的理解，转轮运行异常情况不断出现，导致转轮不能高效稳定的发挥吸附效果。

基于此，本文主要对影响沸石转轮使用效果的因素、常见故障及维护等进行分析，以期为产品的正常使用提供充分的理论依据和技术指导。

1 概述

1.1 发展概况

针对大风量、低浓度工业VOCs 污染的治理，国外多采用转轮吸附设备处理，该系统具有脱附和再生同时完成、风阻小、强度高、安全性好等优势，但早期核心技术主要由美国、日本等国家掌握，国内企业通过采购进口转轮进行组装占据一定的市场，但价格太高，影响其大规模应用[6]。

近年来，国内企业逐步突破了核心技术，目前已完全实现了国产化。由中国环境保护产业协会组织制定并发布的《旋转式沸石吸附浓缩装置技术要求》（T/CAEPI 31—2021）可供旋转式沸石吸附浓缩装置产品生产、采购、检验等相关方使用。该标准对旋转式沸石吸附浓缩装置的技术要求做了全面规定：提出旋转式沸石吸附浓缩装置的适用条件、结构形式、材料选择以及制造和装配中的技术要求，确定了动态吸水率、沸石转轮转速、净化效率、浓缩倍率、压力损失等关键性能指标，规定了相关技术要求和性能指标的检验方法。此外，为避免装置焖燃事故等运行中可能发生的问题，该标准还在脱附风机、转轮减速机、温度报警等方面规定了预防措施。

1.2 技术原理

沸石净化VOCs 的作用原理是利用沸石孔道表面的范德华力使VOCs 中的一种或多种组分吸附于其表面，达到分离目的[7]。将吸附聚集在沸石孔道表面的分子通过一定方式解吸附，沸石就又具有吸附能力，这一过程是吸附的逆过程，叫脱附或再生。由于沸石孔径均匀，只有当分子直径小于沸石孔径时才能进入晶体孔道内部而被吸附，所以沸石对于气体VOCs 分子具有选择吸附性[8]。

沸石转轮就是根据沸石的吸附和脱附原理，专门用于处理有机废气的设备，常见形式有转轮式和转筒式，具有低压损、效率高、稳定性好、吸附损耗小、噪声小、寿命长等优点，其工艺原理如下：

沸石转轮通常分为吸附区、脱附区和冷却区三个功能区域，各区域由耐热、耐溶剂的密封材料分隔开来。如果没有冷却区也可以达到净化要求时，可不设单独的冷却区。沸石转轮在各个功能区域内连续运转。废气经前处理装置调节工况参数至满足转轮设计要求后送至沸石转轮的吸附区，废气中的VOCs 在吸附区被沸石吸附除去，净化后达标排放。吸附在沸石转轮中的VOCs，在脱附区经过约200℃小风量的热风处理被脱附后进入后续工艺——蓄热（催化）氧化或回收单元进行处理。脱附再生后的沸石转轮在冷却区被冷却，并再次作为吸附区域发挥作用，经过冷却区的空气加热后可作为再生空气使用，达到节能的效果。沸石转轮结构图见图1。

图1 沸石转轮结构图

2 影响转轮使用效果的因素

2.1 设备因素

2.1.1 沸石类型

吸附浓缩技术的关键在于选择合适的吸附剂，早期主要采用活性炭材料（颗粒活性炭、蜂窝活性炭、活性碳纤维）作为吸附剂，存在安全性能差、难以实现连续操作、再生脱附不彻底等明显缺陷。相比来说，沸石具有规则的孔道结构、选择筛分功能、良好的热稳定性和再生性能[9，10]。

沸石的选择依据主要包括孔径、比表面积、极性、硅铝比等[11]。在一定孔径范围内，孔径越小，吸附作用力越强，孔径越接近吸附质的分子尺寸，对吸附质的选择吸附性越好。比表面积是决定吸附剂吸附容量的重要因素，沸石的比表面积主要由＜2nm 的微孔决定，比表面积越大，吸附容量越高。此外，沸石的极性对吸附过程影响也较大，极性越大越容易吸附极性物质，亲水性越强，反之极性越小，越容易吸附非极性物质，亲水性越弱。对于沸石转轮，一般选择总体极性较小、高硅铝比的疏水性沸石。

2.1.2 转轮因素

除沸石类型外，其他因素也影响对转轮吸附效率，主要包括转轮厚度、孔目数、沸石负载量等。

在一定条件下，沸石转轮对特定VOCs 的吸附带长度（h）是一定的，此时适当增加床层厚度（H），有利于提高沸石床层利用率。床层利用率（η）计算见下式，从式中可以看出，在条件允许范围内，床层厚度越大，越不容易穿透，同时沸石床层利用率越高。

式中：

η——床层利用率，%；

H——床层厚度，mm；

h——吸附带长度，mm。

此外，转轮目数、负载量对吸附过程影响也较大。转轮的目数越大，代表孔径越小，转轮宏观表面积增大，气体扩散距离越小，越容易吸附，但目数增加也会增大风阻。沸石转轮中发挥吸附作用的主要是沸石，沸石负载量越大，吸附能力越持久，但也会降低开孔率，增大风阻，因此负载量存在最佳值。总之，需要根据项目实际情况，选择合适的转轮型号。

2.2 废气因素

2.2.1 废气成分

废气分子的动力学直径、沸点、分子量、极性、结构等性质对沸石的吸附选择性和吸附效率有重要影响[12]。首先，对吸附效果影响最大的因素是废气分子的动力学直径，分子尺寸与沸石的孔径存在匹配关系，匹配性越好，越容易被吸附。其次，沸点、分子量也有显著影响，VOCs 分子量越大，沸点越高，挥发度越低，越有利于吸附操作，通常适合转轮处理的VOCs 沸点为50℃—150℃，高温脱附要求沸点不超过250℃。

除上述因素外，对进入沸石转轮的废气成分也有限制，粉尘、易聚合易反应物质、易沉积物质、高沸点物质、腐蚀性物质、高熔点物质等不允许进入转轮，因为此类物质容易在转轮表面或内部沉积、堵塞孔道，影响转轮吸附效果。不允许进入转轮物质汇总见表1。

表1 不允许进入转轮物质汇总

2.2.2 废气温度、湿度

沸石吸附浓缩装置对进入废气的温度、湿度有明确的要求：一般情况下，温度≤40℃、相对湿度≤80%，转轮可以正常使用；在极端条件下，如温度＞40℃或相对湿度＞80%时，转轮效率会急剧下降。相对湿度越大，气体中水分子越容易占据沸石孔道，使气体吸附性能下降。从图2 可以看出，转轮的净化效率随着废气相对湿度的增加而下降，当相对湿度超过80%后，沸石转轮净化效率迅速下降。此外，湿度增加，吸水量加大，将导致脱附能耗增加。

图2 相对湿度对沸石转轮净化效率的影响

温度和相对湿度之间存在着一定的相关性。理论上温度降低有利于吸附过程的进行，但是温度的降低会导致相对湿度的增加。如图3所示，温度为25℃时，相对湿度达到90%，较高的相对湿度使得水分易在转轮上凝结，占据沸石蜂窝孔径及吸附位点，使吸附效率下降；当温度升高至27℃时，相对湿度降低至80%，满足沸石吸附浓缩转轮高净化效率的湿度要求。

图3 相对湿度随温度变化关系曲线图

2.3 操作因素

2.3.1 转速

旋转式沸石吸附浓缩装置为连续床，围绕轴心按照一定的方向旋转，依次实现各功能区的作用。对于给定的工况，装置通常都有使其净化效率最大的转速和满足最低净化效率且脱附能耗最小的转速，因此转速一般为给定范围，需要根据现场情况进行调节。

转速过快，沸石脱附不彻底，会影响吸附效果；转速过慢，吸附区达到饱和，仍会影响吸附效果。根据相关工程项目经验，转轮装置的转速一般低于10 转/小时。

2.3.2 表观气速

气体流速的大小对转轮的处理效果产生直接影响。当表观气速增大时，废气中VOCs 与沸石的结合力会降低，在一定程度上会影响转轮的净化效率。通过工程项目经验发现，对于甲苯、二甲苯、乙酸乙酯等这类常见的VOCs，其表观气速可达4—5m/s，使用高气速设计，可使转轮小型化，降低设备的固定投入和运行成本。而对于二氯甲烷这类低沸点难吸附的VOCs，要满足净化效率要求，其表观气速需要降低为1—2m/s。综上所述，旋转式沸石吸附浓缩装置的表观气速与VOCs 的种类及处置要求等条件密切相关，通过分析不同项目工程发现转轮吸附区表观气速宜小于5m/s。

2.3.3 脱附温度

脱附温度的设置一般需高于VOCs 沸点温度。脱附温度偏低，沸石脱附不彻底会影响后续吸附效果；脱附温度偏高，冷却效果不佳，会影响吸附效果，还会使系统能耗和运行安全风险增加。相关研究发现，随着脱附温度升高，转轮的吸附效率呈先提高后降低的趋势，故一般设置合理的脱附温度为180℃—210℃。

3 常见故障及维护

3.1 密封异常

对于圆盘式转轮，一般将其分为12 个区，其中吸附区占10/12、脱附区占1/12、冷却区占1/12，各区之间存在压力差。转轮本体及各区之间通过密封材料进行密封，密封材料宜采用柔性材料且耐温高于300℃，一般选择氟橡胶。各区之间密封采用动密封的方式，由于密封材料不断受到高温及转轮盘面磨损的影响，可能存在分区漏气的现象，特别是吸附区和脱附区之间、冷却区和脱附区之间，密封不严会造成各区串风短路。因此，需要定期对密封材料进行点检，检查密封是否存在异常。

3.2 转轮失活

转轮失活指转轮使用后出现压降增加、吸附功能显著衰退的情况。主要表现为蜂窝宏观孔道或沸石的微孔结构被废气中的杂质堵塞或破坏，而且无法在正常使用条件下自行恢复。通过对大量工程项目分析发现，造成转轮失活的原因可能包括前置过滤维护问题、高沸点物质蓄积、组分在转轮上聚合等。为降低转轮失活的风险，首先要严格禁止明确已知不能进入转轮的物质进入转轮，其次要选择合适的前端处理方式并做好定期维护。

3.2.1 前端处理

前端处理方式主要有过滤和吸附两种形式。过滤主要采用的是“前置过滤+后置过滤”组合的形式，前置过滤主要包括钢丝网/钢丝帘、石灰喷施塔、迷宫过滤器、板框过滤器等形式，后置过滤主要采用袋式除尘，包括F5、F7、F9 三级过滤。为保证过滤效果，需采用性能可靠的滤材及过滤器，并根据需要设置压差计对滤袋压差进行检测，当压差达到报警限值时，需要及时更换滤袋。同时，为避免未知的高沸点物质等在转轮上蓄积，影响吸附性能与运行安全，可以采用设置活性炭等吸附层的方式吸附高沸点物质，对吸附剂进行定期检查和更换，一般建议投入运行3 个月内取样一次，之后每半年一次。

3.2.2 高温再生

当前端处理不能有效发挥作用、转轮上的高沸点物质累积一定量后，可提高脱附温度至300℃，对转轮进行高温再生操作。高温再生具体要求如下：

（1）脱附风机

脱附风机位于脱附出口一侧，在高温再生过程中，脱附出口温度可达到300℃，因此要求脱附风机及附近密封件能在250℃下长期运行，最高耐受300℃，切记在高温脱附前要确认脱附风机及附近密封件的工作温度是否满足条件。

（2）转轮减速机

高温再生过程需要尽量延长转轮在高温中的停留时间，因此转速需低于2rph，如原装减速机无法实现，需要临时更换匹配的减速机。

（3）高温报警

常规脱附程序对脱附出口温度设置有高温报警及应急措施，高温再生时将超过该报警值，因此在高温再生前，需要将脱附出口报警温度切换为300℃。

（4）安全措施

高温再生过程可能出现转轮过热的风险，水喷淋系统需要随时待命启动，如果出现脱附出口温度超过300℃并持续升高且停止加热后仍继续升温的情况时，需手动启动水喷淋。

3.3 转轮焖燃

转轮焖燃多发生在系统停机阶段和转轮脱附温度失控时，特别是系统急停且转轮温度没有降至70℃以下，由于沸石具有一定的催化和蓄热作用，吸附的VOCs 会在较高的温度（200℃左右）下发生缓慢的催化氧化反应，并放出热量，这会导致沸石温度进一步升高，从而使催化氧化速度进一步加快，如此形成恶性循环，使废气温度升至自燃点，最终导致转轮着火。

转轮焖燃的发生与转轮蓄积了大量高沸点物质有关。通常转轮的脱附温度为180℃—220℃，但若废气中含有高分子聚合物或其他高沸点的有机物时，该类物质在常规的脱附温度下并不能被完全去除，还会在转轮上蓄积并占据沸石的有效吸附位，严重降低转轮的吸附效果。若一味通过提高脱附温度来达到去除这些物质的目的，则容易因控制不当造成系统停机、密封材料老化，提高运行成本。

为了预防转轮焖燃现象的发生，除了严格按照规程操作以外，最佳处理措施为增加前端预处理措施和定期进行高温再生。

前端预处理措施主要包括设置多级高效过滤器（一般为三级或四级过滤），将废气中的高沸点物质过滤脱除后再进入吸附浓缩转轮系统。为了确保过滤效果，需要定期对转轮进行取样分析，确定污染情况，及时消除风险隐患。某企业通过对大量数据的分析发现，当高沸点物质（比如沸点高于250℃的高聚物、喷涂行业的漆雾漆渣、焦油类物质等）在转轮上的含量超过10wt%时，就有焖燃的风险，可以采取高温再生的方式去除残留有机物。若高温再生效果较差，则需要及时更换转轮。转轮闷燃风险判断见表2。

表2 转轮焖燃风险判断

4 结语

沸石转轮是目前处理大风量、低浓度VOCs 废气的主流技术，已广泛应用在涂装、印刷、橡胶、电子等行业。本文对沸石转轮影响因素、故障及运行维护进行分析总结如下：（1）沸石孔径、比表面积、极性、硅铝比是影响转轮吸附效果的关键因素，根据项目工况，应选择合适的分子筛类型以达到较好的吸附效能。（2）转轮尺寸、孔目数、沸石负载量对转轮吸附效果也有较大影响，增大转轮尺寸、沸石负载量对吸附效果有正向影响。（3）进入装置的废气要求温度≤40℃湿度≤80%。粉尘、易聚合易反应物质、高沸点物质等需严格限制进入转轮。（4）实际运行中，应重点关注转轮转速、表观气速、脱附温度等参数。其中转速一般低于10rph，表观气速宜小于5m/s，脱附温度通常设为180℃—210℃。（5）密封异常、转轮失活是实际运行中的常见故障，应定期对设备及密封材料进行点检并做好前端处理，污染严重时还应进行高温再生，若高温再生无效则需更换转轮，以避免发生焖燃事故。