倪彪

摘 要：沸石轉(zhuǎn)輪中含有大量的具有規(guī)則孔道結(jié)構(gòu)的，良好吸附脫附VOC特性的分子篩，得到了人們的關(guān)注。廣泛的應(yīng)用于涂裝行業(yè)、印刷行業(yè)、家居行業(yè)、電子行業(yè)及部分精細(xì)化工行業(yè)的廢氣處理中。本文結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)涂裝項目中沸石轉(zhuǎn)輪的應(yīng)用，從沸石轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)以及特性出發(fā)，考慮外界條件對沸石轉(zhuǎn)輪在廢氣吸脫附的影響;闡述了廢氣中粉塵、廢氣溫度、廢氣濕度等對沸石轉(zhuǎn)輪效率的影響，并從實際案例中得出在合適的條件下沸石轉(zhuǎn)輪最佳的吸脫附性能，并有利于其具有較長的使用壽命。

關(guān)鍵詞：沸石轉(zhuǎn)輪;VOC;吸脫附;分子篩;轉(zhuǎn)輪效率

1、前言

1.1 市場需求

隨著我國工業(yè)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，環(huán)保壓力逐漸增大;一系列環(huán)保新標(biāo)準(zhǔn)的制定以及發(fā)布，明確了各行業(yè)生產(chǎn)過程中尾氣的排放標(biāo)準(zhǔn)以及要求;為滿足排放要求生產(chǎn)源頭、減量生產(chǎn)以及加裝后端尾氣處理裝置成為主要手段;后端尾氣處理裝置成為排放大氣的最后一道手段，受到社會的強(qiáng)烈關(guān)注;更加成熟、穩(wěn)定以及低能耗的處理工藝是現(xiàn)在社會研究的主要方向[1]。

1.2 沸石分子篩的結(jié)構(gòu)

一種新型的處理工藝沸石濃縮轉(zhuǎn)輪近些年在廢氣處理設(shè)備中得到廣泛的使用。沸石轉(zhuǎn)輪本質(zhì)為附著沸石分子篩的蜂窩狀基材，沸石分子篩是結(jié)晶的鋁硅酸金屬鹽的水合物活化脫水后形成的籠形結(jié)構(gòu)，其孔徑為3～10 A[1]。在分子篩晶體中有著許多大小一定的空穴，空穴與空穴之間有許多相同直徑的孔（窗口）相連通，見圖1及圖2。

特殊的構(gòu)型使得它可以將小于其孔徑的的分子吸附到其空穴內(nèi)部，并且可以而把比其孔徑大的分子排斥在空穴外面，具有篩分分子的作用;產(chǎn)生這一吸附作用的作用力為分子引力在固體表面產(chǎn)生的“表面力”，本身不發(fā)生化學(xué)變化，再通過另一物理作用：壓力、加溫增加分子間相互作用的等方式將吸附的分子脫離出去，分子篩本身又恢復(fù)其吸附能力，這一吸附的逆過程又稱解析或再生[2]。

1. 3 沸石分子篩對VOC吸脫附原理

轉(zhuǎn)輪中沸石的大量使用確保了其具有大量的微觀的籠或通道，較小尺寸的通道，產(chǎn)生較大的引力場;保證了其吸附質(zhì)分子的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他類型如常規(guī)活性炭等吸附劑。沸石轉(zhuǎn)輪的大比表面積、規(guī)整的孔隙率、吸附以及再生的特性，可以有效吸附尾氣中的一定分子直徑的VOC組分，再利用高溫空氣在線脫附，可以實現(xiàn)尾氣的連續(xù)處理。濃縮后的尾氣根據(jù)實際組分的不同可以采用高溫?zé)崃ρ趸?、催化燃燒以及冷凝吸附等方式將尾氣中的有機(jī)物處理或者回收[3、4]。

1.4 沸石分子篩在實際應(yīng)用中需要注意的事項

在整個廢氣處理的工藝中，沸石轉(zhuǎn)輪是其設(shè)備的核心，直接影響到整套設(shè)備的處理性能。沸石獨(dú)特的構(gòu)造確保了其具有吸附濃縮部分化學(xué)分子的能力，而這部分分子范圍交廣，包括可常溫下?lián)]發(fā)性物質(zhì)（VOCs）、較難揮發(fā)性物質(zhì)（高沸點(diǎn)物質(zhì)）部分較小顆粒的粉塵、以及水分子（H2O）;但是由于部分物質(zhì)在沸石孔道中的積聚造成了極難被解析再生，造成了沸石分子篩在使用中損耗;尾氣中水分子的存在（高濕度）代替可揮發(fā)性物質(zhì)（主要吸附處理的物質(zhì)）被吸附，同樣造成了沸石分子篩較差的處理性能。營造一個良好的使用環(huán)境，確保沸石分子篩吸附特異性的物質(zhì)（需處理的VOCs），高效穩(wěn)定的運(yùn)行使用，是廢氣處理工藝設(shè)計時需要注意的重點(diǎn)[4-6]。

2、沸石轉(zhuǎn)輪使用中的要點(diǎn)

沸石轉(zhuǎn)輪在尾氣處理工藝中得到廣泛的應(yīng)用，營造一個良好的使用環(huán)境可以確保尾氣處理設(shè)備較高的處理效率，較強(qiáng)的穩(wěn)定性。

2.1 沸石轉(zhuǎn)輪的運(yùn)行原理

2.1.1 沸石轉(zhuǎn)輪設(shè)備配置

圖3為盤式沸石轉(zhuǎn)輪的運(yùn)行的原理圖，如圖所示，沸石轉(zhuǎn)輪被劃分為三個區(qū)域，處理區(qū)（有機(jī)分子吸附區(qū)域）、冷卻區(qū)以及再生區(qū);整套設(shè)備有，前置過濾器、處理（吸附）風(fēng)機(jī)、沸石轉(zhuǎn)輪、再生加熱裝置、再生風(fēng)機(jī)。

2.1.2 沸石轉(zhuǎn)輪運(yùn)行機(jī)理

尾氣經(jīng)過過濾器過濾后進(jìn)入到沸石轉(zhuǎn)輪的處理區(qū)，尾氣中的有機(jī)分子被特異性的吸附在沸石的孔道及籠中，被沸石吸附后的氣體-- 凈化氣體排放煙囪;并有一股氣體經(jīng)過冷卻區(qū)，為較高的轉(zhuǎn)輪沸石表面降溫，使得沸石重新具有吸附性;這股氣體在經(jīng)過加熱后反吹轉(zhuǎn)輪，高溫使得沸石中的有機(jī)分子的活性增強(qiáng)，風(fēng)壓增加了氣流作用力，兩種作用力確保了被吸附的分子得以從沸石孔道中逃離。整個過程為連續(xù)運(yùn)行過程，轉(zhuǎn)輪驅(qū)動馬達(dá)帶動轉(zhuǎn)輪連續(xù)運(yùn)行，轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動方向為處理區(qū)（吸附）→再生區(qū)（解析）→冷卻區(qū)（解析后高溫沸石降溫）[4]。

2.2 轉(zhuǎn)輪的前置過濾

2.2.1 沸石轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)特性

沸石轉(zhuǎn)輪本身為蜂窩狀結(jié)構(gòu)，微觀及宏觀結(jié)構(gòu)見圖4，含有大量較規(guī)整的孔道。在尾氣中常常含有大量的如漆霧、粉塵、大分子樹脂以及可以進(jìn)入分子篩牢籠孔道但在孔道中聚集的物質(zhì)，這些物質(zhì)會堵塞轉(zhuǎn)輪得蜂窩狀孔道以及沸石的微觀孔道，造成轉(zhuǎn)輪大孔以及小孔的堵塞。

2.2.2 轉(zhuǎn)輪堵塞后對系統(tǒng)的影響

沸石轉(zhuǎn)輪的堵塞在結(jié)構(gòu)上分為兩種：大孔道蜂窩的堵塞、小孔道沸石牢籠的堵塞。

大孔道蜂窩的堵塞：粉塵以及大分子樹脂在孔道中聚集，造成通風(fēng)的孔道堵塞，這種堵塞造成氣流孔道堵塞，沸石轉(zhuǎn)輪成為一個不透風(fēng)的盲板，影響氣流的通過，造成車間生產(chǎn)排氣異常、系統(tǒng)內(nèi)局部壓力過大、以及再生區(qū)高溫異常（悶燃）的可能，造成生產(chǎn)以及安全上的問題。

小孔道沸石牢籠的堵塞：一些分子尺寸較小，進(jìn)入到分子篩牢籠中聚集以后尺寸較大不易逃離沸石分子篩，轉(zhuǎn)輪不能解析再生。

2.2.3 前置過濾的設(shè)定

針對尾氣中含塵、大分子以及部分聚合物的存在，在沸石轉(zhuǎn)輪的設(shè)計中需要特備注意。

對于尾氣中的含塵物質(zhì)，通常采用濕法除塵結(jié)合干式過濾、多級干式過濾的范式解決。通暢采用的濕法除塵設(shè)備主要有：旋流板塔除塵、噴淋塔除塵、文丘里除塵等。干式過濾為多級搭配式設(shè)計，初效過濾+中效過濾+亞高效過濾/高效過濾的搭配使用。鑒于尾氣中粉塵的粒徑分布較廣，一般定義為沸石轉(zhuǎn)輪前端最后一級過濾等級不低于F9，并且過濾等級越高，對后端沸石轉(zhuǎn)輪的保護(hù)越徹底。

尾氣中大分子物質(zhì)如樹脂的存在，多在前端考慮增加一級活性炭顆粒。顆?；钚蕴烤哂袑Ψ肿游镔|(zhì)吸附效率高，在其吸附達(dá)到飽和狀態(tài)后，高沸點(diǎn)的物質(zhì)可以將活性炭中低沸點(diǎn)的物質(zhì)置換出去，從而確保大部分高沸點(diǎn)物質(zhì)保留在活性炭顆粒內(nèi)的特性。

對于尾氣中可聚集性分子物質(zhì)的存在，考慮使用噴淋塔改性或者更高級別的過濾等方式去除。

2.3 溫濕度對轉(zhuǎn)輪的影響

2.3.1 溫度對沸石轉(zhuǎn)輪的影響

不同行業(yè)的工序段不同，不同工序段的尾氣排口溫度不同，沸石濃縮轉(zhuǎn)輪對處理氣體的溫度也有明確的要求。沸石分子篩的作用原理是通過氣體分子與沸石分子式孔道之間產(chǎn)生的相互作用力，被吸附在沸石中，當(dāng)這一作用力被破壞，氣體分子可以從沸石孔道中脫附處理這也是沸石轉(zhuǎn)輪解析再生的過程。

根據(jù)圖5所示，一定的濕度下，隨著廢氣溫度升高，沸石分子篩的凈化效率變化明顯，在超過40 ℃時沸石轉(zhuǎn)輪的吸附效率明顯下降;并發(fā)現(xiàn)沸石分子篩轉(zhuǎn)輪對25～35 ℃的廢氣凈化效率最高。因此為了保證沸石轉(zhuǎn)輪的凈化效率，在工藝設(shè)計時需要對進(jìn)入分子篩轉(zhuǎn)輪的氣體溫度加以控制，確保其溫度<40 ℃。

冷卻裝置的使用可以解決氣體溫度過高的情況，常規(guī)的冷卻裝置有：表冷器、冷卻塔以及板式氣體換熱器。由于所降的溫度較低，常采用表冷器作為沸石轉(zhuǎn)輪前端的冷卻裝置對廢氣溫度加以控制。

2.3.2 濕度對沸石轉(zhuǎn)輪的影響

廢氣處理設(shè)備是對尾氣中可揮發(fā)性有機(jī)化合物等影響環(huán)境的一系列物質(zhì)的消除，而尾氣中的水分子不在其處理范圍之中。

尾氣中存在的水分子，特異型的和沸石轉(zhuǎn)輪的目標(biāo)組分（可揮發(fā)性有機(jī)物）競爭，優(yōu)先吸附在沸石分子篩的牢籠中，使得沸石轉(zhuǎn)輪不能得到高效的應(yīng)用。

如圖6所示，一定的溫度下，當(dāng)進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的尾氣的相對濕度超過80%時，沸石分子篩轉(zhuǎn)輪對尾氣中揮發(fā)性有機(jī)氣體的的凈化效率急劇下降。降低尾氣的相對濕度成為了提高沸石轉(zhuǎn)輪凈化效率的管徑，需要將尾氣的相對濕度降低至80%以下。

表1為下面為某沸石轉(zhuǎn)輪+RTO工藝中，利用脫附換熱后煙氣與轉(zhuǎn)輪前端尾氣混風(fēng)，升溫除濕的詳細(xì)工藝計算結(jié)果（尾氣按160000Nm3/h計算）。

表1廢氣相對濕度計算（進(jìn)氣溫度30℃）

1）按照濃縮10倍濃縮選擇后端風(fēng)機(jī)及RTO，脫附風(fēng)量為16000 NCMH，換熱器冷進(jìn)口溫度110 ℃，換熱器冷出溫度220 ℃;爐膛取800 ℃風(fēng)換熱，換熱熱出250 ℃。

2）實際尾氣升溫除濕需要的混風(fēng)風(fēng)量，以及混風(fēng)后實際值，見圖7～8。

3、工程應(yīng)用案例介紹

3.1 某涂裝尾氣治理項目介紹

在某涂裝尾氣治理的實際案例中，客戶排放的廢氣工況如表2所示：

該涂裝行業(yè)排放尾氣為手工噴房以及自動機(jī)器人噴房排出，最大排放濃度為300 mg/m3，正常運(yùn)行時排放濃度在120～180 mg/m3之間。尾氣中不含有轉(zhuǎn)輪不吸附以及不脫附的物質(zhì)存在，濕度滿足轉(zhuǎn)輪的使用要求。

客戶要求排放濃度<20 mg/m3，按照要求，最低處理效率必須>90%。

3.2 某涂裝尾氣治理

在項目設(shè)計中，首先考慮沸石濃縮轉(zhuǎn)輪的選型。必須充分考慮尾氣中氣體的組分，再確定沸石轉(zhuǎn)輪型號。經(jīng)風(fēng)量以及VOCs組分確定，該項目濃縮轉(zhuǎn)輪選用日本西部技研UZM-4250-V50型的轉(zhuǎn)輪的設(shè)計，在確定濃縮轉(zhuǎn)輪型號后，搭配不同設(shè)計為沸石轉(zhuǎn)輪提供合適的工作環(huán)境，選擇最優(yōu)組合。

針對濃縮轉(zhuǎn)輪模塊的設(shè)計如下：

噴淋除塵+六級干式過濾+活性炭顆粒+升溫除濕的搭配，如圖9。

3.3 某涂裝尾氣治理項目實際運(yùn)行情況

設(shè)備運(yùn)行兩年，期間現(xiàn)場人員按照要求更換濾材，維護(hù)過濾箱;兩年后轉(zhuǎn)輪表面干凈正常，經(jīng)第三方檢測后轉(zhuǎn)輪的凈化效率仍和初始調(diào)試時效率持平>93%。這說明此套預(yù)處理工藝對沸石轉(zhuǎn)輪有極好的保護(hù)作用。

4、結(jié)論與建議

沸石濃縮轉(zhuǎn)輪引起具有良好的吸脫附VOC的特性，已廣泛應(yīng)用于電子、家居、涂裝、印刷等尾氣治理中，為沸石轉(zhuǎn)輪提供一個良好的使用環(huán)境是其具有較好吸脫附性能的關(guān)鍵;其中廢氣中粉塵能否有效去除，影響著轉(zhuǎn)輪的使用壽命及性能;廢氣較高的溫度影響VOC與分子篩之間的相互作用，影響VOC在分子篩中的吸附;廢氣的較高的濕度使得廢氣中的水分子與VOC競爭性的轉(zhuǎn)輪分子篩中，水的存在影響了VOC在分子篩中的吸附。合適的過濾，合適的溫度以及合適的濕度等，合理有效的使用條件使得沸石分子篩對VOC具有良好的吸脫附性能，并使其具有較長的使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王春蓉.沸石分子篩的性能與應(yīng)用研究[J].化學(xué)與粘合，2010，32（04）：76-78.

[2] 王緒緒，陳旬，徐海兵，付賢智. 沸石分子篩的表面改性技術(shù)進(jìn)展[J]. 無機(jī)化學(xué)報，2002，6.

[3] 王國慶，孫劍平，吳鋒，陳實.沸石分子篩對甲醛氣體吸附性能的研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報，2006（07）：643-646.

[4] 張瑜，羌寧，李世杰.大風(fēng)量、低濃度非連續(xù)排放有機(jī)廢氣治理的經(jīng)濟(jì)性探討[J].四川環(huán)境，2019，38（05）：138-145.

[5] 劉相章，葛懷鎮(zhèn)，王開鋒，于記生.淺談高沸點(diǎn)有機(jī)物對沸石轉(zhuǎn)輪的影響及應(yīng)對措施[J].現(xiàn)代涂料與涂裝，2019，22（12）：47-49.

[6]孔文杰，凌志斌.沸石轉(zhuǎn)輪吸附-熱空氣脫附催化燃燒在VOCs治理方面的應(yīng)用[J].綠色環(huán)保建材，2019（01）：20+23.