VOCs來源廣泛,涉及生產(chǎn)、生活等多個途徑。隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展,VOCs排放量與日俱增,給人們的生活環(huán)境帶來了嚴重影響。對于大風量、低濃度的廢氣處理,分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪技術(shù)應用廣泛。但是,在實際運行過程中,若處理工藝設(shè)計不當,或轉(zhuǎn)輪性能較差,也會發(fā)生各種運行故障,其中,轉(zhuǎn)輪燜燒是最常見的現(xiàn)象之一。轉(zhuǎn)輪燜燒是指分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪在實際運行過程中,由于轉(zhuǎn)輪內(nèi)部受熱不均勻發(fā)生的一種不同程度燃燒的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)輪燜燒不僅會對轉(zhuǎn)輪及附屬設(shè)備的壽命造成嚴重影響,也可能會造成更為嚴重的運行事故,直接威脅操作人員的生命安全。因此,快速、精準判斷分子篩轉(zhuǎn)輪運行過程中燜燒現(xiàn)象的發(fā)生,并能采取及時、有效的控制方式,對消除由此帶來的設(shè)備故障和安全隱患尤為重要。
一、分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪及工藝簡介
分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪核心部件為分子篩轉(zhuǎn)輪輪芯,其是由分子篩吸附介質(zhì)和陶瓷纖維組成,其中分子篩吸附介質(zhì)是一種具有均勻孔道結(jié)構(gòu)的無機化合物。
根據(jù)不同作用,分子篩轉(zhuǎn)輪輪芯分為吸附區(qū)、解析區(qū)和冷卻區(qū),各個區(qū)域由耐熱、耐溶劑的密封性材料分隔。圖1給出了分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪輪芯結(jié)構(gòu)及VOCs處理工藝示意圖。首先,低濃度、大風量、常溫(40℃以下)的廢氣在風機輸送下通過分子篩轉(zhuǎn)輪吸附區(qū),VOCs被分子篩吸附,凈化后的氣體直接排放。由于吸附是放熱的,因此,凈化后排氣會有1~5℃的溫升;當吸附區(qū)分子篩吸附飽和時,分子篩轉(zhuǎn)輪塊體轉(zhuǎn)動至解析區(qū),VOCs分子從轉(zhuǎn)輪上解析脫附,解析溫度為150~180℃。解析完成后,解析區(qū)轉(zhuǎn)輪塊體轉(zhuǎn)動至冷卻區(qū),經(jīng)冷卻降溫后,轉(zhuǎn)輪塊體恢復吸附能力,此時,冷卻區(qū)排氣溫度約為60~90℃。在轉(zhuǎn)動電機驅(qū)動下,轉(zhuǎn)輪不斷轉(zhuǎn)動,從而實現(xiàn)吸附、解析、冷卻循環(huán)進行,確保廢氣處理持續(xù)穩(wěn)定的運行。分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪廢氣處理技術(shù)主要設(shè)備組成如圖2所示,主要包括氣體過濾器、分子篩轉(zhuǎn)輪輪芯、加熱器、轉(zhuǎn)動電機及動力傳輸設(shè)備(風機)等。
二、判定分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪內(nèi)部燜燒的方法
由上文可知,分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪在正常運行過程中,工藝參數(shù)一旦確定,各區(qū)進、出氣體溫度均在可控范圍內(nèi)波動,如表1所示。
因此,通常情況下,各反應區(qū)進、出氣端均設(shè)置有溫度監(jiān)控裝置及溫度異常報警裝置,通過對各路氣體溫度實時監(jiān)測,并及時反饋和控制,進而保證整個處理工藝的穩(wěn)定運行。但是,在實際監(jiān)測過程中,轉(zhuǎn)輪解析區(qū)及冷卻區(qū)排氣溫度偶爾會出現(xiàn)如圖3所示。系統(tǒng)剛開始運行(0~40min)時,解析區(qū)排氣溫度始終維持在50~80℃,而冷卻區(qū)排氣溫度始終維持在60~90℃。當運行至45min時,解析區(qū)與冷卻區(qū)溫度開始持續(xù)升高。至75min時,解析區(qū)排氣溫度高于110℃,至80min時,冷卻區(qū)排氣溫度高于120℃,并且高于相應溫度時間持續(xù)5min以上,若發(fā)生這種現(xiàn)象,則推斷認為分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪內(nèi)部發(fā)生燜燒,需要及時拆開檢查,并對可能導致該現(xiàn)象發(fā)生的原因進行排查。因此,溫度判定法是一種最直接、有效的判定分子篩轉(zhuǎn)輪內(nèi)部發(fā)生燜燒現(xiàn)象的方法。
三、分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪內(nèi)部燜燒的原因
3.1廢氣組分
(1)低沸點組分。
湖北某制藥公司于2019年對合成車間散排廢氣及污水池廢氣使用了一套分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪處理裝置,該項目轉(zhuǎn)輪在運行一年后拆機檢修時,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪輪芯表面存在灼燒痕跡。為查詢輪芯灼燒原因,對該項目廢氣進行氣相色譜-質(zhì)譜檢測,分析結(jié)果如圖4及表2所示。從數(shù)據(jù)分析看,該項目有機廢氣中含有大量低沸點(低于100℃)的有機廢氣分子,如丙酮、乙腈等。為滿足沸點較高的有機物(如3-乙基3-甲基庚烷(164℃)、3,3-二甲基辛烷(168℃))的正常解析,設(shè)計該工藝解析溫度為150~180℃。當進氣中低沸點有機分子在轉(zhuǎn)輪上不斷吸附濃縮時,在較高的解析溫度(150~180℃)下,這些有機分子就會與氣體中的氧氣發(fā)生氧化反應,并放出大量的熱,因此會直接導致分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪內(nèi)部燜燒現(xiàn)象的發(fā)生。由此,可以解釋本項目轉(zhuǎn)輪輪芯發(fā)生燜燒現(xiàn)象的原因。
(2)高沸點組分。
浙江某制藥廠生產(chǎn)車間有較明顯的異味,對該車間通風換氣,產(chǎn)生大量的低濃度廢氣。2017年,該公司為保證排氣達標,采用了一套分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪處理裝置。該裝置運行兩年后在拆機檢修時,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪輪芯表面存在灼燒痕跡。為查詢輪芯灼燒原因,對該項目廢氣進行氣相色譜-質(zhì)譜檢測,分析結(jié)果如圖5及表3所示。從數(shù)據(jù)分析看,該項目有機廢氣中含有高沸點(高于180℃)的有機廢氣分子,如6-乙基2-甲基癸烷(沸點217℃)、3-甲基十一烷(沸點217℃)等。這些物質(zhì)在常規(guī)解析溫度下無法發(fā)生解析,而本項目所設(shè)計的解析溫度為150~180℃。
由此可以推斷,當有機廢氣中存在大量高沸點氣體時,由于其沸點較高,當采用常規(guī)解析溫度(150~180℃)時,吸附在分子篩孔道內(nèi)部的高沸點有機分子脫附效率較低,從而占據(jù)吸附位。隨著項目運行時間的延長,轉(zhuǎn)輪會因內(nèi)部高沸點物質(zhì)不斷富集吸附位被占據(jù)而降低吸附效率,為使其維持較高的吸附脫附效率,需定期進行高溫脫附(200~230℃)。而在高溫脫附期間,輪芯內(nèi)部富集的高沸點有機物與氧氣發(fā)生氧化反應形成焦體物質(zhì),造成轉(zhuǎn)輪不通暢且局部過熱,最終導致燜燒現(xiàn)象的出現(xiàn)。
3.2輪芯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性
圖6為河北某化工原料生產(chǎn)車間有機廢氣處理工藝中監(jiān)測的分子篩轉(zhuǎn)輪輪芯運行2年期間壓降隨時間的變化圖,從圖中可以看出,剛開始運行(0~12個月)時,轉(zhuǎn)輪壓降約200~500Pa,而運行一年后,監(jiān)測的壓降明顯升高,最高達到1000Pa。對轉(zhuǎn)輪進行停機檢查,發(fā)現(xiàn)輪芯盤面局部發(fā)生燜燒,同時,發(fā)生燜燒區(qū)域的輪芯孔道也存在明顯的堵塞現(xiàn)象。由此可見,轉(zhuǎn)輪輪芯孔道堵塞可能是導致轉(zhuǎn)輪輪芯內(nèi)部發(fā)生燜燒的原因之一。分子篩轉(zhuǎn)輪輪芯主要是由吸附介質(zhì)(分子篩)和骨架結(jié)構(gòu)(陶瓷纖維)組成,其中陶瓷纖維及輪芯塊體之間使用密封膠黏連而成,因此在一定程度上容易造成骨架坍塌,進而影響了輪芯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。另外,雖然分子篩轉(zhuǎn)輪輪芯具有規(guī)則的孔道,保證廢氣流通的同時能有效地降低壓損,節(jié)省能耗,但是,通常情況下,該孔道尺寸相對較小,容易造成孔道堵塞。此外,轉(zhuǎn)輪內(nèi)部容易引起孔道堵塞的物質(zhì)還包括:
(1)高沸點物質(zhì)聚合。
如3.1(2)所述,高沸點有機物存在會導致分子篩脫附不完全,隨著運行時間延長,這些物質(zhì)含量不斷增加,且會與氧氣發(fā)生氧化反應形成焦體物質(zhì),進而導致分子篩孔道及轉(zhuǎn)輪輪芯孔道不斷堵塞。
(2)無機組分。若處理廢氣中含有NaCl、CaCl2、MgCl2等一定濃度的無機組分時,這些組分會在分子篩表面以及轉(zhuǎn)輪輪芯孔道中發(fā)生吸附,并不斷累計,最終導致輪芯孔道結(jié)構(gòu)的堵塞。
(3)密封材料磨損。分子篩轉(zhuǎn)輪輪芯分區(qū)支架與箱體之間采用耐高溫復合材料進行軟密封,當轉(zhuǎn)輪長期運行后,密封材料會出現(xiàn)一定程度的磨損,磨損的密封材料會粘連在轉(zhuǎn)輪表面,形成薄膜進而堵塞轉(zhuǎn)輪。
3.3轉(zhuǎn)輪濃縮處理工藝
如第1章所述,分子篩轉(zhuǎn)輪輪芯和過濾器、加熱器、轉(zhuǎn)動電機及動力傳輸設(shè)備(風機)結(jié)合構(gòu)成一套完整的分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪處理工藝,其中若轉(zhuǎn)動故障或解析氣加熱存在問題時,也會導致分子篩轉(zhuǎn)輪內(nèi)部發(fā)生燜燒。
(1)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動故障。
分子篩轉(zhuǎn)輪輪芯持續(xù)轉(zhuǎn)動是保證該工藝正常運行的基本條件,轉(zhuǎn)動電機是維持其轉(zhuǎn)動所需的動力設(shè)備,在運行過程中,電控對轉(zhuǎn)速進行實時監(jiān)控,轉(zhuǎn)速異常則會發(fā)生報警。
例如,河北某制藥公司廢氣治理項目,系統(tǒng)運行過程中曾出現(xiàn)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速異常報警現(xiàn)象,并伴隨有轉(zhuǎn)輪凈化氣中非甲烷總烴數(shù)據(jù)超標現(xiàn)象,如圖7所示。
如圖7,在系統(tǒng)正常運行(0~8h)時,凈化排氣中非甲烷總烴明顯低于50mg/m3,但是,當控制面板上轉(zhuǎn)輪發(fā)出低速運轉(zhuǎn)(小于1r/h)報警(9h后),凈化排氣中非甲烷總烴含量迅速達到150mg/m3。對系統(tǒng)進行停機檢查,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪內(nèi)部有明顯燜燒現(xiàn)象。
其主要原因是,當轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速較低或停止轉(zhuǎn)動時,會導致吸附區(qū)長期處于吸附狀態(tài),從而使得吸附近飽和狀態(tài)的分子篩無法進行解析,從而使得吸附效率降低,排氣非甲烷總烴升高。而對于解析區(qū),由于轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速變慢或停止轉(zhuǎn)動且長時間未進行處理時,會導致該區(qū)域長時間被解析氣加熱,進而溫度不斷升高。當該區(qū)域集聚了大量的有機分子時,這些有機分子在持續(xù)的高溫環(huán)境中會和分子篩孔隙中的氧氣發(fā)生觸媒反應,從而形成放熱并導致轉(zhuǎn)輪內(nèi)部燜燒現(xiàn)象的發(fā)生。
(2)解析氣熱源。高溫解析氣的加熱方式通常包括電加熱、蒸汽加熱及燃氣加熱等方式,當業(yè)主方能夠提供充足燃氣時,為節(jié)省能源,降低能耗,通常采用燃氣加熱的方式進行,而此時,氣體燃燒機是必不可少的設(shè)備之一。
通常,燃氣加熱解析流程如圖8所示。
當采用燃氣供熱時,天然氣進入燃燒機的燃燒頭內(nèi),與助燃風機所提供的助燃氣混合,點火燃燒。因此,燃氣燃燒時系統(tǒng)內(nèi)存在明火焰。若燃燒機火焰異常狀態(tài)(如火焰過長或殘余零星火星等情況),會存在燃燒機火焰直接灼燒到轉(zhuǎn)輪部分盤面的情況,進而導致轉(zhuǎn)輪內(nèi)部發(fā)生燜燒現(xiàn)象。
四、分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪內(nèi)部燜燒解決方法
綜上所述,分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪內(nèi)部發(fā)生燜燒現(xiàn)象的原因很多,為避免該現(xiàn)象的發(fā)生,提高系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性,降低風險和投入,現(xiàn)提出以下解決辦法。
(1)嚴格控制廢氣組成。在項目設(shè)計階段,對所處理有機廢氣組成進行詳細的取樣檢測和分析,設(shè)定合理的解析溫度等工藝參數(shù)。當處理廢氣中含有高沸點有機分子時,在進入分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪前要進行氣體預處理,從而避免燜燒現(xiàn)象的發(fā)生。
(2)提高輪芯結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。為避免輪芯堵塞,應定期采用帶壓惰性氣體吹掃,保證輪芯通暢,避免廢氣中攜帶的無機組分長時間在輪芯孔道堆積發(fā)生堵塞。另外,為防止轉(zhuǎn)輪長期運行使得密封材料發(fā)生氧化或磨損而堵塞孔道,應對其進行定期拆卸和更換,以避免燜燒現(xiàn)象發(fā)生。
(3)改進工藝設(shè)計。針對轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速,電控系統(tǒng)需進行多點測定,實時監(jiān)控,并設(shè)置系統(tǒng)報警和連鎖裝置。當轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速持續(xù)異常應自動停止加熱,從而避免因不能及時被發(fā)現(xiàn)和處理所引起的燜燒。另外,在采用燃氣供熱時,為避免轉(zhuǎn)輪盤面的灼燒,應在燃氣加熱器和解析區(qū)之間增設(shè)阻火器,從而避免了火焰竄到輪芯表面。此外,在該段解析管路上,還應適當增加溫度監(jiān)測儀表數(shù)量,便于及時發(fā)現(xiàn)并處理燃燒機火焰異常情況。
五、結(jié)語
分子篩濃縮轉(zhuǎn)輪技術(shù)在處理大風量、低濃度廢氣中應用廣泛,該技術(shù)在實際運行過程中如果處理不當仍存在一些風險,其中,轉(zhuǎn)輪內(nèi)部發(fā)生燜燒現(xiàn)象是最典型的問題之一。本文首次采用溫度判斷法判定轉(zhuǎn)輪內(nèi)部燜燒現(xiàn)象的發(fā)生,當系統(tǒng)解析區(qū)排氣溫度持續(xù)5min以上高于110℃且冷卻區(qū)排氣溫度高于120℃,表明系統(tǒng)內(nèi)部可能發(fā)生了燜燒,需及時停機檢查。另外,本文還以實際工程項目為背景,從廢氣組分、輪芯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及轉(zhuǎn)輪濃縮處理工藝等方面詳細分析了發(fā)生燜燒現(xiàn)象的原因,并有針對性地提出了合理、有效的解決方案。首先,嚴格分析和控制廢氣組成,降低廢氣中高沸點組分的含量,并有針對性地設(shè)計合理的解析溫度是避免轉(zhuǎn)輪燜燒的方法之一。其次,針對轉(zhuǎn)輪壓損和轉(zhuǎn)速,設(shè)置多點測定,實時監(jiān)控,并設(shè)置異常報警和連鎖裝置,對設(shè)備進行定期檢修和維護將有利于提高設(shè)備的穩(wěn)定性和工藝的安全性,是避免轉(zhuǎn)輪燜燒的又一有效方法。
來源:相章分享環(huán)保技術(shù)