沸石转轮浓缩焚化腐蚀性技术在VOCs治理方面的研究与应用

2022-09-12

一、引言

我的制造业十分发达,作为一个制造业大国,每年的VOCs排放量都稳居世界第一,据相应的数据统计,每年的废气排放中,VOCs的排放量要远远超过二氧化硫、氮氧化物和粉尘的排放量,总的排放量已经达到了2000万吨。所以要想维护好大气环境,控制VOCs的排放量至关重要。

我国已经意识到治理VOCs的重要性,因此近些年来出台的政策如:《大气污染防治法》《大气污染防治行动计划》、《挥发性有机物(VOCs)污染防治技术政策》,都在有意识的控制VOCs的排放量以及提出一些相应的治理方法,业内人士经过专业数据的分析后推测,后期我国将会继续出台一些与之配套的政策,这些政策的重点主要放在治理标准、重点行业整治方案、排污费征收等不同方面,我国的治理工程市场,也将会因为这些政策的出台和兑现,呈现出千亿的市场扩张,而其中VOCs的治理,作用将十分明显。

(一)什么是沸石

沸石(zeolite)是一种天然性的矿石,主要结构是晶体结构。天然的沸石中含有钠、钙、钾、钡、含水铝硅酸盐等成分,具有较强的吸水性。该天然矿石是1756年被发现的,因为矿物学家克朗斯提(Cronstedt瑞典)观察到该矿石在燃烧的时候会有沸腾的现象,所以将该天然矿石命名为“沸石”(瑞典文zeolit)。

(二)沸石分子结构

瑞典人Carl Munters在发现“沸石”的基础上,提出利用改矿石的蜂窝状结构的转轮应用到分离的过程当中,取得了成功之后申请了该项技术的专利,申请的年份为1974年。1986年,瑞典的Munters公司首次利用具有吸附性的蜂窝状沸石转轮用到VOCs的废气处理上。1988年,日本的株式会社西部技研公司为进行VOCs净化处理,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。

二、沸石转轮及RTO燃烧炉介绍

(一)沸石分子筛

所谓沸石分子筛,就是沸石转轮的吸附剂,没有这个,沸石转轮将对VOCs没有任何的处理效果。而沸石分子筛属于一种结晶铝硅酸金属盐的水合物,化学通式为:Mx/m[(Al O2)x·(Si O2)y]·z H2O。其中M代表阳离子,m表示其价态数,z表示水合数,x和y是整数,改结构被活化后,里头的水分子会消失,剩下的成分就会自动形成笼形结构,孔径为3~10Å。一般情况下,分子筛晶体中都会有很多大小不一的空穴,不同空穴之间会有直径相同的“孔”也称为“窗口”相连。

因为分子筛的空穴可以吸附比其孔径小的分子,而比其孔径大的分子就会被其排除在外,这就起到了筛分分子的作用,并因此得名分子筛。

对比于其他的分子来说,分子筛具有两个较为显著的特点:第一,表面的路易斯中心极性很强;第二,沸石的笼或通道尺寸都偏小,所以其引力场都偏强。

其主要表现有两种形式,如下图:

(二)RTO燃烧塔

迄今为止,RTO在VOCs净化中的应用已有30多年的历史,可以说技术成熟、应用普遍。究其原因是因为RTO的众多优势之处,例如:

A.几乎可以处理所有含有VOCs的废气

B.可以处理大风量、低浓度的VOCs

C.处理VOCs的流量弹性很大

D.可以适应废气中VOC的组成和浓度的变化、波动

E.对废气中夹带少量粉尘、颗粒物不敏感

F.在合适的废气浓度条件下(一般>2--3g/m,视VOCs的热值而定)无需添加辅助燃料而实现自供热操作

A.净化效率高(三室>99%,两室95%--98%)

B.整个装置压损小、维护简单、寿命长

优点多少都是相对的,关键是RTO净化VOCs虽不是一劳永逸,但是根据实际调查发现,在生产管理、操作、维护等方面麻烦事情确实很少[2]。

三、沸石转轮浓缩焚化腐蚀性技术介绍

该项技术的基本逻辑构思是:利用沸石的分子筛特性,把低浓度高风量工业废气当中的VOCs进行分离以及浓缩,而后对这些筛选出来的含有大量的VOCs的高浓度、小风量的空气,用燃烧的方式去进行净化处理。具有吸附性能是沸石的一个非常优越的特性,正因为这个特性,沸石转轮就可以分装到吸附、脱附、冷却等三个不同的区域当中,若是在马达的驱动控制下,能够以每小时3--8转的速度进行运转,就可以将这三个区域很好的与处理空气、冷却空气和再生空气的风道相连接,为了防止发生区域之间的串风和壳体之间的漏风,在分隔板、吸附轮、壳体等可能发生串风和漏风的地方都安装了耐高温、耐溶剂的氟橡胶密封材料。被污染的空间被鼓风机送入吸附轮,这些空气在通过吸附轮通道的时候,空气中含有的VOCs成分就会被吸附剂吸附,空气就此得到了净化,而后吸附轮进行回转操作,将已经吸附饱和的轮转送到脱附区进行高温接触处理,VOCs会随之脱附,进入到脱附空气,吸附轮也就干净了,也就是我们所谓的得到了再生。通过冷却操作之后就可以再次回到吸附区,这就是一系列的可再生且持续的吸附、脱附、冷却循环过程。在这一系列的过程中,脱附的空气仅为处理风量的1/10,脱附后空气的VOCs浓度为脱附之前的倍,所以脱附过程也称为VOCs的浓缩过程,浓缩成功之后空气就会通过脱附的烟道被送入RTO塔内进行焚化处理[3]。其工作流程(图3)如下。

沸石转轮利用分子筛的筛选特性来作为吸附剂使用,同时还兼具了耐高温、较高机械强度等性能,符合高频次的连续吸附要求,也符合高频次连续脱附的要求,所以很适合用来进行VOCs的空气净化。除此之外,其还能根据VOCs成分的不同,采用更加具有针对性的高效率沸石分子筛来做吸附剂,进而更加高效的治理VOCs,从而达到较为理想的治理效果。

通过实际考察和数据监测记录发现,沸石分子筛的吸附效率普遍能够达到95%以上,如下图(根据某IC厂使用沸石转轮浓缩焚化设备监测的数据)如(图4)所示。

通过该表可以清晰的看出,沸石分子筛对VOCs的浓度要求很低,其吸附效率基本不受废气源VOCs浓度的影响。

因此,针对目前芯片制造业、LCD面板业、半导体业,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。

摘要：我国是一个名副其实的制造业大国,所以每年的VOCs排放量都是排在世界第一的位置,国内的自然环境已经因此受到了严重的影响,治理VOCs的排放十分紧迫。本文主要论述的是:沸石转轮浓缩焚化腐蚀性技术可以有效的吸附VOCs,可以推进VOCs的排放治理,且存在着其独有的效果和优势。

关键词：VOCs,RTO,沸石分子筛,转轮