处理规模为10000m3/h的VOCs沸石浓缩转轮工艺流程设计

论文总字数：17007字

目 录

第一章 绪论 1

1.1 前言 1

1.2 VOCs介绍 1

1.2.1 VOCs的来源 1

1.2.2 VOCs的危害 1

1.2.3 VOCs的治理 2

1.2.4 VOCs处理难点 3

1.3 沸石转轮技术概述及现状 3

第二章 沸石浓缩转轮工艺流程 4

2.1 转轮结构特 4

2.2 工艺原理及流程 4

2.3 转轮图解 5

2.4 工艺优点 5

2.5 沸石转轮组合案例 6

2.6 设计参数 6

第三章 沸石转轮工艺设计 7

3.1 转轮设计 7

3.1.1 沸石转轮选型 7

3.1.2 转轮分子筛设计 7

3.2 前置处理设备设计 9

3.3 吸附剂选择 9

3.3.1 活性炭吸附剂 9

3.3.2 疏水性沸石吸附剂 10

3.4 沸石分子筛用量计算 11

3.5 解吸附计算 12

3.6 管道设计 12

3.6.1 管道材料 12

3.6.2 管道直径 12

3.6.3 布置原则 13

3.7 排气筒 13

3.7.1 排气筒材料 13

3.7.2 排气筒口直径 13

3.7.3 排气筒要求 13

3.8 风机 13

第四章 主要参数影响 14

4.1 转轮转速 14

4.2 浓缩倍率 14

4.3 脱附温度 14

4.4 进气流速 14

第五章 浓缩废气处理装置 15

5.1 燃烧法类别 15

5.2 蓄热催化燃烧装置组成 15

5.3 工艺流程 16

5.4 设备选型 16

第六章 总结 17

参考文献 18

致谢 20

VOCs处理规模为10000m³/h的沸石浓缩转轮工艺流程设计

任超

Abstract:The process of zeolite rotor was designed to treat VOCs with a scale of 10000m³/h in this article ,and the process was constituted of zeolite rotor and RTO.The article designed the zeolite rotor,which included the type of the rotor,the selection of zeolite molecular sieves and the selection of adsorbents.After that,the article analyzed the main influence parameters(rotor speed, concentration rate, desorption temperature and inlet velocity) of the zeolite rotor.At last,the article designed the decontamination plant.After comparing the advantages of catalytic combustion,RTO and RCO,the article finally chose RCO to treat the concentrated exhaust gas,and selected the corresponding type according to the gas flow rate.

Key words:zeolite rotor；process planning；VOCs；RTO

第一章 绪论

1.1 前言

现阶段，我国工业化水平不断推进，各类工厂逐渐增多，大气污染问题日渐突出，雾霾等重度污染天气更是频繁发生，而如何消减引发雾霾等污染天气的VOCs，则是当下社会各界人士广泛关注的问题^[1]。

根据联合国世界卫生组织(WHO)的定义，挥发性有机物（VOCs）是以蒸气形式存在于空气中的一类有机化合物，即在常温下VOCs的饱和蒸气压大于71Pa，常压下VOCs沸点低于260℃。此外，不同国家和地区组织皆有对其不同的定义。

近年来研究发现表明，VOCs的大量排放与PM_2.5的产生有着直接的联系，它可以作为PM_2.5的前驱物质而存在。VOCs在光照条件下，能够与SO₂、NO_x生成的硫酸盐及硝酸盐发生一系列光化学反应，形成以PM_2.5为主的霾。而当大气湿度超过90%且温度较低时，就会形成雾，进而产生雾霾。这也就造成了在我国经济较发达地区，臭氧以及PM_2.5所代表的细粒子污染逐渐发展成空气污染的首要因素。因此，控制VOCs排放量是推动我国环境空气质量持续改善和保护人民身体健康急需要开展的工作^[2]。

1.2 VOCs介绍

1.2.1 VOCs的来源

VOCs按其化学结构的不同，可以分为八类，其中包括烷类、烯类、芳香烃类、酯类等。而VOCs的主要成分一般有烃类、卤代烃、氮烃、氧烃等，它包括苯系物、有机氯化物、氟利昂系列等^[3,4]。

工业生产中，VOCs的产生主要来源于石油化工、涂料生产及使用、印刷生产、电子制造等化工生产过程,而且随着工业进程的不断推进，涉及到有机产品的应用也在不断增加, VOCs的排放量也相应的与日剧增,且逐渐表现出涉及范围广、种类多、排放量大、毒性强等特点^[3]。室内装修中，VOCs的产生主要来源于油漆、涂料和胶黏剂^[5]。

1.2.2 VOCs的危害

对于大气环境，VOCs活性总体而言相对较强，因此它们能够在大气中以一次挥发物的气态形态存在。同时，VOCs也可以在紫外线的照射下，在PM₁₀颗粒物中发生指向难以确认的反应变化，生成为固态、液态或二者并存的二次颗粒物状态，且能随天气变化扩散或进入水体与土壤中，进而对环境造成更大的污染。此外，其反应产也物是细颗粒物重要组成部分^[6]，因其造成的光化学烟雾、O₃浓度上升、灰霾天气频率增加等严重的环境污染问题也是其带来的严重危害。为此，我国已于2010年将其列入需重点防控的大气污染物。

对于人体健康，VOCs主要刺激人类眼睛和呼吸道，它们可以使人出现皮肤过敏，头痛、咽痛以及全身乏力等症状。且多数已被人了解的VOCs具有神经毒性、肾脏和肝脏毒性以及致癌作用，与此同时也能够损害血液成分和心血管系统，引起肠胃道紊乱，诱发免疫系统、内分泌系统及造血系统疾病，造成人体新陈代谢缺陷^[7,8]。而当室内VOCs浓度超过一定限度时，人们在短时间内就会感到头痛、恶心、呕吐、四肢乏力等不良症状，严重时甚至引发抽搐、昏迷、记忆力减退等恶性后果。就引发病症而言，VOCs可诱发白血病、哮喘、肺疾病、过敏性疾病、空调综合症、多重化学物敏感症(MCS)、不良建筑物综合症(SBS)等病症^[9]。而且国外医学研究也表明，生活在VOCs污染浓度较高环境中的孕妇，胎儿畸形的概率远远高于一般孕妇，这对孩子以后的智力发育也有一定概率造成影响。诸多存在的危害引起了各国对VOCs的重视，对其在建筑中的浓度限值都做出来相应的规定。对于房屋内VOCs的浓度应限制在何种范围之内，我国在《民用建筑室内环境污染控制规范》中也都进行了相关规定：Ⅰ类民用建筑工程TVOC最高不超过0.5mg/m³，Ⅱ类民用建筑工程TVOC最高不超过0.6mg/m³。

1.2.3 VOCs的治理

VOCs处理技术分就总体而言可分为回收技术和消除技术两种。回收技术主要包括吸收法、冷凝法、吸附法、膜分离技术等^[6]。其中，应用最广泛的、技术最成熟的是吸附法。吸附法是一种通过多孔固体吸附剂来处理流体混合物，使混合流体中所含的一种或多种组分浓缩于固体吸附剂表面，以此使这一部分组分与流体混合物中其它组分分离的技术。吸附法有着以下优点：基于吸附剂的选择性高；吸附效率高；不会产生对环境的二次污染；设备简单；操作便捷；自动化程度高。但吸附法因吸附容量有上限，不适用于处理浓度较高的有机废气，而且存在用于回收的溶剂难以利用，容易造成对环境的二次污染等缺点^[10]。

消除技术主要包括燃烧法、低温等离子体技术、光催化氧化技术、生物处理技术等的VOCs处理技术^[11,12,13]等。其中，燃烧法因其便捷，高效等特性应用最为普遍，它又包括直接燃烧、热力燃烧、蓄热燃烧（RTO）、催化燃烧、蓄热催化燃烧（RCO）等。燃烧法是通过燃烧废气中有机物来去除VOCs使其变为无害物质的一类VOCs处理技术。但是其燃烧后的产物即反应后的催化剂往往要经过二次处理，且不适合处理含硫、氮及卤化物的废气，此外废气VOCs浓度过低也会增加燃烧成本。因此，现在在使用燃烧法时通常搭配吸附法，这也是近年来出现的吸附浓缩-催化燃烧的一体化技术^[14]。

沸石浓缩转轮技术是吸附法中的一种，借助于转轮中的沸石分子筛能够高效地吸附VOCs，它虽然于上个世纪六十年代诞生，但限制于技术大多掌握在外国，国内技术并不完善的原因，虽在国外大规模使用，但国内却是在近几年才刚刚兴起^[15,23]。

1.2.4 VOCs处理难点

1.治理对象繁多：VOCs现阶段已查明的有上千种之多，对人类造成影响的也有200多种，想要治理数量繁多的VOCs，难度颇大。

2.治理成分混杂：工厂大多是多种VOCs混合排放，对此需要对VOCs进行综合治理，中小型企业难以处理。

3.中小型企业量多：中小型企业技术力量薄弱，无分析手段，资金成本方面也需要考虑，多种方面影响导致中小型企业趋向于不经处理便排放。

4.政策法规不完善：VOCs治理需要涉及大量的技术途径和工艺路线，有较强的科学性，需要的技术导则和工业规范必须完备，而我国现阶段相关法律法规建设与实际需求想去甚远。对于超标排放厂家惩处的法规也是近年来才开始重视，相对国外而言并不完善。

1.3 沸石转轮技术概述及现状

沸石转轮的概念最初由瑞典人CarlMunters提出，他将吸附材料做成具有蜂窝状结构的转轮并将其应用于分离，且在1986年率先用于VOCs废气处理。在此之后，日本株式会社西部技研公司将加工成波纹形和平板形得陶瓷纤维纸卷成具有蜂窝状结构的转轮，再将疏水性沸石涂覆在蜂窝状转轮中各通道表面将其做成吸附转轮，应用于VOCs废气处理并取得成功。

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