科普 | 探究活性炭 催化燃烧在 VOCs 治理中的常见问题及对策

随着环保政策的趋严，涉 VOCs 排放的限制愈来愈严苛。文章首先介绍 VOCs 污染的危害性，探讨了介绍几种常规的 VOCs处理技术，归纳其使用特征，并详细剖析活性炭+催化燃烧组合工艺的原理及在涉VOCs废气处理中的运用优势。

一、VOCs污染来源及其危害

环境中VOCs拥有来源广，种类多的特征，国内监测出的VOCs已经有300多种，主要来自人类生产生活中，分布在建筑装饰，有机化工，石油石化，包装印刷，表面涂装等行业。

VOCs是四大大气污染物之一，属于形成PM2.5和光化学烟雾的重要因素，会损害人体神经系统，血液成分和心血管系统，对人体健康和社会影响极大。

二、常用的VOCs治理方法

VOCs污染如此严重，相应法规标准陆续出台，助推废气治理行业快速发展。各种含 VOCs 排放的废气处理技术得到运用，下面就介绍当前主要的治理技术：

1、UV高效光解净化法 

净化技术原理：利用高能UV紫外线的光能裂解和氧化有 机物质的分子链，改变物质结构的原理。

适应工况及净化效率：小风量，低浓度，不含粉尘的常温废气，正常情况净化效率为50%左右。

投资费用及运行费用：中高等投资，系统用电量大，运行维护成本较高。

2、等离子净化法 

净化技术原理：利用高压电极发射的等离子及电子，裂解和氧化有机物质分子结构。

适应工况及净化效率：小风量，低浓度及湿度，不含粉尘的干燥常温废气，正常情况净化效率为40%左右。

投资费用及运行费用：中高等投资，系统用电量大，运行维护成本较高。

3、活性炭吸附法 

净化技术原理：利用活性炭内部孔隙结构发达，比表面积大，对各种有机物具有高效吸附能力原理。

适应工况及净化效率：各种风量，低浓度及湿度，不含粉尘的干燥常温废气，初期净化效率可到90%，以后逐步衰减。

投资费用及运行费用：一次性投资相对较小，活性炭吸附饱和后要作危废处理，后期处理费用高。

4、直接燃烧法 

净化技术原理：利用有机物在高温条件下的可燃性将其通过化学氧化反应进行净化的方法。

适应工况及净化效率：各种风量，高浓度，不含粉尘的干燥废气，净化效率可到99%以上。不适合处理含硅树脂，硫，氯等 物质的有机废气。

投资费用及运行费用：一次性投资较大，运行费用需要视废气浓度确定，一般可以接受。

5、催化燃烧法 

净化技术原理：利用催化剂的催化作用来降低有机物的化学氧化反应的温度条件，从而实现节能、安全的目的。

适应工况及净化效率：各种风量，高浓度的干燥废气，净化效率可到90%以上。不适合处理含硅树脂，硫，氯等物质的有机废气，一般进催化炉前需加中效干式过滤器。

投资费用及运行费用：中等投资，运行费用较高，催化剂的使用寿命约为8000小时，到期需更换。

三、活性炭吸附脱附+催化燃烧组成及运行剖析

1、活性炭箱的选型 

碳箱里面活性炭的选择非常重要，因为要反复经过吸脱附，所以其质量要比吸附即抛型活性炭要好，其使用时间可达 8000小时。应选用以优质无烟煤作为原料、经过高温石墨化预制，外形蜂窝状为宜。蜂窝活性炭具有空气动力性能好，床层阻力小，吸脱附速度快，适合处理大风量，低浓度有机废气。其规格参数表如下。

碳床宜选用3mm厚钢板焊接，内外需做防锈处理，且外敷保温棉，保温厚度宜根据实际情况确定。空床气速越大，碳床饱和时间越短，吸附气速宜取1.2~1.8m/s。活性炭一般在里面敷设 4~5 层，层与层之间留有 100~150mm 空隙方便检修及维护。

2、催化炉的选型 

催化剂种类很多，目前VOCs处理一般选用较多的是蜂窝式贵金属催化剂，其载体一般为堇青石蜂窝陶瓷。下图为某公司生产的催化剂性能表仅供参考。

催化剂的装填量一般根据废气量和空速比决定，当然也与催化床层数有关系，一般设置4~5层为宜。考虑到经济性与实用性，催化剂空速比选择在10000h-1~15000h-1 之间。空速比越 高，成本就越高，反之亦然。催化剂的活性温度在350℃左右， 对有机废气处理效率可达 97%，温度越高活性越好，但超过 600℃会造成贵金属涂层的损坏。

催化床层预热一般采用电加热。如果采用燃烧器，需要与催化剂保持一定距离，以免对催化剂造成损害。现在催化炉较为普遍的做法是将催化床与换热器做在一起，比较紧凑，方便运输。其结构如下图所示：

3、活性炭吸附脱附+催化燃烧工作原理 

该组合运行流程为：低浓度VOCs有机废气进若干个活性炭箱，被活性炭充分吸附，净化后有机废气直接从烟囱排出。

吸附饱和的活性炭箱停止进入废气，来自催化燃烧炉的高温洁净气体进入碳箱进行脱附，脱附出来的高浓度有机废气，进入催化燃烧炉净化（由于是高浓度有机废气，所以运行费用很低），处理后的高浓有机废气被分解为洁净气体，通过烟囱排走。

脱附完成的碳箱处于待命状态，待其他碳箱吸附饱和开始脱附时候，其立即开始吸附工作，如此重复。

其工艺流程如图1 所示。图 1 中以 10,0000Nm3 /h 风量，浓度约在 200mg/Nm3 的废气处理项目为例。碳箱、催化炉以及整个系统设计如图所示，仅供参考。

这2个工艺组合起来，非常适合在大风量，浓度在200mg/ Nm3 左右的工况下使用，既弥补了单纯靠活性炭吸附造成活性炭浪费，不能重复利用的缺点，又弥补了单纯靠催化燃烧炉，运行费用高昂的问题，同时相比较起来其一次性投资成本也降低不少。

4、活性炭吸附脱附+催化燃烧运行的安全问题及相应措施 

该种组合工艺，由于处理高效，运行稳定，投资成本低，在涂装、喷漆、化工等行业，得到大量应用。

在实际运用也暴露出了一些问题，主要有： 

• 活性炭易发生堵塞；

• 催化燃烧炉温度过高，进活性炭箱脱附的洁净气体温 度不好控制，易发生火灾；

• 脱附浓度不好控制，容易造成催化炉温度偏高。

针对以上出现的问题，作者根据长期积累的经验，可以采取以下措施： 

（1）在进活性炭箱前放置干式过滤器（G4+F8精度），可以过滤一些颗粒及漆雾，防止堵塞活性炭。

（2）在进活性炭箱的脱附管路设置热电偶测温，且开设新 风口，配备新风风机，测温元件与风机连锁，自动运行。

（3）在脱附管路回路，增设新风口稀释高浓度废气。增加 新风阀及浓度检测仪，浓度检测仪与新风阀通过PLC连锁自动 控制。同时由于催化炉为负压运行，因此催化炉主风机在选型 时就应该加大风量。

如果发生安全事故，作者认为还可以增加以下设置，避免事故扩大：

（1）将活性炭箱接入消防喷淋水，如果活性炭燃烧起来，通过喷淋可以迅速灭火，有条件还可以采用充氮保护，需要购买制氮机（如上述流程图所示），可以视情况定；

（2）催化炉增设防爆口，防爆膜可以用薄的不锈钢代替。即便催化炉温度过高，压力过大，也可以通过防爆口立刻排出， 对催化炉本事没有影响，可以快速修复。

四、结语

VOCs废气工况复杂，有时候依靠单个处理工艺难以收到良好处理效果，如果将其中几个工艺组合起来使用，却可以收到治污效果。不仅投资及运行费用降低，治理效果也是明显，但是其安全运行仍然需要环保工作者持续关注和探究。

活性炭吸附脱附+催化燃烧只是其中一种组合工艺，这也为其他组合工艺的应用提供了思路，有待于下一步探究。

来源：北极星VOCs在线