分子筛转轮与转筒在废气治理工程中的应用分析.pdf

50中国环保产业2023年第6 期深入打好蓝天保卫战MAKEIN-DEPTHEFFORTSTOPROTEOBLUESKIES分子筛转轮与转筒在废气治理工程中的应用分析纪麟肯，柴灵芝，王士刚，王涂（青岛华世洁环保科技有限公司，山东青岛2 6 6 510)摘要：大部分挥发性工业有机废气呈大风量、低浓度的特点，需要经过分子筛转轮或转筒吸附浓缩才能达到降低设备投资和节约能耗的目的。文章分析了市面上常见的分子筛转轮与转筒，分别从设备结构、投资、运行特点、能耗、安全性、吸附材料性能等方面进行了对比，并对吸附浓缩装置的选择给出了合理的建议。关键词：分子筛转轮；分子筛转筒；挥发性有机物；吸附浓缩中图分类号：X701文献标志码：A文章编号：10 0 6-53 7 7（2 0 2 3）0 6-0 0 50-0 5大部分挥发性工业有机废气具有大风量、低浓度的特点，直接使用蓄热式氧化或催化氧化等净化设备会造成设备投资过大、能耗过高。而吸附浓缩装置可将大风量、低浓度的挥发性有机物（VOCs）气体浓缩为小风量、高浓度的气体，大大降低了后端氧化设备的投资、能耗及占地。随着各地方有机废气排放标准的陆续发布，对于挥发性有机废气排放浓度和排放速率的要求也越来越严格，对吸附浓缩装置的净化效率也提出了较高的要求。相比于活性炭吸附浓缩装置，分子筛吸附浓缩装置由于净化效率高、使用寿命长，在市场上得到了广泛应用。在分子筛吸附浓缩装置的发展过程中逐渐分化形成了分子筛转轮和分子筛转筒两种应用结构形式，用户在选择的过程中常存在困惑。本文通过总结实验和项目现场实际运行工况，针对分子筛转轮与分子筛转筒，从设备的结构、投资、运行特点、能耗、吸附材料性能、净化效率、占地面积、安全性能等方面进行了对比，以帮助用户做出合理的选择。收稿日期：2 0 2 0-12-0 2；修回日期：2 0 2 3-0 6-12第一作者简介：纪麟肯（19 9 3 一），男，山东青岛人，学士，工程师，主要从事挥发性有机废气治理与研究工作。1分子筛转轮介绍分子筛转轮呈圆盘状结构，分为吸附区、脱附区和冷却区三个功能区域，各区域由密封材料分隔开来。分子筛转轮使用时为连续运转，转动顺序为由吸附区到脱附区，再经过冷却区，然后返回吸附区循环。废气经过预处理（如过滤、喷淋等后），送至沸石分子筛转轮的吸附区。在吸附区，有机废气中的VOCs被沸石分子筛吸附除去，有机废气被净化后从沸石分子筛转轮吸附区排出，直接排入烟卤，实现达标排放。吸附在分子筛转轮中的VOCs，在脱附区经过热风处理后被脱附、浓缩。脱附后的小风量、高浓度废气进入后端的热氧化设备进行净化处理。为保证高的吸附效率，需对高温脱附后的转轮进行冷却。脱附再生后的沸石分子筛转轮在冷却区被冷却。经过冷却区的空气再经过加热后可作为再生空气使用，从而达到节能的效果 2。2分子筛转筒介绍分子筛转筒呈筒状结构，又称筒式沸石转轮，分为吸附区、脱附区和无效区（常见面积占比为9:1:2），各区域由密封材料分隔开来。分子筛转筒使用时为连CHINAENVIRONMENTALPROTECTIONINDUSTRY1512023.6MAKEIN-DEPTHEFFORTSTOPROTECTBLUESKIES深入打好蓝天保卫战续运转，转动顺序为由吸附区到无效区，再经过脱附区、另一侧的无效区后进入吸附区循环。废气经过预处理后进入分子筛转筒的圆柱形侧面，经过吸附后，从圆筒中心顶部的出风口送入烟达标排放。另有一股经过加热的小风量空气从脱附区入口管道进入，经过脱附区后变成高浓度的废气进入后端氧化设备进行净化处理3分子筛转轮与分子筛转筒对比分析3.1结构布风吸附区装填相同质量的分子筛转轮和转筒理论上具有相同的吸附容量和净化效率，但通过工程测试发现，转轮的净化效率略高于转筒。主要原因如下：（1）分子筛转筒没有冷却区，转轮有冷却区。分子筛转筒经过脱附区加热后温度升高，吸附能力减弱，若未经冷却直接进入吸附区，造成部分高浓度废气快速吸附穿透，降低整体吸附净化效率（2）分子筛转筒布风不均匀。即使在转筒入口处扩径，风速差别仍较大，部分高风速位置废气易穿透，而分子筛转轮整个迎风面风速基本一致。测试分子筛转筒吸附区不同位置的风速后发现差别较大，迎风面处风速可达5m/s、背风面处风速为1m/s（见图1）。根据静态吸附实验可知，风速越高，吸附容量越低。所以在风速较高的位置，高浓度废气容易快速穿透，造成净化效率下降05-3-9-237M/S图1分子筛转筒风速模拟俯视3.2运行特点及能耗分子筛转轮由于是连续运行，脱附出口的温度稳定在6 0 一7 0。脱附出口的浓度为积分平均值，连续稳定。分子筛转筒本质上是多个固定床轮流切换的过程，脱附过程中会出现温度和浓度的瞬间波动。某分子筛转筒项目设计为12 个分区，转速4.8 r/h（即750s/r），每个区域在脱附区的停留时间为6 2.5s。现场实测，当某个分区进入脱附区时，脱附出口温度在前11s由6 0 降到2 0，在中间2 0 s由2 0 升到60，波动较大。通过手持式浓度仪测试，脱附出口浓度在2 0 0 0 10 0 0 0 mg/m波动。温度和浓度波动会造成后端氧化设备的反应温度波动，并造成加热器频繁启停，不利于节能。从安全的角度考虑，浓度波动高峰值有可能会瞬间超过爆炸下限（LEL），存在一定的安全隐患另外，分子筛转轮和转筒的脱附温度通常在180一2 0 0，由于分子筛转轮具有冷却区，能较好利用冷却区的余热，将脱附气体预热到12 0 一170（与转速有关，转速越快，预热后温度越高）。脱附加热仅需补充2 0 一8 0 的热量，脱附所需的加热能量较小。而分子筛转筒无冷却区，需要将常温气体升温至18 0 2 0 0，需要补充16 0 18 0 的热量，因此脱附所需的加热能量较高。分子筛转轮和分子筛转筒脱附能耗对比见图2。700600(4M1)/碧500400300200100010002000300040005000600070008000900010000脱附风量/（m3/h）转轮脱附能耗转筒脱附能耗图2 分子筛转轮和分子筛转筒脱附能耗对比3.3口吸附材料利用率一茶紫养区密茶脱附区冷区无我达授用区吸附区图3 分子筛转筒(左)与分子筛转轮(右）的吸附区、脱附区面积占比52中国环保产业2023年第6 期深入打好蓝天保卫战MAKEIN-DEPTHEFFORTSTOPROTECTBLUESKIES如图3 所示，分子筛转筒分为吸附区、脱附区和无效区，以常见规格的12 个分区为例，面积占比为9:1:2，吸附区占有率为7 5%。分子筛转轮分为吸附区、脱附区和冷却区，常见的面积占比为10:1:1，吸附区占有率为8 3.3%。通过上述对比可见，分子筛转轮的吸附区有效利用率更高。分子筛转轮比转筒的吸附区利用率高主要是由于转筒的密封比转轮困难。分子筛转轮为平面密封，仅需保证圆饼的表面平面度即可。分子筛转筒为了实现不同区域的密封，如转筒内侧与脱附区入口的贴合、转筒外侧和脱附区出口的贴合，需要保证多层圆柱弧面贴合，即不同曲率和垂直度同时保证贴合。单纯通过机械加工和安装精度来确保单层密封的难度很大，所以在脱附区两侧设置了2 个无效区，在每个无效区边缘再设置一层密封，通过双层密封来满足要求。在上述已有1个脱附区、2 个无效区的基础上，如果再做一个冷却区，为了隔绝冷却区与脱附区和吸附区，还需再增加一个无效区。这就造成转筒12 个区域中会有3 个无效区，整体分子筛的利用率会变得过低，所以通常分子筛转筒不设置冷却区另外，分子筛转轮常见的吸附床层厚度为40 0 mm或50 0 mm。分子筛转筒块体的吸附床层厚度为225mm。根据吸附穿透的原理，传质带占有一定厚度，所以吸附床层越厚，传质带的占有率越低，能有效吸附饱和的厚度越大，利用率越高。因此，分子筛转筒受制于吸附区面积占比和床层厚度两个因素，吸附材料有效利用率较低。3.4设备成本分子筛转筒的设备成本比转轮高。处理相同风量的分子筛转筒和转轮的吸附材料成本基本一致，但分子筛转筒的机械结构较为复杂，通过多个风量规格转筒与转轮的核算，可发现转筒的机械结构成本比转轮平均高40%，详细对比见表1。3.5设备占地表2 分子筛转筒和转轮的占地面积对比处理风量/(m/h)分子筛转筒占地面积分子筛转轮占地面积200003300mm2700mm2140mm2260mm800004300mm3400mm3700mm2260mm1200004800mm4000mm4700mm 2260mm通过表2 可看出，分子筛转筒的占地面积比转轮大，而且分子筛转筒前端还需要设有一定长度的分风区，所以分子筛转筒的实际占地面积更大。因此，分子筛转筒不适用于集成化和小型化的设备。3.6叻吸附材料常见的分子筛转筒使用的吸附材料为有机纤维，不耐高温，超过3 0 0 后易引燃，不能回炉再生。而分子筛转轮使用的基材为玻璃纤维，耐高温。长期使用后，如果是由于高沸点物质引起的净化效率下降，经过回炉再生（50 0 一6 0 0），大部分高沸点物质可去除，可恢复一定的净化效率，大大延长了吸附材料的使用寿命。同时，常见的分子筛转筒中的有机纤维基材的分子筛块体强度低，吸水、触碰和刮擦后易出现塌陷，所以只能做成配合分子筛转筒的结构使用，无法在分表1分子筛转筒和转轮机械结构的主要组成部分对比分子筛转筒分子筛转轮外壳体重量大外壳体重量轻筒体支撑框架重量大，结构复杂无单独支撑框架，一体化圆饼状结构转筒支撑座4个无链条及链轮链条及链轮减速机座减速机座减速电机+减速机减速电机+减速机位置调整机构为多个支架位置调整机构在支撑轴上支撑轴及转动轴承为一个大轴承小轴承两套联轴器及轴承无CHINAENVIRONMENTALPROTECTIONINDUSTRY532023.6MAKEIN-DEPTHEFFORTSTOPROTECTBLUESKIES深入打好蓝天保卫战子筛转轮中应用。而分子筛转轮的吸附材料强度较高，不仅可应用于转轮，也可加工成分子筛转筒的长方体形状，用于分子筛转筒，所以工程应用上出现了大量用玻纤基材块体替代有机纤维块体的案例。分子筛转筒和转轮的吸附材料对比见表3。表3 传统分子筛转筒和转轮的吸附材料对比对比项目传统分子筛转筒吸附材料分子筛转轮吸附材料将沸石、有机纤维、原将玻纤蜂窝基材放入沸石制造方法料配比混合，用类似瓦液槽中浸泡令沸石附着在楞纸造纸术方法生产蜂窝基材孔隙结构表面沸石含有率70%70%吸附容量2.5%4%2.5%4%吸水率4%10%3%一7%低，吸水受潮后出现塌结构强度高，可触碰刮擦陷，不能触碰刮擦不具备，最高再生温度具备，最高再生温度高温再生300，超过3 0 0 基600，基材不可燃材可燃3.7维护更换便捷性分子筛转筒的主要优点在于吸附材料更换的便捷性。转筒采用卡扣式结构，单人即可完成块体的拆装与更换。传统的分子筛转轮不易单独拆装某一个块体，需要整体吊装。但近年来，可更换块体的分子筛转轮从技术上也可以实现。通过在圆饼式的骨架上拆装扇形的分子筛块体，在一定程度上改善了更换便捷性（见图4）。另外，由于玻璃纤维基材的分子筛块体可再生温度高，部分污染工况的块体可通过高温再生延长一定的使用寿命。所以，无论选择转筒还是转轮的结构形式，更换吸附材料块体都建议使用玻璃纤维基材的分子筛块体，这样可降低投资和维护费用。4结语通过调研分子筛转筒与分子筛转轮在多个项目中的实际应用情况，从投资、运行能耗、安全、占地等多个方面，可看出分子筛转轮相比于分子筛转筒具有明显的优势（见表4）。随着更换便捷性的提高，分子筛转轮必定是吸附浓缩装置的主流技术。块体包筋板装配拆除原有块体块体更换图4可更换块体的分子筛转轮表4分子筛转筒和转轮的综合对比对比项目分子筛转筒分子筛转轮投资高低吸附区利用率低，7 5%高，8 3.3%净化效率略低，无冷却区与风速分布影响高运行能耗高，无冷却区低，有冷却区余热利用长，玻璃纤维基材，耐高温，能回炉再生，恢复净使用寿命短，有机纤维纸基材，不耐高温，不能回炉再生化效率低，基材可燃，脱附出口浓度波动大，瞬时高峰值安全性高，基材不可燃，脱附出口浓度稳定可能 2 5%LEL占地面积大小更换便捷性好一般54中国环保产业2023年第6 期中深入打好蓝天保卫战MAKEIN-DEPTHEFFORTSTOPROTECTBLUESKIES参考文献：1陆震维.有机废气的净化技术 M.北京：化学工业出版社，2011:61-63.2】金伟力，山田健一郎，古木启明，等，采用蜂窝状吸附转轮对VOCs污染空气进行净化处理 C.北京：中国环境科学学会，2011:1186-1191.Analysis of Application of(Cylindrical)Molecular Sieve Rotorin Waste Gas Treatment ProjectsJI Lin-ken,CHAI Ling-zhi,WANG Shi-gang,WANG Gan(Qingdao Huashijie Environmental Protection Technology Co.,Ltd.,Qingdao Shandong 266510,China)Abstract:Most volatile industrial organic waste gases are characterized by large volume and lowconcentration,and are needed to be adsorbed and concentrated by(cylindrical)molecular sieve rotorto achieve the purpose of reducing equipment investment and saving energy consumption.This paperanalyzes the common(cylindrical)molecular sieve rotors in the market,compares the equipmentstructure,investment,operation characteristics,energy consumption,security,performance ofadsorption materials and so on,and gives reasonable suggestions for the selection of adsorption andconcentration devices.Key words:molecular sieve rotor;cylindrical molecular sieve rotor;volatile organic compounds;adsorption and concentration声明为适应我国信息化建设需要，扩大作者学术交流渠道，本刊已加入“中国期刊全文数据库”“中国学术期刊综合评价数据库”“中文科技期刊数据库”“中国核心期刊（选）数据库”“中国学术文献网络出版总库”“万方数据库”“重庆维普数据库”“博看网数据库”“中邮订阅网数据库”“超星订阅数据库”等。作者著作权使用费与本刊稿酬一次性给付。如作者不同意将文章编入以上数据库，请在来稿时声明，本刊将做适当处理。中国环保产业杂志