【技术创新深度解析】常用 VOCs 治理技术：沸石转轮浓缩+催化燃烧技术处理VOCs

摘要

随着我国经济的快速发展，有机挥发性物质VOCs大量产生，近年来，挥发性有机物 (VOCs)已成为我国大气污染物的主要来源之一，这对人类的健康和生态系统的平衡造成了极大的威 胁，VOCs的末端治理工作引起了社会的广泛关注。

在现有单一末端治理技术基础上，对适合于大风量、低浓度VOCs的吸附浓缩-催化燃烧组合技术的原理、工艺流程、研究现状及发展前景进行了具体论述。

通过不同末端治理技术的对比，发现单一末端治理技术难以有效实现VOCs的减排控制，而 组合末端治理技术具有净化率高、投资成本少、能耗低、无二次污染等优势，已成为目前研究的热点。其中吸附浓缩-催化燃烧技术已经取得广泛应用，其他新兴组合技术还有待研究与创新。

本工作指出了我国VOCs末端治理技术存在的主要问题及今后的发展方向。

一.  VOCs简介

VOCs (volatile organic compounds),是指常温下饱和蒸汽压大于133. 32 Pa、常压下沸点在 50~260°C以下的有机化合物，或在常温常压下任何能挥发的有机固体或液体，是普遍存在且组 成复杂的一类有机污染物的统称。VOC按其化学结构，可以进一步分为：烷类、芳炷类、酯类、 醛类和其他等。目前已鉴定出的有300多种。最常见的有苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、三氯乙 烯、三氯甲烷、三氯乙烷、二异氤酸酯(TDI)、二异氤甲苯酯等。

VOCs对大气造成的危害主要有：

(1)部分具有毒性和致癌性，危害人体健康；

(2) VOCs 中的碳氢化合物与氮氧化合物在紫外线的作用下反应生成臭氧，可导致大气光化学烟雾事件发 生，危害人类健康和植物生长；

(3)参与大气中二次气溶胶的形成，二次气溶胶多为细颗粒, 不易沉降，能较氏时间滞留在大气屮，对光线的散射力较强，能显著降低大气能见度

目前我国大部分城市大气环境已呈现区域性霾污染、臭氧及酸雨等三大复合型污染特点，而 VOCs是极重要的助推剂之一。

二. VOCs常见处理技术

VOCs对环境的极大危害和对人体健康的严重威胁，引起了全世界的高度重视。VOCs的治 理在我国已是刻不容缓，目前VOCs的处理技术主要分为两大类:

(1)在源头上进行控制，具体是指在生产环节上防止或减少VOCs排放的措施，是治理有机 废气污染的最佳方法。但由于技术水平的限制，会不可避免地向环境中排放和泄漏不同浓度的有 机废气，实现难度较大。

(2)在生产末端控制并消除VOCs的治理方法，可分为回收技术和销毁技术两类。

回收技术：是采用物理方法将VOCs回收的非破坏性方法，主要有活性炭吸附法、冷凝法、膜处理法等。此类方法不仅能有效控制VOCs的排放，而且回收利用能够节约资源，带来经济效益，目前越来越 受到人们的关注。

销毁技术：即通过化学或生物反应过程使VOCs废气氧化分解为无毒或低毒物质的破坏性方法，主要技术有燃烧、光催化降解、等离子体技术、生物降解等。

上述VOCs废气处理技术是单一处理工艺，须根据VOCs废气排放的具体情况和要求，选择合适的工艺；因为VOCs种类繁多、成分复杂、性质各异，在很多情况下采用一种净化技术往往 难以达到治理要求，并且很不经济。利用不同单元治理技术的优势，采用组合治理工艺，既可以满足排放要求，又可以降低设备的运行费用。

最先被用于处理VOCs的技术是吸附法，其中最为常用且较为典型的是活性炭吸附，活性炭吸附法用于吸附处理卤代煙和苯系物等的技术在工业上已很常见。吸附法的主要原理是利用比表面积比较大的多孔材料作为吸附剂，当VOCs气体流经吸附剂时，由于吸附剂大的比表面积, VOCs分子被吸附剂截留于微孔内表面上，从而达到将气体净化的效果。沸石转轮+催化燃烧技术作为一种新型组合的、高效的VOCs吸附处理技术，在国外已得到广泛应用。

三. 沸石转轮+催化燃烧技术技术原理

1、 转轮吸附简介

转轮吸附是由转轮除湿技术演化而来，后由来自瑞典的Carl Munters提出可以把吸附材料做成蜂窝状，然后将转轮技术用于分离过程的想法。在1986年，瑞典Munters公司第一个将理论 变为现实，将沸石制成蜂窝状置于转轮中，来实现有机废气中VOCs的净化。1988年，日本西部技研公司在VOCs净化工程中采用了蜂窝状沸石转轮，并获得成功。沸石转轮技术已被大量用 于日本、美国、欧洲等国家低浓度大风量VOCs的治理中，而在我国的台湾地区也得到了很好的应用。由于国外转轮技术发展较早，因此技术较为先进，总体来说，沸石转轮的生产技术还掌握 在国外的企业手中。

转轮常用吸附剂：

(1)吸附剂种类

吸附材料是转轮技术的核心，常用的有活性炭和沸石分子筛两种。活性炭有丰富的微孔，较 大的比表面积，吸附能力强，速度快，被广泛用于转轮技术中。活性炭作为吸附剂处理废气时, 其吸附容量大，成本低，但是其孔道易堵塞，并且活性炭本身具有一定的可燃性，在脱附时易着火，会构成一定的安全隐患，不符合安全生产的要求，在实际的应用中会受到影响。

沸石分子筛是一种具有特定骨架结构的结晶铝硅酸金属盐的水合物材料，化学通式为：

[ (A102) x - (SiO2)y] - zH20o

其中M代表阳离子，m表示其价态数，z表示水合数，x 和万是整数，改结构被活化后，甲.头的水分了会消失，剰下的成分就会白动形成笼形结构，孔径为3~10Å。

沸石分子筛其选择吸附能力主要得力于规整的结构。沸石分子筛孔径排列规则，分布均匀，选择吸附性主要是因为不同沸石的孔径大小不同，一般情况下，只有分子动力学 直径小于分子筛孔径的分子才会被分子筛吸附。

不同类型的分子筛的骨架结构和孔径大小也存在较大的差异，而分子筛的骨架结构具有程度 范围内的可变性，因此一些分子动力学直径略大于孔径的分子也可以被其吸附，但是吸附速率和吸附容量会明显减小。

由于结构中具有阳离子，并且其骨架结构带负电荷，因此是分子筛自身带有极性。沸石分子筛的阳离子会产生强正电场，以此来吸引极性分子的负极中心，或者可极化的分子经沸石分子筛静电诱导后极化。

因此，沸石分子筛能够吸附极性较强或较易极化但动力学直径略大于其孔道尺寸的分子。由于分子筛具有特殊的孔道结构使其具有特殊的性能，于高温低压 的条件下也能够发挥其吸附能力。目前常被用来吸附的分子筛种类有13X, NaY,丝光沸石和 ZSM -5 等。

沸石转轮原理介绍

研究得出：若是将加工好的波纹形以及平板形陶瓷纤维纸采用无机粘合的方式做成蜂窝状的转轮，然后再将具有吸水性的沸石涂抹在这个转轮的通道上，该转轮就成为了吸附性转轮，经过实验证明，该吸附性转轮对于VOCs的净化处理十分有效。

沸石转轮浓缩区可分为处理区、再生区、冷却区三部分，浓缩转轮在各个区内连续运转。 VOCs有机废气通过前置过滤器过滤后，再通过浓缩转轮装置的处理区。

在处理区VOCs被吸附剂吸附去除，净化后的空气从浓缩转轮的处理区排出。吸附在浓缩转轮中的有机废气VOCs,在再生区经热风处理而被脱附、浓缩到5~15倍的程度。

浓缩转轮在冷却区被冷却，经过冷却区的 空气，加热后作为再生空气使用，达到净化节能的效果。沸石转轮结构如图所示。

催化燃烧过程

催化燃烧过程是在催化燃烧装置中进行的。有机废气先通过热交换器预热到200 - 400°C , 再进入燃烧室，通过催化剂床时，碳氢化合物的分子和混合气体中的氧分子分别被吸附在催化剂的表面而活化。由于表面吸附降低了反应的活化能，碳氢化合物与氧分子在较低的温度下迅速氧化，产生二氧化碳和水。

沸石转轮浓缩催化燃烧技术的基本构思

采用吸附分离法对低浓度、大风量工业废气中的VOCs进行分离浓缩，对浓缩后的高浓度、 小风量的污染空气釆用燃烧法进行分解净化，通称吸附分离浓缩+燃烧分解净化法。

具有蜂窝状结构的吸附转轮被安装在分隔成吸附、再生、冷却三个区的壳体中，在调速马达的驱动下以每小时3 ~8转的速度缓慢回转。

吸附、再生、冷却三个区分别与处理空气、冷却空气、再生空气风 道相连接。而且，为了防止各个区之间窜风及吸附转轮的圆周与壳体之间的空气泄漏，各个区的 分隔板与吸附转轮之间、吸附转轮的圆周与壳体之间均装有耐高温、耐溶剂的氟橡胶密封材料。

转轮吸附浓缩-催化燃烧工艺流程

1号风机带动含VOCs废气经过转轮a区域，a区域为吸附区，根据不同的目标物可在转轮 中填充不同的吸附材料。吸附了 VOCs的a区域随转轮转动来到b区域进行脱附。流经传热1的 高温气流将吸附于转轮上的VOCs脱附下来，并经过传热2达到起燃温度，随后进入催化燃烧室 进行催化氧化反应。由于转轮脱附之后又要进行吸附，所以在脱附区域旁边设冷却区域c,以空 气进行冷却，冷却之后的温空气经传热1变成脱附用热空气。催化燃烧反应之后的热气流将部分 热量传递给传热2、传热1后排至空气。

为了防止催化燃烧室温度过高，设置第三方冷却线路用于催化燃烧室的紧急降温。整个系统巾万个监控系统组成，PCI负责监控催化燃烧室、传热器的温度（其内部设电辅热装置以平衡温 度波动)，PC2负责风机控制，根据实际情况调节进气流量。PC2属于PC1的子级系统，当PC1 监测到温度波动超过允许范围时立刻将信息传递给PC2, PC2将收到的信息转成指令传递给各风机。

转轮吸附浓缩-催化燃烧工艺特点

(1)吸附区旁路内循环的建立。当废气经过吸附区吸附后不达标，进入旁路内循环，再次 进行吸附处理。此旁路内循环的基本思路为消灭现有污染再吸纳新的污染。

(2)冷却风旁路建立。在工况十分复杂的情况下，VOCs浓度有可能陡然升高，此时将部分 冷却风引入到吸附区以降低脱附风量，同时在传热2后补充新风，以维系进入催化反应器的风量 在预设范围以内。此旁路的基本思想是以新风对高浓度VOCs进行稀释，因而从效果上看，此法 也会延长治理时间。

四.  结语

针对目前芯片制造业、LCD面板业、半导体业，印刷业、涂装行业等多个工业生产领域。其固定的生产方式必须要用到大量的有机溶剂，用以作为清洗剂、光刻胶、剥离液、稀释剂等, 在这个过程中会产生大量的有机废气，这些有机废气都是大风量、低浓度的废气，所以要想高效的治理这一类的含有VOCs成分的废气，沸石转轮吸附浓缩法是现阶段最为有效的治理方式。

现在新型新型吸附剂正在开发当中，我国的转轮制作技术和密封技术也在不断的提高，转轮吸附技术的实用性和处理效果也将得到大幅度的提升，该项技术在未来的时间里将突破行业的壁垒，受到更加广泛的应用。