一、活性炭吸附+催化燃燒”系統(tǒng)介紹

活性炭吸附VOCs技術(shù)中，為了延長(zhǎng)活性炭的使用壽命，同時(shí)減少系統(tǒng)危廢產(chǎn)生量，可定期采用熱空氣對(duì)達(dá)到吸附設(shè)定值的活性炭進(jìn)行原位熱吹掃脫附，并將脫附后的小風(fēng)量高濃度VOCs廢氣引入催化燃燒系統(tǒng)進(jìn)行催化反應(yīng)，在無(wú)火焰的情況下分解為水和二氧化碳，并釋放大量熱量。

（1）“單換熱”模式原理

在該組合技術(shù)中，催化燃燒所釋放的熱量一般需進(jìn)行回收，一部分用于預(yù)熱脫附后的氣體，使其溫度達(dá)到催化劑的起燃溫度，另一部分用于加熱脫附吹掃氣。工程中，一般采用換熱器對(duì)脫附后需進(jìn)入催化室的氣體進(jìn)行預(yù)熱升溫，而熱脫附吹掃氣的加熱則采用熱風(fēng)與冷風(fēng)混合的模式進(jìn)行，即“活性炭吸附+催化燃燒”系統(tǒng)的“單換熱”模式。“單換熱”模式脫附-催化運(yùn)行過(guò)程如下。

(1)脫附下來(lái)的高濃度VOCs廢氣，經(jīng)過(guò)GGH(Gas-Gas Heater)換熱器預(yù)熱，并經(jīng)電加熱輔助升溫，將氣體溫度提高到催化劑的起燃溫度；

(2)在催化室內(nèi)，VOCs廢氣在催化劑表面發(fā)生無(wú)火焰燃燒，VOCs被分解為無(wú)毒無(wú)害的水和二氧化碳，并釋放大量熱量，氣體溫度得以提高；

(3)催化燃燒后的高溫氣體，流經(jīng)GGH熱流通道，對(duì)冷流通道內(nèi)的低溫廢氣進(jìn)行預(yù)熱，同時(shí)自身溫度也隨之降低；

(4)溫度降低后的氣體，大部分直接作為脫附氣體被送回至活性炭固定床用于脫附，少量從煙囪外排；

(5)活性炭固定床熱脫附后得以再生，設(shè)備也從脫附狀態(tài)切換為吸附狀態(tài)，重新對(duì)廢氣進(jìn)行吸附凈化。可通過(guò)設(shè)計(jì)備用塔實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作，即脫附時(shí)，啟動(dòng)備用塔進(jìn)行吸附。

“單換熱”模式工藝原理見(jiàn)圖1，在脫附過(guò)程中，通過(guò)控制調(diào)節(jié)閥與補(bǔ)冷閥開(kāi)度來(lái)調(diào)整脫附溫度。當(dāng)脫附溫度高于設(shè)定值時(shí)，減小調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，讓更多的高溫空氣從直排閥排出，同時(shí)適當(dāng)增大補(bǔ)冷閥開(kāi)度，用以補(bǔ)充直排風(fēng)量。

（2）“雙換熱”模式原理

與傳統(tǒng)“單換熱”模式不同，新開(kāi)發(fā)的“雙換熱”工藝在近幾年也得到了應(yīng)用。在“雙換熱”模式中，不僅脫附后需進(jìn)入催化室的氣體采用換熱器進(jìn)行預(yù)熱升溫，脫附吹掃氣同樣采用換熱器進(jìn)行加熱，系統(tǒng)中兩組換熱器進(jìn)行串聯(lián)，對(duì)余熱進(jìn)行綜合利用，其工藝原理見(jiàn)圖2。

“雙換熱”模式運(yùn)行原理與“單換熱”模式基本相似，僅脫附熱源提供方式與調(diào)溫控制邏輯稍有不同。

脫附氣通過(guò)脫附換熱器加熱到設(shè)定溫度后被送至活性炭固定床進(jìn)行脫附操作，為保證脫附氣能獲取足夠的熱量，可在脫附氣換熱器出口設(shè)置輔助電加熱用于熱量的補(bǔ)償，或在脫附換熱器設(shè)計(jì)時(shí)留出裕量，并通過(guò)控制補(bǔ)冷閥開(kāi)度進(jìn)行溫度的調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)中可將被凈化的廢氣用于脫附氣與補(bǔ)冷氣的來(lái)源，即將進(jìn)氣閥與補(bǔ)冷閥的入口接至主風(fēng)機(jī)的出風(fēng)主管。

二、雙換熱”工藝分析

“雙換熱”系統(tǒng)雖然增加了一臺(tái)換熱器，提高了設(shè)備造價(jià)成本，但也大幅提高了系統(tǒng)凈化的穩(wěn)定性與安全性。

（1）穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)

“單換熱”模式中脫附氣來(lái)源大部分為催化后經(jīng)換熱降溫的氣體，該氣體經(jīng)活性炭進(jìn)行脫附后，攜帶VOCs再次進(jìn)入催化室進(jìn)行氧化升溫。由于該氣體僅少量從煙囪外排，大部分氣體在系統(tǒng)內(nèi)持續(xù)循環(huán)，隨著系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行，循環(huán)氣體中水汽含量逐漸提高。

經(jīng)物料衡算，1g甲苯燃燒后可產(chǎn)生0.7826g水。假設(shè)脫附氣風(fēng)量為3000m3(標(biāo)準(zhǔn))/h，脫附廢氣中甲苯平均濃度4g/m3(標(biāo)準(zhǔn))，該系統(tǒng)每小時(shí)平均可產(chǎn)生9.4kg水。在“單換熱”模式中，VOCs分解產(chǎn)生的水汽無(wú)法得到有效排放，隨著脫附氣進(jìn)入活性炭吸附塔。

由于活性炭吸附塔金屬壁面溫度較低，水汽于金屬壁面冷凝液化，逐漸形成液滴。在重力作用下，液滴不斷滴落在活性炭表面，引起活性炭坍塌，造成活性炭孔道堵塞，吸附階段時(shí)活性炭表觀流速將提高，吸附凈化效率降低。隨著系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行，坍塌的活性炭進(jìn)一步被液滴侵蝕，出現(xiàn)貫穿孔，并逐漸擴(kuò)大，活性炭吸附床層出現(xiàn)短路現(xiàn)象，部分廢氣未經(jīng)吸附凈化直接排至煙囪，系統(tǒng)的吸附凈化效率進(jìn)一步降低。

同時(shí)，被侵蝕的活性炭呈塊狀或顆粒狀掉落在箱體底部的閥門(mén)上，影響閥門(mén)的啟閉與密封，熱脫附的高濃度VOCs廢氣將通過(guò)底部閥門(mén)直接泄漏到主排風(fēng)管，活性炭吸附系統(tǒng)失去凈化廢氣的意義。

“雙換熱”系統(tǒng)中脫附進(jìn)氣來(lái)自經(jīng)活性炭吸附凈化后的廢氣或直接來(lái)自干凈空氣，該氣體進(jìn)入系統(tǒng)后自身溫度得到提高，即該氣體在系統(tǒng)內(nèi)的溫度永遠(yuǎn)大于入口原始溫度，保證其在系統(tǒng)中無(wú)法冷凝液化。

同時(shí)，廢氣排放溫度控制在90℃以上，其飽和含水量0.556kg/m3(標(biāo)準(zhǔn))，即每小時(shí)最大可攜帶水量為1668kg[3000m3(標(biāo)準(zhǔn))/h]，能有效防止VOCs燃燒產(chǎn)生的水汽冷凝。并且，每次脫附-催化后的氣體全部排至煙囪，防止水汽在系統(tǒng)內(nèi)的積聚，進(jìn)而避免了冷凝液滴對(duì)活性炭的侵蝕。

“雙換熱”系統(tǒng)不僅能避免冷凝液滴對(duì)活性炭的侵蝕，也能避免液體在活性炭吸附塔中的積聚，當(dāng)吸附塔脫附結(jié)束切換到吸附狀態(tài)時(shí)，減少了活性炭吸附VOCs時(shí)水蒸氣競(jìng)爭(zhēng)吸附對(duì)凈化效率的影響，并能有效地減緩設(shè)備腐蝕，增加系統(tǒng)本體使用壽命，維持系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）主動(dòng)安全調(diào)控

由于廢氣中VOCs物質(zhì)的種類(lèi)較多，性質(zhì)各不相同，在活性炭吸附塔中可通過(guò)提升脫附氣體溫度在一定程度上提高脫附效果，減少活性炭的脫附殘留。

由于活性炭本身具有可燃性，過(guò)高的脫附溫度可使活性炭發(fā)生陰燃。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)中對(duì)脫附溫度上限提出了明確要求，如《吸附法工業(yè)有機(jī)廢氣治理工程技術(shù)規(guī)范》(HJ 2026-2013)就要求“當(dāng)使用熱空氣再生時(shí)，對(duì)于活性炭和活性炭纖維吸附劑，熱氣流溫度應(yīng)低于120℃”。

對(duì)活性炭固定床的脫附溫度控制至關(guān)重要，溫度過(guò)高將導(dǎo)致安全事故，溫度過(guò)低又不足以脫附完全，影響下一個(gè)周期的吸附凈化效果。但在“活性炭吸附+催化燃燒”系統(tǒng)中，無(wú)論是“單換熱”還是“雙換熱”模式，脫附的熱源皆依靠催化燃燒產(chǎn)生的余熱，但由于活性炭固定床的脫附是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，導(dǎo)致脫附產(chǎn)出的VOCs濃度也在波動(dòng)，能利用的余熱也隨之波動(dòng)。

脫附出口氣體中的VOCs濃度波動(dòng)，也就意味著該廢氣催化燃燒后產(chǎn)生的高溫氣溫度也隨之波動(dòng)，進(jìn)而又對(duì)脫附入口氣體溫度產(chǎn)生一定影響。雖然在“單換熱”“雙換熱”中皆有冷風(fēng)閥對(duì)脫附溫度進(jìn)行調(diào)控，但此被動(dòng)安全調(diào)控對(duì)系統(tǒng)控制精度要求較高，不僅需保證溫度傳感器、冷風(fēng)閥門(mén)執(zhí)行器、中控系統(tǒng)等皆無(wú)異常，還需給系統(tǒng)留有足夠的響應(yīng)時(shí)間。

“單換熱”模式對(duì)被動(dòng)安全調(diào)控系統(tǒng)過(guò)于依賴，倘若該系統(tǒng)出現(xiàn)故障，活性炭吸附塔的安全很難得到保障?！半p換熱”系統(tǒng)不僅具備被動(dòng)安全調(diào)控，其本身設(shè)計(jì)也可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)安全調(diào)控，即在被動(dòng)安全調(diào)控失效的情況下，也可在一定范圍內(nèi)保證系統(tǒng)的安全。

但“雙換熱”模式也有著自身的缺點(diǎn)，如增加了設(shè)備占地面積，延長(zhǎng)了系統(tǒng)啟動(dòng)預(yù)熱與停機(jī)降溫時(shí)間等，一定程度上增加了能源的消耗。不過(guò)經(jīng)工程設(shè)計(jì)人員與科研工作者的不懈努力，相信在不久的將來(lái)這些問(wèn)題都將被逐一解決。