馬 星，張高蘭，張戰(zhàn)明，庫(kù)宏剛，趙 強(qiáng)

（1.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008；2.寶雞石油輸送管有限公司，陜西 寶雞 721008）

0 前 言

在鋼管內(nèi)壁減阻涂層及內(nèi)防腐涂層的生產(chǎn)過程中，會(huì)產(chǎn)生一定的有機(jī)廢氣。這些有機(jī)廢氣的主要成份是苯、甲苯、二甲苯及非甲烷總烴[1-2]，其濃度為200～500 mg/m3。如果將有機(jī)廢氣不處理直接排放會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，影響人們的身體健康。針對(duì)此情況，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種鋼管內(nèi)涂覆有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用效果良好，其凈化效率達(dá)到95%以上，排放廢氣符合 《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》。

1 有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鋼管內(nèi)涂覆過程中，內(nèi)噴涂、溶劑吹出及固化風(fēng)干3 個(gè)工位產(chǎn)生的廢氣量約為45 000 m3/h。這部分有機(jī)廢氣濃度低、體量大、顆粒物含量高，需先經(jīng)過預(yù)處理裝置去除廢氣中的顆粒物等雜質(zhì)，再將有機(jī)廢氣引入活性炭吸附裝置進(jìn)行吸附處理，有機(jī)物質(zhì)被活性炭特有的作用力截留在其內(nèi)部，過濾后的潔凈氣體通過煙囪排放到大氣中?；钚蕴课酱步?jīng)過一段時(shí)間的工作后會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)按照PLC 自動(dòng)控制程序?qū)柡偷幕钚蕴肯渑c脫附后待用的活性炭箱進(jìn)行切換。廢氣處理系統(tǒng)將催化反應(yīng)的熱空氣通過風(fēng)機(jī)送入飽和的活性炭箱使碳層升溫，脫附出高濃度、高溫度的有機(jī)廢氣進(jìn)入電催化氧化爐再進(jìn)行分解處理。

以有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)VOC-XC-4500 為例，該系統(tǒng)處理廢氣量45 000 m3/h，噪音≤75 dB，功率55 kW，主要由水幕除塵器、干式過濾器、活性炭吸附脫附箱、脫附風(fēng)機(jī)、催化氧化爐、制氮機(jī)組和排空風(fēng)機(jī)等組成，如圖1所示。

圖1 VOC-XC-4500 型有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 水幕除塵器

水幕除塵器[3]通過水幕將廢氣中的粉塵顆粒物捕捉并分離。本研究選用的是貯水臥式水幕除塵器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該除塵器內(nèi)設(shè)計(jì)兩道水幕板，第一道為不銹鋼多孔板，第二道為不銹鋼無孔板。水從第一道水幕板上方注水槽進(jìn)入，在不銹鋼板多孔板上形成一層從上而下流動(dòng)的水膜，廢氣進(jìn)入后與水膜發(fā)生碰撞，含塵氣體被水膜濕潤(rùn)截留，顆粒物隨水流到除塵器底部貯水盤中；當(dāng)廢氣與第二道水幕板碰撞后，沿著水幕板底部水盤中的循環(huán)液面穿過，過濾掉大顆粒的粉塵。

圖2 貯水臥式水幕除塵器結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)過兩道水幕板過濾之后，有機(jī)廢氣中5 μm以上的顆粒粉塵去除效率達(dá)85%以上。但通過水幕過濾后，廢氣中的水氣又相應(yīng)的增多，需要采用水氣分離裝置將水分去除。在水幕除塵器出口處設(shè)置水氣分離器，當(dāng)廢氣通過分離器上的彎曲通道時(shí)，在慣性力及重力的作用下將氣流中夾帶的液滴分離出來，在重力的作用下落至底部接水盤內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了水氣的分離。

1.2 干式過濾器

干式過濾器是為了進(jìn)一步消除有機(jī)廢氣中的粉塵及顆粒物質(zhì)，防止其進(jìn)入活性炭吸附系統(tǒng)內(nèi)堵塞活性炭的空隙，導(dǎo)致吸附效率降低甚至失效，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。干式過濾器采用三級(jí)過濾除塵處理，第一級(jí)采用板式過濾紙，設(shè)置在干式除塵器的入口處，主要用于過濾水氣及大顆粒物；第二級(jí)采用普通合成纖維過濾袋，主要用于過濾氣體中5 μm 以上的顆粒物；第三級(jí)采用超細(xì)合成含靜電纖維過濾袋，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。干式過濾袋采用方形聯(lián)排結(jié)構(gòu)，具有捕塵率高、容塵量大、通透性好、使用壽命長(zhǎng)、使用更換方便等優(yōu)點(diǎn)。使用干式過濾袋可使氣體中3 μm以上的顆粒粉塵去除率達(dá)到97%以上[4-6]。同時(shí)為了保證除塵器的有效性，在每級(jí)過濾之間安裝壓差開關(guān)，實(shí)時(shí)顯示壓力損失，同時(shí)根據(jù)壓力設(shè)定，超出一定壓差后向PLC 發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒更換濾袋及濾材。

圖3 干式過濾器結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 干式過濾袋

1.3 活性炭吸附脫附箱

針對(duì)本研究處理廢氣量大、濃度不高、需要連續(xù)工作的特點(diǎn)，采用3 臺(tái)活性炭吸附箱對(duì)廢氣進(jìn)行濃縮處理 （工作方式為2 吸附1 脫附），吸附后的氣體可直接達(dá)標(biāo)排放。系統(tǒng)工作時(shí)，有機(jī)廢氣在風(fēng)機(jī)的作用下進(jìn)入碳箱后，被活性炭上的微孔吸附處理，直至活性炭達(dá)到飽和狀態(tài)后停止吸附，此時(shí)有機(jī)物已經(jīng)被濃縮在活性炭?jī)?nèi)，再利用催化燃燒后的熱空氣對(duì)飽和活性炭進(jìn)行脫附再生，重新投入使用。

活性炭吸附脫附箱結(jié)構(gòu)如圖5所示，活性炭吸附箱內(nèi)布置活性炭層及氣流分布器，活性炭塊砌式裝填，廢氣進(jìn)入箱體由裝填在兩側(cè)的活性炭吸附凈化[8-9]?；钚蕴繅K采用優(yōu)質(zhì)無煙煤作為原料，外形蜂窩狀，具有強(qiáng)度高、比表面積大、吸附容量高、吸附速度快、空隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)以及維護(hù)成本低及更換方便等優(yōu)點(diǎn)。

圖5 活性炭吸附脫附箱結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 催化氧化爐的設(shè)計(jì)

電催化氧化爐[7]主體由凈化裝置、引風(fēng)機(jī)、控制系統(tǒng)三大部分組成。凈化裝置由阻火除塵器、熱交換器、催化反應(yīng)室、電加熱組件等組成，是整個(gè)有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)的核心部件，工作原理如圖6所示。

圖6 催化氧化工作原理

針對(duì)鋼管涂覆有機(jī)廢氣的特點(diǎn)，該催化凈化裝置選用貴金屬鉑鈀催化劑，使有機(jī)廢氣中的可燃成分在較低的溫度下氧化分解，生成CO2和H2O 并釋放出大量熱量，其反應(yīng)方程式為

催化氧化爐凈化裝置結(jié)構(gòu)如圖7所示。圖7中催化反應(yīng)室采用抽屜式結(jié)構(gòu)，內(nèi)置蜂窩狀催化劑，中間布置電加熱組件，利用紅外輻射原理使催化劑及處理的有機(jī)廢氣達(dá)到反應(yīng)溫度，生成潔凈氣體排放。為了提高催化反應(yīng)的效率，將分解反應(yīng)生成的熱量通過換熱器提前預(yù)熱有機(jī)廢氣，使其迅速達(dá)到反應(yīng)溫度。

圖7 催化氧化爐凈化裝置結(jié)構(gòu)示意圖

為了保證安全反應(yīng)，在設(shè)備的進(jìn)出口設(shè)置了阻火除塵裝置，一方面過濾掉廢氣源中的灰塵，保證高濃度有機(jī)氣體的潔凈度，另一方面起到安全阻隔的作用。另外，催化反應(yīng)室內(nèi)還設(shè)置了防爆泄壓口，當(dāng)設(shè)備內(nèi)部的壓力超過50 kPa 時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)泄壓，確保設(shè)備始終在安全狀態(tài)下運(yùn)行。

催化劑如圖8所示，采用蜂窩陶瓷做載體，內(nèi)浸漬貴金屬鉑和鈀，具有催化活性高、熱穩(wěn)定性強(qiáng)、反應(yīng)溫度低、普遍使用性強(qiáng)、更換方便等優(yōu)點(diǎn)，尤其對(duì)苯系列有機(jī)物在220～240 ℃溫度下的催化氧化轉(zhuǎn)化率高達(dá)98%以上[10]。

圖8 催化劑

1.5 制氮機(jī)組設(shè)計(jì)與選型

活性炭具有吸熱、蓄熱功能，存在自燃的可能性，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮活性炭箱的安全性。根據(jù)活性炭箱的體積配置一臺(tái)3 m3/h 的制氮機(jī)組，在活性炭吸附箱執(zhí)行脫附程序結(jié)束后注入濃度為97%的氮?dú)猓蛟谠O(shè)備運(yùn)行中炭箱溫度超過設(shè)定值時(shí)將阻燃氮?dú)忾g斷注入，保證設(shè)備的安全運(yùn)行。

制氮機(jī)組的工作原理如圖9所示，該系統(tǒng)由空氣凈化處理和變壓吸附制氮設(shè)備組成。制氮工藝以壓縮空氣為原料，利用碳分子篩的吸附劑對(duì)氮、氧進(jìn)行選擇性吸附，把空氣中的氮分離出來制成氮?dú)?，具有高效、壓力穩(wěn)定、運(yùn)行成本低、對(duì)環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)。

圖9 制氮機(jī)組工作原理

2 結(jié)束語

有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是活性炭吸附脫附床及催化反應(yīng)室的處理能力設(shè)計(jì)，如果活性炭吸附床的吸附能力不滿足完全吸附有機(jī)廢氣的能力，或催化反應(yīng)不完全，都會(huì)造成整個(gè)處理系統(tǒng)的失效。該系統(tǒng)采用催化氧化法對(duì)鋼管內(nèi)涂覆生產(chǎn)過程中的有機(jī)廢氣進(jìn)行處理，具有溫度低、能耗低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，通過實(shí)踐檢驗(yàn)，較好地解決了鋼管內(nèi)涂覆過程中產(chǎn)生的有機(jī)廢氣。