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保定市優環環??萍加邢薰?關于中小型企業VOCs廢氣治理措施現狀弊端及催化燃燒治理前景分析
保定市優環環??萍加邢薰?/font>
關于中小型企業VOCs廢氣治理措施現狀弊端及催化燃燒治理前景分析
目前我國中小型VOCs排放企業主要為以下幾個行業:
1. 小型機械配件加工企業,帶有噴漆環節或者噴塑環節。
2. 小型家具廠有噴漆工序。
3. 汽修廠噴漆或者汽車4S店噴漆。
4. 小規模塑料制品生產企業。
5. 小規模橡膠制品企業。
6. 中、小規模制鞋企業。等等
這些企業一般都具有以下幾個特點:
1.規模小,環保投資能力較差。
2.場地比較緊張,一般沒有專門為環保工程預留用地。
3.需要的風量較小,一般都在10000m3/h左右。
4.沒有專門的環保設備的管理和運行人員,且一般不具備環保工藝的效果辨別能力。
因為以上這些特點,這些企業目前在選擇VOCs治理設備的時候首先考慮的是成本而不是效果,大多數中小企業都選擇了光氧催化、低溫等離子、活性炭吸附的處理工藝,或者2個工藝串聯使用,且一般都選擇了廉價的設備供應商生產的設備。根據我公司對以上3種不同工藝的了解,結合目前多家企業的運行現狀和檢測數據情況,對這3種不同工藝設備的使用現狀做出如下分析:
一、 光氧催化工藝
現應用的光催化廢氣處理設備的技術是利用特種紫外線波段,在特種催化氧化劑的作用下,將氧氣催化生成負氧離子,再將廢氣分子氧化還原的一種特殊處理方式。國內運用的光催化氧化的治污設備,通常采用雙波長紫外光管,采用二氧化鈦材料作為催化劑,制造其的環保公司對設備的除污參數,基本上都會提到這類設備的除污效率達到80% 以上。實際上現市場的光催化氧化法處理設備采用的紫外光管降解VOCs 受催化材料、粉塵、反應時間、濕度、廢氣濃度等影響甚大,同時如無可控技術,會生成中間副產物并加大了污染排放。存在巨大環保責任風險。
實際情況是,現有的光氧催化設備生產廠家,根本不考慮粉塵、濕度和廢氣濃度的影響,直接按風量售賣其產品,完全不考慮廢氣種類、濃度、溫度、濕度,腐蝕性等等工況條件,根據大量檢測報告結果顯示,許多光氧設備廢氣進、出口濃度基本一致,完全沒有處理效率。甚至出口濃度比進口濃度還高!
(1)光催化材料的影響
光催化氧化技術的微觀反應原理是:當催化劑被一定光強的光照射時,根據半導體電子結構的特點,催化劑中會發生電子躍遷,即電子(e -) 會從充滿的價帶躍遷到空的導帶,從而留下氧化性極強的帶正電的空穴(h +)。若采用市面上的二氧化鈦(建材)材料,而不是銳鈦礦型(光觸媒介)二氧化鈦光觸媒(性價比等同碳與鉆石),完全沒有催化光解功效。
實際情況是,現有的光氧設備生產廠家許多都存在催化劑漏裝現象,或者其一塊催化劑板材僅需幾百元,可見根本不可能是“銳鈦礦型(光觸媒介)”,也就是說基本沒有催化效果。
(2)生成副產物
目前普遍研究認為光催化氧化法能夠將VOCs 完全降解生成無毒無害的CO2 和H2O等,但是在實際工程實踐中VOCs 的光催化氧化反應會生成酮、醛等中間產物,對環境造成二次污染。
UV 光解產生很多中間副產物,成分更復雜,可揮發性、可遷移性、毒性更高。在企業工廠的實際應用中,一定風量的VOCs 的光催化氧化反應會生成酮、醛等中間產物與臭氧,這些產物可能成分更復雜、毒性更大,對環境造成二次污染。部分使用企業因對設備不甚了解,購買了毫無效果的設備也不清楚。
(3)反應時間的影響
在企業工廠的實際應用中,會不斷的排放VOCs,因此VOCs 在通過光催化氧化法處理設備的時間很短,從而導致了降解率偏低,達不到應有的標準。
短時間內(1 秒鐘左右時間),單獨紫外光設備對VOCs 降解率很低。在單獨UV 光解技術應用中,即使延長反應時間,對VOCs 的降解率也在10% 以內(正如國內某知名紫外線燈管廠所介紹的,沒有在反應區留滯三秒以上,基本沒有效果),不但滿足不了工業治污應用,還產生很多副產物污染氣體。
實際情況是,市面上大量的光氧設備,按照其生產廠家提供的風量規格,其停留時間基本都小于1S,可見其降解效率很低。
(4)相對濕度影響
隨著濕度增大,在濕度50% 時,降解率升到一個極點。但隨著濕度增大,降解率又開始下降。所以光催化氧化法不是越干燥越好,也不是濕度越高就越好。UV 光生成的臭氧,需要與部分水汽反應生成氫氧自由基或負氧離子增強介質的反應活性才可能增大與VOCs 的反應幾率??傊?,單獨的紫外光解技術的弊端是,受催化劑、濕度、灰塵顆粒物的影響,紫外燈大部份能量用于產生臭氧,短時間光解VOCs 做不到徹底,反而產生更復雜的中間副產物,造成二次污染,此外,如果采用市面上的二氧化鈦材料,不是銳鈦礦型二氧化鈦光觸媒,完全沒有催化光解功效。
因此,我們可以分析出,在企業工廠實際生產中,催化氧化法處理設備對VOCs 的降解率比較低,經常出現出口濃度大于進口濃度的現象,而且還會產生多余的臭氧,存在造成環境的二次污染的風險。
但是,根據我們的經驗,盡管光氧催化法對于處理VOC廢氣技術條件比較苛刻,但是由于臭氧的強氧化性,對于處理H2S跟NH3這種還原性較強的臭氣,具有較好的處理效果。
二、 低溫等離子工藝
技術原理為:低溫等離子廢氣處理設備中的介質阻擋放電過程中,等離子體內部產生富含極高化學活性的粒子,如電子、離子、自由基和激發態分子等。VOCs 與這些具有較高能量的活性基團發生反應,部分會被裂解,最終轉化為二氧化碳和水等物質,從而達到凈化廢氣的目的。
國內生產的運用低溫等離子體技術的治污設備,制造環保公司對設備的除污參數,基本上都會提到這類設備的除污效率達到80%以上。例如低能量的等離子體設備可用于治理油煙機油煙污染,但是在實際處理工業VOCs過程中,這種低溫等離子體技術設備對VOCs的降解會生成副產物污染,VOCs 的易燃性令其安全性將備受關注。
實際情況是,許多生產企業產生的VOCs廢氣多伴有油性物質或者粘附性物質,長期不清理設備會導致等離子放電體被油污或者粘附性物質附著,導致放電異常并引燃附著物,引發火災,這種情況屢見不鮮。
(1)生成副產物
現在采用等離子體技術的處理VOCs 存在的問題是,等離子體對VOCs 是可以部分降解的,如對簡單的VOCs 烷烴類、胺類物質,可以部分降解,但是對有機污染物甚至空氣的激發是沒選擇性的,且在短短零點幾到1 秒內的時間對VOCs 的降解是不完全的,還會產生一氧化碳、臭氧與氮氧化物等污染氣體,生成的大量中間產物,可能揮發性、遷移性、毒性更強,危害更大。生產等離子體的廠家對原理剖析中,通常會指出臭氧能夠與VOCs 一起發生反應,生成無害的氣體。但是實際檢測結果表明,等離子體激發空氣生成大量臭氧,大部分的臭氧在處污設備中是沒有與VOCs 發生反應的。
(2)空氣氧濃度的影響
等離子體對VOCs 的降解受廢氣中氧濃度影響比較大,同等電壓下,廢氣中10% 的含氧量分別比0%含氧量和20%含氧量的降解率高。
但是在實際處理過程中,廢氣的含氧量很難做到10% 的最佳比例,導致了等離子體技術處理設備對VOCs 的降解率達不到最佳效率,甚至會因為含氧量過高或過低,導致對VOCs 的降解率只有理論值70% 以下,不但達不到治理VOCs 的標準,生成的副產物對大氣產生了更多污染。
(3)電壓條件的影響
不管廢氣中含氧量多少,增大等離子體的電壓,生成臭氧量都會增加。雖然電壓大,可以增大激發電弧的能量,從而加大對VOCs 的降解率,但是,同時電壓越大產生的臭氧量越大。
三、 活性炭吸附工藝
活性炭吸附法是一種穩定且有效的VOCs治理工藝,活性炭的選擇性吸附特性,使其對絕大多數的有機廢氣分子均具有較好的吸附效果。吸附效果受到以下幾個條件限制:
1.吸附劑的品質,也就是活性炭本身的品質,不同價位不同品質的活性炭其吸附飽和度,吸附效率均不相同。一般廉價的活性炭吸附設備選購的活性炭多為低孔隙率,低表面積,低飽和度的廉價產品。
2.吸附床的設計參數:通過吸附層的速度,在吸附層內的停留時間,吸附床的壓力損失。實際情況是大多數企業選用的活性炭吸附設備對以上參數均沒有根據企業的情況進行設計調整,全部一概而論,導致真實的處理效率不高。
3.廢氣的溫度和顆粒物含量:過高的溫度會使吸附效率大幅降低,過高的含塵量會是活性炭阻塞,失去吸附效果。
除了受到以上幾個條件限制外,活性炭吸附工藝還存在以下幾個弊端:
1.吸附容量有限,一般不超過自身質量的15%,當吸附飽和時則喪失了吸附能力,而更換活性炭會產生固體廢物甚至危險廢物,購買新活性炭又增加了運行成本。大多數企業不了解自身設備的活性炭更換周期,做不到即時更換,監管也比較困難。
2.吸附過程只是完成了污染物的轉移,將VOC分子從氣相轉移到了固相,VOCs分子并沒有分解,其總量并沒有減少!
根據對上述3種工藝的分析,結合現有大多數中小企業的使用現狀,基本可以做出如下總結:
現有中小企業大多因為環保投資能力不足,場地有限,選用了廉價的光氧催化設備和低溫等離子設備,這些設備多為未經設計的不合格產品,其停留時間大多不夠1秒,催化劑大多為無效產品,燈管的品質有待商榷,工況的運行條件也無法滿足理論最佳條件,導致處理效率低下或者沒有,甚至出現出口濃度大于進口濃度的現象,許多裝備了等離子設備的廠家因為維護不當甚至出現了起火現象。這些企業安裝了所謂的VOC 處理設備,但卻沒有任何處理效果,完全留于形式,整天消耗大量電力維持設備運行不但沒有使污染物減少,反而產生了大量臭氧和其他副產品,加重了大氣環境的負擔,是一種及其不合理的現象!
對于安裝活性炭吸附設備的企業,由于其追求廉價,致使吸附床設計不合理或者根本未經科學設計,活性炭質量不過關,短時間內就完全飽和,喪失吸附能力。
鑒于以上種種原因,本公司為中小型VOCs排放企業量身定制了一款催化燃燒工藝的處理設備—RCO一體化處理設備。ROC一體化設備屬于本公司的第三代產品,產品型號為YH-RCO-Ⅲ-100,其中第一代與第二代產品均為傳統分體式RCO設備,目前均已完成上市并有許多成功案例。本公司第四代產品已經列入研發計劃,第四代產品仍為一體化RCO設備,并與PID檢測設備完美結合,能實時監控排放濃度變化調節自身工況,同時實現排放濃度在線傳送與報警,實現處理、監測、聯網監控一體化,極大程度的方便了環保主管部門對排污企業的在線化管理。
RCO(Regenerative Catalytic Oxidation)催化燃燒技術是VOCs(揮發性有機化合物)治理技術,催化燃燒是用催化劑使廢氣中可燃物質在較低溫度下氧化分解的凈化方法。
催化燃燒是典型的氣——固相催化反應,其實質是活性氧參與的深度氧化作用。在催化燃燒過程中,催化劑的作用是降低活化能,同時催化劑表面具有吸附作用,使反應物分子富集于表面提高了反應速度,加快了反應的進行。借助催化劑可使有機廢氣在較低的起燃溫度條件下,發生無焰燃燒,并氧化分解為CO2和H20,同時放出大量熱能,從而達到去除廢氣中的有害物的方法。在將廢氣中的進行催化燃燒的過程中,廢氣經管道由風機送入熱交換器,將廢氣加熱到催化燃燒所需要的起燃溫度,再通過催化劑床層使之燃燒,由于催化劑的存在,催化燃燒的起常溫度約為280-320℃,大大低于直接燃燒法的燃燒溫度650-800℃因此能耗遠比直接燃燒法低。
本公司生產的所有RCO處理設備,都由以下幾部分構成:過濾箱、吸附床、燃燒爐、低溫管道、高溫管道、吸附風機、脫附風機、溫度傳感器、閥門及電動執行器和電控系統。
(1)過濾箱
我公司的過濾箱是整個RCO系統的前置保障系統,其作用是為了防止廢氣中的顆粒物和油性物質進入到后續系統中,造成吸附床和催化劑的阻塞,進入吸附床之前,廢氣中的顆粒物濃度需降低到10mg/m3以下。前置過濾器為兩級過濾,該二級過濾器箱G4級過濾板+F7級過濾袋。G4級過濾板,其容塵量大,使用周期長,多用于空氣初效過濾,采用抗斷裂的合成纖維,平均效率在90%以上。F7級高效過濾袋,采用合成新型無紡布組成,過濾效率高,容塵量大,阻力小,使用壽命長。
(2)吸附床
吸附床是RCO系統中的污染物濃度富集系統,當有機廢氣經過吸附床時,85%-95%以上的廢氣分子被吸附床中的活性炭吸附,經過凈化后的廢氣可以直接達標排放,在吸附風機的作用下吸附過程完成,在日常使用過程中,大部分時間均是靠吸附床的凈化作用令廢氣達標排放。
本公司設計的吸附床,采用雙層保溫結構,夾層之間填充高鋁硅酸鋁耐高溫防火保溫材料,可以有效減少內外熱量交換,保障吸附與脫附過程的低溫與溫度要求。采用高等級密封設計,有效減少廢氣的泄露。
床層內部采用多層抽屜式結構,方便吸附劑的更換,上下抽屜之間留有一定間隙,可以有效減少吸附床的阻力。吸附床內部結構經過多重優化,使氣流分布均勻,保證吸附劑的高效利用;同時使脫附過程床層內部熱量傳遞迅速,減少脫附時間。
吸附床內填裝優質蜂窩狀防水活性炭,吸附容量大,且可以實現50-100次的脫附再生,燃點高,可以耐受160度以上高溫而不起火,安全可靠。
(3) 燃燒爐
催化燃燒爐的作用是把從活性炭上脫附出來的有機氣體進行催化分解,分解為無毒的C02和H20,達到凈化氣體的目的,同時為活性炭的脫附再生過程提供熱空氣。
當吸附床中的活性炭吸附飽和之后,吸附過程就必須停止,進入脫附過程,此時,燃燒爐通過電加熱將空氣升溫,通過脫附風機和高溫管道將120攝氏度的熱風送入吸附床,在高溫下條件下活性炭之前吸附的大量污染物開始析出,并隨風進入燃燒爐在催化劑的作用下分解成C02和H20,并通過排氣筒排放。
本公司設計的催化燃燒爐采用爐芯、爐殼分開的雙層保溫結構,屬于中低溫度常壓爐,根據工作原理不同可以分為熱量交換區(GGS),電加熱區和催化反應區三個區域。
每一個區域我公司都經過了嚴格的熱量交換計算,保障整個脫附過程輔助熱能與反應熱能都有極高的利用率,最大程度的減少熱能供給和能源消耗。催化區域內填裝由杭州凱明公司提供的DMF與KMF型高效優質催化劑,工業應用轉化效率分別大于95%和92%。
(4) 低溫管道
吸附過程中廢氣流經的管道,呈矩形設計,采用3mm碳鋼制作,外殼噴漆防腐,閥門安裝處留有檢修口。
(5)高溫管道
脫附過程中廢氣流經的管道,采用雙層保溫結構,內層為螺旋鍍鋅風管,外層為304不銹鋼,中間填充5cm厚高鋁硅酸鋁保溫棉。
(6) 吸附風機
吸附過程提供動能的風機,采用引風設計,可變頻控制。
(7) 脫附風機
脫附過程提供動能的風機,采用鼓風設計,可通過進氣閥調節風量,采用耐高溫散熱電機,可以耐受200度以上高溫氣體。
(8) 溫度傳感器
為電控系統提供燃燒爐、吸附床、管道的溫度參數,以實現對催化氧化過程和脫附過程的控制。
(9) 閥門及電動執行器
自動完成脫附過程和吸附過程的切換。
(10)電控系統
本機電控系統自動化運行由PLC控制實現,操作界面簡單明了,可實現一鍵啟動和一鍵關停,所有基本參數本公司已經在出廠時設置完畢,并在現場調試期間進行完善。
通過現場調試期間,對電控系統的不同參數設置,可以根據不同企業的工況條件,廢氣濃度,廢氣種類,改變吸附床的運行工況,設置不同的脫附時間,脫附溫度與脫附頻率,做到不同企業,不同工況下對應不同的運行狀態,實現真正的“一廠一方案”。
本公司為廊坊某鋼構公司噴漆廢氣治理設計的4萬風量RCO分體式設備已經正常運轉1年時間,根據其驗收監測報告的數據顯示,吸附過程廢氣進口濃度為55.7-64.3mg/m3,出口濃度4.20-5.46mg/m3,吸附效率大于90%;脫附過程燃燒爐進口濃度為299-338mg/m3,出口濃度25.7-26.3 mg/m3,處理效率大于91.8%,運行一年后填裝的活性炭已經脫附了20多次,仍具有很好的吸附效率和吸附容量。
由此可見RCO處理工藝,具有很高的處理效率,同時運行穩定,是一種高效、可靠的有機廢氣處理方式。
傳統的ROC處理設備(本公司的第一代與第二代產品)盡管處理效率高,運行成本低,但是占地面積大,投資大,安裝過程復雜,調試周期長,出于以上種種原因,一般中小企業或沒有資金或沒有場地或沒有人員,往往不會選擇該設備。為克服以上缺陷,本公司設計了一款高度集成,小型化的RCO一體機(第三代產品YH-RCO-Ⅲ-100),如下圖所示:
RCO一體機正面照片
RCO一體機背面照片
本產品10000m3/h處理能力的外形規格:長3700mm,寬1750mm,高1956mm,外形規矩,呈長方體,大幅減少了設備占地。
該設備可以實現批量生產,大幅降低了生產成本,減少了企業投資。
在工廠內已經完成了對該設備絕大部分的安裝與調試工作,現場僅需安裝管道與風機,即可開機正常工作,省去了復雜的現場安裝過程與調試過程,投入運行的時間從15-30天縮短至1-2天。
該設備內置的電控系統與操作程序可以實現一鍵啟動與一鍵關閉功能,無需專業人員看護。其電控系統可以在現場調試期間根據不同企業的工況設置不同的運行參數,做到有針對性的一長一方案。
盡管ROC一體機外形尺寸大幅減小,但是它同樣包含了ROC系統中的所有內容,過濾箱、吸附床、燃燒爐、低溫管道、高溫管道、吸附風機、脫附風機、溫度傳感器、閥門及電動執行器和電控系統一應俱全!
經過對多種廢氣源(如油漆稀釋劑,印刷油墨稀釋劑等)的測試,該設備吸附過程處理效率大于90%,燃燒過程處理效率大于92%,綜合處理效率90%以上,且整個運行過程實現了吸附劑的重復利用與污染物的真實削減。
序號 |
工藝 |
優勢 |
現狀 |
缺點 |
風險 |
真實處理效率 |
10000風量設備物耗、能耗 |
1 |
光氧催化 |
廉價(如果按照科學的參數設計并不廉價)、占地小、安裝方便 |
運行條件苛刻,現有設備基本達不到理論設計條件。催化劑數量與品質不過關,燈管品質差,停留時間短 |
運行成本高,處理效率低或者沒有 |
臭氧產生二次污染 |
大部分為0-10%,甚至出現負值 |
濾網6個/年,燈管40根/年,用電11+6kw |
2 |
低溫等離子 |
廉價(如果按照科學的參數設計并不廉價)、占地小、安裝方便、運行成本低 |
運行條件苛刻,現有設備基本達不到理論設計條件。放電體易腐蝕和老化,高壓電源易算壞,停留時間短。 |
處理效率低 |
有起火風險,臭氧產生二次污染 |
同上 |
濾網6個/年,等離子體2個/年,用電量11+1.2kw |
3 |
活性炭 |
廉價(如果按照科學的參數設計并不廉價)、占地小、安裝方便、效率較高 |
吸附床未經設計,與企業工況不匹配,過濾風速大,停留時間短,阻力大,吸附容量小,更換頻率不確定 |
不能真實削減污染物,只是污染物轉移。 |
活性炭不更換導致喪失處理效率 |
因設計缺陷和吸附劑品質不過關,一般低于50% |
濾網6個/年,活性炭6立方/年,用電量11kw |
4 |
傳統RCO |
運行成本低,處理效率高且運行穩定 |
存在仿造的低端產品,未經嚴格設計而流于形式。造成吸附床效率低,脫附過程無法完成活性炭無法再生,催化劑品質不過關,或者燃燒爐設計缺陷導致燃燒過程處理效率低下,控制邏輯錯誤導致無法穩定運行 |
占地大,投資高,安裝調試負責且周期長,運行維護繁瑣 |
吸附劑起火,需配備消防系統如高壓氮氣滅火系統 |
綜合處理效率90%以上 |
濾袋16個/年,活性炭0.5立方/年,用電量11+0.75kw |
5 |
RCO一體機 |
價格大幅降低,占地大幅減少,安裝方便,運行成本低,處理效率高且運行穩定 |
市場推廣階段,優勢明顯,潛力巨大 |
與現有市場上廉價的光氧等離子設備相比價格更高 |
吸附劑起火,需配備消防系統如高壓氮氣滅火系統 |
綜合處理效率90%以上 |
濾袋16個/年,活性炭0.5立方/年,用電量11+0.75kw |
注:按每天運行8小時,11kw為風機用電量, RCO設備按加熱功率按45kw,一個月脫附一次,每次脫附4小時計。
基于上述事實,建議安裝了光氧催化,低溫等離子或者活性炭吸附等廉價環保設備的中小型VOC排放企業,盡快淘汰現有的有明顯設計缺陷的所謂治理設備,改用先進且穩定的催化燃燒(RCO)工藝。
催化燃燒是現階段代替光氧、低溫等離子等效率低下的有機廢氣治理措施的最佳方案,一體化設施能夠很好地解決占地面積需求大,投資高,運行費用高,治理效果低下等弊端,是今后的一個發展趨勢。
保定市優環環??萍加邢薰?/font>
2019.5.24
中小型企業主要VOC處理工藝與RCO一體機對比