活性炭催化燃烧

　　在部分产品的喷漆与烤漆生产过程中，会出现大量的工艺尾气排放，这些尾气对自然环境的危害较大，给操作工人的健康带来较大的威胁。具体来说，喷漆、烤漆等工艺需要使用大量苯、甲苯、乙苯、乙酸乙酯等挥发性化合物，作为涂料溶剂以及稀释剂等。这些有机溶剂在喷涂时不会吸附在工件表面，会全部挥发到空气中变为有机废气。这些废气具有沸点低、常温下容易挥发等特征，对周边环境以及操作人员的身体健康产生较大的影响。

　　我国一些大城市的空气中挥发性有机化合物含量是美国城市的数倍，工业生产排放的有机废气已经成为我国城市大气污染的主要因素。这些气体挥发时会产生刺激性气味，对操作人员的身体危害很大，短期接触后会引发恶心、头晕等，大量吸收后会损害人体的内脏、神经系统等。因此，在工业生产活动中，除了采用必要的防护措施外，还要尽量避免有机废气的排放，全面收集与净化有机废气。

　　1基本原理

　　本方案将蜂窝状活性炭作为吸附剂，通过吸附净化、脱附再生并浓缩挥发性有机物(VOCs)以及催化燃烧的原理，即将大风量、低浓度的有机废气通过蜂窝状活性炭吸附实现空气净化的目标。在活性炭吸附饱和后，再通过热空气脱附使得活性炭再生，脱附得到的浓缩有机物被送到催化燃烧床进行催化燃烧，内部的有机物质被氧化成为无害的CO2以及H2O。燃烧后的热废气通过热交换器加热冷空气，热交换后降温气体部分排放，部分用于蜂窝状活性炭的脱附再生，实现节能的目标。整套设备含有预滤器、吸附床、催化燃烧床和风机等设备。

　　相比其他有机废气处理方法，该方法是一种综合处理模式，汲取了其他模式的优势，技术较为成熟可靠，对于处理大风量、低浓度的有机废气具有较大优势，在催化燃烧的作用下，净化效果可以达到最佳。

　　2处理工艺设计

　　2.1预处理

　　对于有机废气，人们应首先开展水喷淋，去除废气内部的杂尘、可溶性有机物。喷淋后，气体内部具有大量水分和少量粉尘，为避免水分与粉尘影响活性炭吸附床的有效运行，人们需要在处理时利用高效率的过滤器进行过滤。

　　2.2吸附操作

　　经过预处理的有机废气，在风机的作用下引入吸附床，将其均匀地分布在活性炭表面。依据分子间的范德华力，活性炭会将有机废气吸附在表面，这一过程耗时较少，但时间越长，吸附越彻底。二者之间没有现较大的化学反应，而有机废气却达到较高的净化效果。经过净化后的洁净废气可以达到相关大气污染物的排放标准，在风机的作用下，其可以达到15m高排气筒的排放标准。每套废气净化处理系统含有个级别的吸附床，两套用来吸附，一套用来脱附，三套设备可以实现轮流操作。

　　2.3脱附与催化燃烧

　　具体的反应方程式为：

　　在活性炭吸附到饱和程度后，切换到脱附床，脱附需要外加的热量，加热装置安装在催化氧化床内部，开启后同时预热催化剂。催化氧化床达到设定的温度后，将热空气引入脱附床内部，有机废气在加热的作用下从活性炭表面全部解析出来。

　　高浓度的有机废气在外力的作用下进入氧化床中，通过金属铂的催化作用，被燃烧分解为H2O与CO2，废气通过这一操作得到净化。这一燃烧过程的特征为低温、快速以及无焰，并产生较大的热量，人们可以将活性炭再次回用到有机废气的脱附与燃烧氧化中，从而降低能源消耗。具体的反应过程如图1所示。

　　在有机废气浓度较大时，燃烧产生的热量过多会导致催化氧化床的温度较大，进而影响整个废气治理系统的安全性、为此，本文设计的系统含有冷空气补充装置，它可以引入新鲜空气来降低反应温度，从而保证系统操作的安全性。

　　2.4污水处理

　　水喷淋预处理之后，含有杂质与有机物的废水被引入喷漆车间的污水处理池内开展沉淀，去除大颗粒的杂物。含有有机物的废水呈现出弱酸性，为降低污水回用对设备的腐蚀，人们需要添加少量片碱，开展中和反应，调节其酸碱度。在经过较为彻底的净化后，废水可以循环利用，可以再次用于水喷淋预处理模块，污水处理单元基本没有污水外排现象。污水离心分析的产物以及沉淀产生的漆渣沉淀物作为危险废物，依据国家的相关危险废弃物的管理要求，应委托具有资质的危险废物处置单位开展安全处理操作。

　　本方案具有众多优势。首先，采用新型高效的活性炭，吸附床结构稳定、合理，吸附效果大幅度提升其次，通过金属铂开展催化燃烧，将有机废气分解为无毒无害的H2O与CO2，实现高效的彻底净化;再次，燃烧过程温度较低、安全，燃烧过程产生的热量可以循环使用，热量损失较少，能耗大幅度降低;最后，系统设备的设计安装采用多种措施来杜绝安全隐患，操作简单，便于后期的使用和管理。

　　3各个组成模块的操作方法

　　3.1漆雾过滤器

　　喷漆废气主要出现在工件涂抹的喷漆工作台，高压空气喷射的油漆很多停留在工件上，其他都随废气排，变成漆雾。这些漆雾粉尘含量较低，颗粒较小，绝大部分直径小于10mm。如果不处理会很快堵塞活性炭的微孔，使其失去原有的功能。因此，喷漆废气必须先进行粗过滤处理。

　　3.2吸附剂的选择与参数设定

　　活性炭具有比表面大、吸附能力强以及成本较低等优势，它是目前VOCs污染常见的吸附剂。粉末状态的活性炭更换不方便，活性炭纤维含有规则的微孑L结构，具有较大的吸附容量，同时容易脱落，成本较高。蜂窝状的活性炭风速高，阻力小，可以应用到大风量的低浓度废气吸附中。本文选择蜂窝状活性炭，吸附床的结构采用的为抽屉式的组装模式，便于使用时的填装与拆卸。

　　3.3催化燃烧设计

　　3.3.1换热器

　　换热器的结构较为复杂，为了降低生产成本，方便后续安装，本文采用结构较为简单的固定式管板式换热器，冷气体走壳体，热气体走管程。

　　3.3.2电加热室

　　在本方案中，加热室仅仅提供开机时预热气体需要的热量，苯催化燃烧后有大量的预热可以利用，因此需要的热功率较低，通过电加热即可，不需要天然气或液化石油气的额外加热。

　　3.3.3保温模块的处理

　　催化燃烧一体化设备内部的温度远远高于常温，需要增加保温处理避免对工作人员造成伤害。保温利用的保温棉采用的材料为硅酸铝纤维毡，依据燃烧室可能出现的最高温度400oC来设计，保温棉的厚度取值为64mm。

　　3.4阻火器的设计

　　阻火器是由许多细小通道或孑L隙组成的，当火焰进入这些细小通道后就形成许多细小的火焰流。由于通道或孔隙的传热面积很大，火焰通过通道壁进行热交换后，温度下降，到一定程度时火焰即熄灭。阻火器是用来阻止燃烧的气体或者是易燃性液体蒸发火焰蔓延的设备，在VOCs催化燃烧的反应器中，如果有火星的话会引发气体火焰出现进而促使整个管网燃烧，所以阻火器的作用较大。阻火器的壳体尺寸大小与流体阻力有直接关系，通常壳体直径为配合使用的管道直径的4倍左右，即D=4d。本文依据规范设计，利用明火开口端和闭口端进行点火，本方案采用无火燃烧方式，如果依据D=4d的话，阻火器会过大，依据实际的操作需求，本文设计的数据取值为D=2d，角度为60o。阻火器采用的为1mm不锈钢，管道直径为500mm×200mm，扩散的角度为60o，壳体前半部分的高度取值为250×sin60o=433mm。

　　附脱附RCO设备

　　RCO催化燃烧设备中活性炭多次再生脱附后性能变化分析

　　吸附条件：吸附温度20℃、气体浓度300mg/m³、气体流速0.83m/s、床层厚度100mm。

　　脱附条件：脱附温度为100℃、热空气的气体流速为0.14m/s，床层厚度为100mm。

　　对同一活性炭进行反复多次的吸附、脱附，分析其再生后吸附容量、比表面积、孔体积、平均孔径。结果列于表4-1。

　　根据表4-1可以得到，多次再生后活性炭吸附容量的变化如图4-16所示，多次再生后活性炭比表面积的变化如图4-17所示，多次再生后活性炭孔体积的变化如图4-18所示，多次再生后活性炭平均孔径的变化如图4-19所示。

　　随着再生次数的增加，活性炭再生后的吸附容量逐渐减小且减小的幅度逐渐变缓。表明多次再生后活性炭的再生性能逐渐变差。

　　随着再生次数的增加，活性炭再生后的比表面积逐渐减小且减小的幅度逐渐变缓。表明多次再生后活性炭的再生性能逐渐变差。

　　随着再生次数的增加，活性炭再生后的孔体积逐渐减小，且减小的幅度逐渐变缓。表明多次再生后活性炭的再生性能逐渐变差。

　　随着再生次数的增加，活性炭再生后的平均孔径逐渐增大且增大的幅度逐渐变缓。表明多次再生后活性炭的再生性能逐渐变差。

　　结论：

　　(1) 随着温度的上升，出口二甲苯浓度、脱附量、脱附率都会逐渐增加，但是当脱附温度达到一定值后，二甲苯浓度、脱附量、脱附率的变化很小。

　　在本次中，当温度到达100 ℃后，再升高温度并没有明显的涨幅。当脱附温度为80℃ 、90℃ 、100℃ 、110℃时，脱附再生时间分别为10h、 9h、7h、6.5h，因此在脱附过程中应选定一个合适的温度，使能量消耗、再生时间、脱附率三者达到一个最优平衡。对于苯，100℃是一个比较理想的脱附温度。

　　(2) 当气体流速为0.07m/s时，二甲苯的浓度曲线变化比较平缓，二甲苯浓度的最大值与平均值之间的差别较小。

　　当气体流速为0.14m/s、 0.21m/s、0.28m/s时，随着气体流速的上升，浓度高峰值也逐渐升高，并且达到高峰值的时间变短了，但是3个高峰值的差距很小。

　　在浓度高峰值以后，随着气体流速的上升，出口二甲苯浓度出现快速降低的现象。当气体流速为0.07m/s时，无论是脱附量还是脱附率，与其它几个气体流速相比有显著的差别，12h后仅有30%的脱附率。

　　当气体流速为0.14m/s 、0.21 m/s、0.28m/s时，脱附再生时间分别为7h、 6.5h、6h，脱附量和脱附率都随着气体流速的升高而增加，但增加幅度并不大，对于苯，0.14m/s是比较理想的气体流速。

　　(3) 随着床层厚度的增加，浓度高峰值逐渐升高，但浓度大小与床层厚度并不是成正比的。在不同床层厚度下，脱附时间超过11h后，出口二甲苯浓度基本相同。

　　当床层厚度为100mm、200mm、300mm、400mm时，脱附再生时间分别为7h、8h、10h、11h。随着床层厚度的增大，二甲苯的脱附量逐渐增加，脱附再生时间延长，但是脱附率反而降低。

　　因此为保证活性炭脱附时能具有较高的脱附率和较短的再生时间，可采取适当降低床层厚度的方法。对于苯，100mm是比较理想的床层厚度。

　　(4) 在不同脱附温度下再生后，活性炭的比表面积、孔体积、吸附容量有所减小，平均孔径有所增加，活性炭的再次吸附比率均小于1。

　　随着脱附温度的升高，比表面积、孔体积、吸附容量、再次吸附比率逐渐变大，平均孔径逐渐变小，表明高温下活性炭的再生性能更好。

　　(5) 随着再生次数的增加，活性炭再生后的吸附容量、比表面积、孔体积逐渐减小，且减小的幅度逐渐变缓。

　　随着再生次数的增加，活性炭再生后的平均孔径逐渐增大，且增大的幅度逐渐变缓。表明多次再生后活性炭的再生性能逐渐变差