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，為了延長活性炭的使用壽命，同時減少系統(tǒng)危廢產(chǎn)生量，可定期采用熱空氣對達到吸附設定值的活性炭進行原位熱吹掃脫附，并將脫附后的小風量高濃度VOCs廢氣引入催化燃燒系統(tǒng)進行催化反應，在無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行回收，一部分用于預熱脫附后的氣體，使其溫度達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，一般采用換熱器對脫附后需進入催化室的氣體進行預熱升溫，而熱脫附吹掃氣的加熱則采用熱風與冷風混合的模式進行，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-催化運行過程如下。 (1)脫附下來的高濃度VOCs廢氣，經(jīng)過GGH(Gas-Gas Heater)換熱器預熱，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)生無火焰燃燒，VOCs被分解為無毒無害的水和二氧化碳，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，對冷流通道內(nèi)的低溫廢氣進行預熱，同時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，設備也從脫附狀態(tài)切換為吸附狀態(tài)，重新對廢氣進行吸附凈化。可通過設計備用塔實現(xiàn)連續(xù)操作，即脫附時，啟動備用塔進行吸附。 “單換熱”模式工藝原理見圖1，在脫附過程中，通過控制調(diào)節(jié)閥與補冷閥開度來調(diào)整脫附溫度。當脫附溫度高于設定值時，減小調(diào)節(jié)閥的開度，讓更多的高溫空氣從直排閥排出，同時適當增大補冷閥開度，用以補充直排風量。
（2）“雙換熱”模式原理 與傳統(tǒng)“單換熱”模式不同，新開發(fā)的“雙換熱”工藝在近幾年也得到了應用。在“雙換熱”模式中，不僅脫附后需進入催化室的氣體采用換熱器進行預熱升溫，脫附吹掃氣同樣采用換熱器進行加熱，系統(tǒng)中兩組換熱器進行串聯(lián)，對余熱進行綜合利用，其工藝原理見圖2。
“雙換熱”模式運行原理與“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。 脫附氣通過脫附換熱器加熱到設定溫度后被送至活性炭固定床進行脫附操作，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置輔助電加熱用于熱量的補償，或在脫附換熱器設計時留出裕量，并通過控制補冷閥開度進行溫度的調(diào)節(jié)。 系統(tǒng)中可將被凈化的廢氣用于脫附氣與補冷氣的來源，即將進氣閥與補冷閥的入口接至主風機的出風主管。
二、雙換熱”工藝分析 “雙換熱”系統(tǒng)雖然增加了一臺換熱器，提高了設備造價成本，但也大幅提高了系統(tǒng)凈化的穩(wěn)定性與安全性。 （1）穩(wěn)定運行狀態(tài) “單換熱”模式中脫附氣來源大部分為催化后經(jīng)換熱降溫的氣體，該氣體經(jīng)活性炭進行脫附后，攜帶VOCs再次進入催化室進行氧化升溫。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。假設脫附氣風量為3000m3(標準)/h，脫附廢氣中甲苯平均濃度4g/m3(標準)，該系統(tǒng)每小時平均可產(chǎn)生9.4kg水。在“單換熱”模式中，VOCs分解產(chǎn)生的水汽無法得到有效排放，隨著脫附氣進入活性炭吸附塔。 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)的長期運行，坍塌的活性炭進一步被液滴侵蝕，出現(xiàn)貫穿孔，并逐漸擴大，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)的吸附凈化效率進一步降低。 同時，被侵蝕的活性炭呈塊狀或顆粒狀掉落在箱體底部的閥門上，影響閥門的啟閉與密封，熱脫附的高濃度VOCs廢氣將通過底部閥門直接泄漏到主排風管，活性炭吸附系統(tǒng)失去凈化廢氣的意義。 “雙換熱”系統(tǒng)中脫附進氣來自經(jīng)活性炭吸附凈化后的廢氣或直接來自干凈空氣，該氣體進入系統(tǒng)后自身溫度得到提高，即該氣體在系統(tǒng)內(nèi)的溫度永遠大于入口原始溫度，保證其在系統(tǒng)中無法冷凝液化。 同時，廢氣排放溫度控制在90℃以上，其飽和含水量0.556kg/m3(標準)，即每小時最大可攜帶水量為1668kg[3000m3(標準)/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，進而避免了冷凝液滴對活性炭的侵蝕。 “雙換熱”系統(tǒng)不僅能避免冷凝液滴對活性炭的侵蝕，也能避免液體在活性炭吸附塔中的積聚，當吸附塔脫附結(jié)束切換到吸附狀態(tài)時，減少了活性炭吸附VOCs時水蒸氣競爭吸附對凈化效率的影響，并能有效地減緩設備腐蝕，增加系統(tǒng)本體使用壽命，維持系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。 （2）主動安全調(diào)控 由于廢氣中VOCs物質(zhì)的種類較多，性質(zhì)各不相同，在活性炭吸附塔中可通過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，過高的脫附溫度可使活性炭發(fā)生陰燃。相關(guān)標準法規(guī)中對脫附溫度上限提出了明確要求，如《吸附法工業(yè)有機廢氣治理工程技術(shù)規(guī)范》(HJ 2026-2013)就要求“當使用熱空氣再生時，對于活性炭和活性炭纖維吸附劑，熱氣流溫度應低于120℃”。 對活性炭固定床的脫附溫度控制至關(guān)重要，溫度過高將導致安全事故，溫度過低又不足以脫附完全，影響下一個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動態(tài)過程，導致脫附產(chǎn)出的VOCs濃度也在波動，能利用的余熱也隨之波動。 脫附出口氣體中的VOCs濃度波動，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，進而又對脫附入口氣體溫度產(chǎn)生一定影響。雖然在“單換熱”“雙換熱”中皆有冷風閥對脫附溫度進行調(diào)控，但此被動安全調(diào)控對系統(tǒng)控制精度要求較高，不僅需保證溫度傳感器、冷風閥門執(zhí)行器、中控系統(tǒng)等皆無異常，還需給系統(tǒng)留有足夠的響應時間。 “單換熱”模式對被動安全調(diào)控系統(tǒng)過于依賴，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)不僅具備被動安全調(diào)控，其本身設計也可實現(xiàn)主動安全調(diào)控，即在被動安全調(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，如增加了設備占地面積，延長了系統(tǒng)啟動預熱與停機降溫時間等，一定程度上增加了能源的消耗。不過經(jīng)工程設計人員與科研工作者的不懈努力，相信在不久的將來這些問題都將被逐一解決。
