摘要：揮發(fā)性有機(jī)物(Volatile Organic Compounds,VOCs)是近年來大氣污染治理的重點和難點。針對許多行業(yè)VOCs排放具有低濃度、大風(fēng)量的特點,以國外知名化工公司生產(chǎn)的聚合物樹脂為吸附材料,研究開發(fā)了雙流化床吸附濃縮-技術(shù)。本論文首先在多層流化床中開展了吸附和脫附實驗研究,采用三層流化床,二甲苯的總脫除率可以達(dá)到99%以上,150℃下脫附,濃縮比可以達(dá)到10以上。在實驗研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計并建立了一套2萬m3/h的雙流化床吸附濃縮-催化燃燒示范裝置,運行結(jié)果顯示,VOCs總?cè)肟跐舛?21mg/m3,吸附塔的總脫除率可以達(dá)到97%以上,濃縮比達(dá)到17,多層流化床的每一床層壓降僅為90Pa,示范裝置的雙流化床系統(tǒng)和催化燃燒裝置運行穩(wěn)定。實驗和示范裝置的運行結(jié)果表明,雙流化吸附濃縮技術(shù)為低濃度、大風(fēng)量的VOCs凈化治理提供了一條切實可行的技術(shù)途徑。
一、前言
揮發(fā)性有機(jī)物（Volatile Organic Compounds，VOCs）是最常見的空氣污染物，種類繁多，包括醇類、醛類、酯類、芳烴、鹵代烴等。在家具制造、汽車制造的表面涂裝工藝，印刷行業(yè)中印刷和涂布，電子制造的焊接和烘干工藝等中，排放的VOCs呈現(xiàn)出大風(fēng)量（2 萬-18 萬m3/h）、低濃度（200-800mg/m3）的特點，直接燃燒或者催化燃燒需要大規(guī)模的設(shè)備，投資高，而且運行時需額外補(bǔ)充燃料，運行費用高。目前普遍采用吸附濃縮工藝，將大風(fēng)量、低濃度的廢氣濃縮到高濃度、小風(fēng)量的廢氣，然后進(jìn)行后續(xù)的燃燒或冷凝回收處理，從而降低設(shè)備的投資和運行費用。吸附濃縮工藝根據(jù)吸附器的不同，主要分為三類：固定床，沸石轉(zhuǎn)輪和流化床。固定床屬于間歇操作，通常采用蜂窩活性炭吸附材料，存在的問題有熱氣流再生時活性炭材料易燃，疏水性差，不適用于高濕度的廢氣，且再生濃度波動大。沸石轉(zhuǎn)輪是一種將沸石吸附性材料制作成蜂窩狀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)輪設(shè)備，具有壓降低，吸脫附效率高，脫附溫度高，且無自燃風(fēng)險等優(yōu)點，目前已經(jīng)得到普遍應(yīng)用。但沸石轉(zhuǎn)輪對廢氣的溫度、濕度、成分、濃度等要求比較高，另外，轉(zhuǎn)輪的密封性要求嚴(yán)，模塊化的蜂窩吸附材料使得后期的維護(hù)成本相對較高。沸石轉(zhuǎn)輪技術(shù)目前主要掌握在日本、美國、瑞典等國家的手中。
除沸石轉(zhuǎn)輪外，國內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)和公司還開發(fā)出了流化床裝置用于 VOCs的吸附，并得到了應(yīng)用。流化床吸附的優(yōu)點是床層溫度均勻，傳質(zhì)、傳熱快，不需要專門的維護(hù)保養(yǎng)，易于設(shè)計放大。流化床吸附濃縮的關(guān)鍵是耐磨、疏水、球形度好的高性能吸附劑的開發(fā)，典型的吸附劑是球形顆?；钚蕴亢蜆渲?。日本吳羽公司早在上世紀(jì)70 年代就開發(fā)出了GASTAK 技術(shù)，采用多層流化床吸附，移動床脫附的方法用于有機(jī)溶劑的回收，吸附劑為吳羽公司開發(fā)的瀝青基球形活性炭。國內(nèi)的中國科學(xué)院過程工程研究所在流化床VOCs 吸附方面研發(fā)較早，上世紀(jì)70 年代中國科學(xué)院過程工程研究所郭慕孫院士開發(fā)出了氣控式多層流化床吸附濃縮技術(shù)，采用多層流化床吸附，移動床蒸汽脫附的方法回收二氯乙烷溶劑，吸附劑為活性炭。中國科學(xué)院過程工程研究所宋文立等采用樹脂基的球形活性炭為吸附劑，在循環(huán)流化床裝置上開展了VOCs的吸附研究。最近，中國科學(xué)院過程工程研究所聯(lián)合某環(huán)保公司共同研發(fā)了雙流化床吸附濃縮技術(shù)，用于低濃度、大風(fēng)量VOCs廢氣的吸附濃縮治理。該技術(shù)的工藝流程示意圖如下。雙流化床吸附濃縮裝置主要由兩個多層流化床-多層流化床吸附塔和多層流化床脫附塔組成，采用熱氣流脫附再生，濃縮后的廢氣去催化燃燒或冷凝回收處理。

二、實 驗
2.1 吸附樹脂
實驗采用的是國外知名化工公司生產(chǎn)的聚合物吸附樹脂，外觀為橙色-棕色球形顆粒，用于去除潮濕空氣中的VOCs，包括鹵代烷烴或有機(jī)溶劑。該聚合物吸附樹脂的典型物理和化學(xué)性質(zhì)如表1 所示。由表可見，聚合物吸附樹脂粒徑小，比表面積高，保證了高吸附容量和吸脫附動力學(xué)性能。聚合物吸附樹脂球形度高，內(nèi)部高分子三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使其在流化床中使用時具有高耐磨性能和良好的流化性能。

2.2 流化床吸附-脫附實驗
為了研究聚合物吸附樹脂在流化床中的吸附和脫附性能，實驗室建立了一套流化床VOCs 吸附-脫附實驗研究裝置，裝置主要包括多層流化床吸附裝置，多層流化床脫附裝置，見圖2。實驗考察了代表性的VOCs 氣體二甲苯在吸附和脫附床層中的濃度分布。二甲苯氣體濃度采用手持式氣體檢測儀在線測定。

2.3 雙流化床吸附濃縮-催化燃燒示范裝置
在多層流化床吸附-脫附實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，設(shè)計并建立了一套2 萬立方米/小時的雙流化床吸附濃縮-催化燃燒示范裝置。示范裝置建于東莞市百安石化倉儲有限公司，用于有機(jī)廢氣包括二甲苯、乙酸乙酯等的治理。示范裝置的現(xiàn)場圖片如圖3 所示，裝置主要由多層流化床吸附裝置，多層流化床脫附裝置和催化燃燒裝置組成。

三、結(jié)果與討論
3.1 流化床吸附實驗研究
圖4 和圖5 分別給出了不同入口濃度下二甲苯在多層流化床中的濃度分布情況。入口濃度234mg/m3 時，經(jīng)過第一層吸附，濃度降低到33mg/m3，二甲苯的脫除率達(dá)到86%。再經(jīng)過第二層吸附，濃度降低到9mg/m3，二甲苯的總脫除率達(dá)到96%，最后第三層出口濃度降低到1mg/m3，總脫除率達(dá)到99.6%。當(dāng)二甲苯的入口濃度提高到1094mg/m3 時，經(jīng)過第一層吸附，氣體中的二甲苯濃度降低到106mg/m3，二甲苯的脫除率達(dá)到90%。再經(jīng)過第二層吸附，濃度降低到12mg/m3，二甲苯的總脫除率達(dá)到98.9%，最后第三層出口濃度降低到5mg/m3，總脫除率達(dá)到99.5%?？梢?，對不同入口濃度的二甲苯氣體，采用三層流化床，二甲苯的總脫除率可以達(dá)到99%以上。

3.2 流化床脫附實驗研究
圖7 給出了吸附樹脂在多層流化床中吸附低濃度二甲苯（234mg/m3）后，在多層床再生脫附時的濃度分布情況，脫附溫度150oC。由圖可見，濃縮后氣體出口濃度達(dá)到了2462mg/m3，濃縮比達(dá)到10.5。

3.3 2 萬m3/h 流化床吸附濃縮-催化燃燒示范裝置運行結(jié)果
第三方檢測化驗結(jié)果顯示，入口風(fēng)量19810m3/h，進(jìn)氣口總VOCs 濃度221mg/m3，其中甲苯169mg/m3，乙酸乙酯40.8mg/m3，經(jīng)多層流化床吸附后，氣體出口總VOCs 濃度降到6.61mg/m3，總脫除效率達(dá)到97%，其中甲苯3.72mg/m3，乙酸乙酯2.01mg/m3。150oC 熱空氣脫附后，脫附塔出口濃縮后的VOCs 濃度達(dá)到3793mg/m3，濃縮比達(dá)到17。多層流化床的每一床層的壓降較低，僅為90Pa。
四、結(jié)論
聚合物樹脂為吸附材料，在多層流化床中開展了吸附和脫附實驗研究，采用三層流化床，二甲苯的總脫除率可以達(dá)到99%以上，150oC 下脫附，濃縮比可以達(dá)到10 以上。設(shè)計并建立了一套2 萬m3/h 雙流化床吸附濃縮-催化燃燒示范裝置，運行結(jié)果顯示，VOCs 總?cè)肟跐舛?21mg/m3，吸附塔總脫除率97%，濃縮比達(dá)到17，單床層壓降僅為90Pa。實驗和示范裝置的運行結(jié)果表明，雙流化吸附濃縮技術(shù)為低濃度、大風(fēng)量的VOCs凈化治理提供了一條切實可行的技術(shù)途徑。
來源：北極星VOCs在線