催化燃烧法处理喷漆有机废气的应用研究

2022-07-08梁晓磊马爽爽梁丽红

黑龙江科学 2022年12期

梁晓磊，马爽爽，梁丽红

(1.烟台云沣生态环境产业发展股份有限公司，山东烟台 264006；2.烟台市环保工程咨询设计院有限公司，山东烟台 264010)

1 催化燃烧法处理喷漆有机废气流程

过滤。收集有机废气时不可避免地混入一些漆雾。从微观层面上看，漆雾由直径为1～10 nm的颗粒组成，如果直接进行吸附，会造成活性炭微孔被大量堵塞，导致活性炭的吸附功能失效，因此在收集喷漆有机废气时，必须在进风口后方安装喷雾过滤器，过滤掉包括漆雾颗粒在内的粉尘微粒。

吸附。在有机废气浓度较低情况下进行催化燃烧，不仅会造成能源浪费，还会因为燃烧不充分导致有机废气净化效果不理想，因此在开始催化燃烧前要经过“吸附-脱附”工序，使有机废气浓度进一步提升。活性炭是比较常用吸附材料，根据其形状不同可分成蜂窝状活性炭、粉末状活性炭等类型。蜂窝状活性炭更换方便，价格较低，吸附容量大，是比较理想的选择，将若干活性炭依次摆放到吸附床上可增强吸附能力。

催化燃烧。催化剂由两部分组成，以金属钯为主，用陶瓷填料作为催化剂载体，经过吸附-脱附预处理后的喷漆有机废气，从位于催化燃烧一体化装置下方的旋转四通阀进入到装置中，对陶瓷材料进行预热，达到预设的催化燃烧温度(通常在200℃～250℃)，在检测到填充层陶瓷材料温度达标后自动打开阀门，送入有机废气。高温环境下，催化剂钯和有机废气发生燃烧，在充分燃烧情况下得到二氧化碳和水两种产物。为保障催化燃烧顺利、安全地进行，还需用到以下材料，即保温材料。当满足催化燃烧温度在200℃时，有机物燃烧会释放出大量的热，温度通常能达到400℃以上。基于安全考虑，要在催化燃烧装置外部加装由碳酸铝纤维材料制作的保温棉，厚度不低于50 mm。催化燃烧时，由于喷漆有机废气具有较强的挥发性，可能会有部分气体泄漏进入到管网中，如果在管网中燃烧会严重损坏设备，因此需要安装阻火器。

2 影响催化燃烧性能的因素

2.1 进气浓度

理论上来说，进气浓度越高，则有机废气中VOCs的燃烧越充分，净化效果越理想。但在实际中，提高进气浓度意味着必须增加吸附能力。如将蜂窝状活性炭替换为粉末状活性炭或活性炭纤维，相应的吸附成本也会上升。为选择合适的吸附材料，降低技术成本，以有机废气中的非甲烷总烃作为研究对象，各参数设置如下：进气风量2 400 m3/h，空速10 000 h-1，催化温度240℃。测得非甲烷总体去除率随进气浓度变化的关系曲线如图1所示。

图1 不同进气浓度下非甲烷总烃去除率变化曲线Fig.1 Variation curve of non-methane total hydrocarbon removal rate in different air intake concentrations

结合图1可知，进气浓度在150～220 mg/L。随着进气浓度的升高，非甲烷总烃的去除率也相应提升。在进气浓度为220 mg/L时，去除率达到94.5%。之后，随着进气浓度的继续增加，非甲烷总烃去除率基本不变，在进气浓度达到300 mg/L时，去除率达到99.1 mg/L。由此可见，进气浓度控制在220 mg/L，能够以较小的吸附压力取得理想的催化燃烧效果。

2.2 催化温度

选择金属钯作为高效催化剂时，催化温度通常设置在200℃～250℃。催化温度太低，会影响金属钯的活性，催化性能达不到最大值，影响有机废气的催化燃烧效果。相反，如果催化温度过高，则会过快消耗催化剂。金属钯是一种贵重金属，如果过量消耗会导致技术成本增加，因此在利用催化燃烧法治理有机废气时，选择合适的催化温度至关重要。实验中，设置参数如下：进气风量m3/h，空速10 000 h-1，进气浓度220 mg/L。测得非甲烷总烃去除率随催化温度的变化曲线如图2所示。

图2 不同催化温度下非甲烷总烃去除率变化曲线Fig.2 Change curve of non-methane total hydrocarbon removal rate in different catalytic temperatures

结合图2可知，在催化温度低于240℃时，随着催化温度的上升，非甲烷总烃的去除率随之增加，在240℃时达到97.3%。之后，随着催化温度的继续升高，直到360℃时，去除率几乎不变。继续升温发现，非甲烷总烃的去除率开始下降，分析原因可能是与钯催化剂消耗过快、催化效率下降有关。由此可见，将催化温度设置在240℃，能够在取得较为理想的治理效果的同时，最大程度上降低能源消耗。

2.3 空速

空速是影响催化燃烧效率的重要因素。空速大，将导致吸附装置对空气中有机废气的吸附、浓缩效果变差，容易发生催化燃烧不充分的情况。相反，如果一味降低空速，会导致催化燃烧一体化装置对有机废气的处理效率变慢。因此，设定合适的空速是决定催化燃烧法实际应用效果的关键因素。设定实验参数如下：进气风量2 400 m3/h，进气浓度220 mg/L，催化温度240℃。测得非甲烷总烃去除率随空速的变化曲线如图3所示。

图3 不同空速下非甲烷总烃去除率的变化曲线Fig.3 Variation curves of non-methane total hydrocarbonremoval rates in different space speeds

结合图3可知，空速在10 000 h-1时，非甲烷总烃的去除率最大，达到了99.4%。空速从10 000 h-1增加到25 000 h-1时，虽然去除率有所下降，但是并不明显。从25 000～50 000 h-1，随着空速的增加，非甲烷总烃去除率也出现明显降低。因此，应用催化燃烧技术时，将空速设定在10 000 h-1比较合适。