活性炭吸脱附 + 催化燃烧处理有机废气的系统设计与应用
对于大气量、低浓度有机废气的处理，目前主流工艺为“吸附浓缩+脱附处理”，吸附浓缩是通过沸石分子筛、活性炭等多孔介质对污染物进行吸附，常见的脱附后的处理方式有催化燃烧、焚烧处理、冷凝回收等。活性炭吸附容量大、价格低廉，催化燃烧低温高效，因此活性炭吸脱附+催化燃烧技术在大气量、低浓度有机废气处理中较为常见。
因此本文以气量30000m³/h(工况)，非甲烷总烃浓度≤200mg/m³，主要成分为甲苯、正丁醇等稀释剂的喷涂行业有机废气为例，进行设计计算，设计吸附效率90%，排放浓度约20mg/m³符合大气污染物综合排放标准(GB16297-1996表2)。
01 设计原理
利用活性炭丰富的微孔、介孔等孔隙结构，通过分子间范德华力将VOCs吸附在孔隙中，达到净化废气的目的；同时吸附为物理过程，是可逆的，通过热空气升温方式解吸，VOCs回到气相中，完成整个吸附－浓缩过程。
催化燃烧(Catalytic Oxidation，以下简称CO)利用催化剂表面的活性位点，使氧分子和污染物在催化剂表面反应，降低反应活化能、提高反应效率，使得原本在600℃以上才能发生的氧化反应在250～300℃就可以进行，且净化效率一般不低于95%。使有机污染物氧化分解生成CO2和H2O并释放出大量热量，从而达到净化废气的目的。反应方程式见下。
催化剂通常以Pd、Pt等贵金属为活性组分，以过度金属氧化物、分子筛等为载体。催化燃烧处理污染物的最终产物为无污染的CO2和H2O，运行能耗低。由于反应温度低，可以很好地控制热力型NOx的生成，在有机废气处理领域应用广泛。汞、铅、锡、锌、磷化物及颗粒物等物质会抑制催化剂活性，因此有机废气要经过预处理才能进入催化燃烧设备。
本方案设计2吸1脱+CO在线脱附，利用换热器回收高温烟气热能，运行能耗低，其中2个活性炭吸附床处于吸附状态，1个活性炭吸附床处于脱附或待机状态，工艺流程方框图如下。
首先将外排废气源收集经干式过滤去除废气中漆雾粉尘杂质，再进活性炭吸附床进行吸附净化，吸附后的气体可直接达标排放。吸附在活性炭内的有机物采用热空气脱附，脱附气量：总废气量取1：15左右，脱附后的高浓度气体采用CO工艺进一步处理达标排放，利用CO炉高温烟气加热脱附气体至脱附温度，用于活性炭脱附，以节约能耗。活性炭吸附采用在线处理满足24小时生产需要，活性炭采用2+1只固定吸附床，2活性炭吸附床处于吸附工作，1只备用吸附床处于脱附工作或待吸附状态，交替切换吸附饱和活性炭吸附床。
02 工艺计算
2.1 干式过滤箱
采用干式过滤箱滤除废气中的漆渣、颗粒物等组分，一般采用G4+F5+F7三级过滤，按EN779对空气过滤器分级表见表1，每一级设置压差表，监控滤袋状态，截面风速一般取1.5~2.5m/s，本设计取2m/s进行计算，
则过滤面积
S=Q/v=(30000m³/h)/(3600s/h)/(2m/s)≈4.2
常用滤袋截面尺寸为600mm×600mm左右，为摆放方便，滤袋数量取12个，则实际截面风速为1.92m/s。
2.2 活性炭吸附箱
2.2.1活性炭填装量计算
活性炭选用风阻较小的蜂窝活性炭，碘值在600~800mg/g，
单块尺寸100mm×100mm×100mm，设计流速低于1.2m/s。设计活性炭5层，流速1.0m/s，运行过程中有2个活性炭吸附床处于吸附状态，因此单床活性炭填装量为:
(30000m³/h)×(0.5m/(1m/s))/(3600s/h)/2≈2.1m³
根据以上数据计算单活性炭吸附床截面积:
(30000m³/h)/(3600s/h)/(1m/s)/2台≈4.2㎡
则3台吸附床的活性炭填装量约6.3m³。
2.2.2脱附周期计算
设计吸附效率90%，饱和吸附量为活性炭自重的20%，当吸附量达到饱和吸附量的80%时进行脱附，活性炭堆积密度约550kg/m³则：单活性炭吸附床脱附时吸附量:
2.1m³×550kg/h×20%×80%=184.8kg
单活性炭吸附床每小时吸附量:
30000m³/h×200mg/m³×90%/2台=2.7kg/h
脱附周期应为:
184.8kg/(2.7kg/h)=68.4h
在实际运行中，废气中有机物浓度是波动的，平均浓度一般低于200mg/m³，因此脱附时吸附量没有达到饱和吸附量的80%。同时，随着脱附次数的增加，活性炭吸附容量会有一定衰减，应当相应缩短脱附周期，最终更换活性炭。
2.3 催化燃烧设
催化燃烧可以在较低温度下将废气中的有机物氧化为CO2和H2O，释放一定热能，利用余热来对活性炭进行脱附再生，达到活性炭循环利用的效果，本设备主要包括换热器、电加热组件、催化燃烧室、脱附温控系统组成，本催化燃烧设备设计风量为2000Nm³/h。
根据经验及相关规范，脱附气流温度低于100℃，脱附后气流温度在60℃左右，经换热器预热后达到180～200℃，经电加热组件加热至280℃左右(设定值一般为250～300℃)，有机物自身氧化释放热能使废气温升70℃左右，即达到350℃，经换热器回收大部分热能后排放温度180℃左右，再经补风降温降至100℃以下，一部分引入活性炭吸附床进行活性炭脱附，剩余洁净烟气高空排放，完成"脱附→处理→排放"的过程。
2.3.1催化剂填装量计算
催化剂为贵金属催化剂，常见国内催化剂厂家有贵研所、中船重工、凯明等，空速取10000h-1～40000h-1，本设计取12000h-1，
设计脱附风量为2000Nm³/h，则催化剂填装量为167L。
2.3.2换热器面积计算
本换热器选择板式换热器，逆流换热。热流体进温度350℃;热流体出温度190℃;冷流体进温度60℃;热流体出温度210℃;根据《热交换器》GB151计算平均对数温差△tm，根据手册及经验，空气对空气换热K值取16W/(㎡·K)，根据Q=K·A·△tm计算得A=53㎡。
2.3.3加热功率计算
经换热器预热后，气流温度为210℃左右，需要加热至280℃，取中间温度约250℃的空气热容c=0.248Kcal/(kg·℃)，空气密度约1.29kg/Nm3，根据Q=c·m·△t得理论运行功率52.1kW。考虑热量散失、冷机启动及项目经验等，设备加热功率取82.5kW。
2.4 设备安全及控制
2.4.1脱附安全
(1)在脱附管道设置热电偶，监测脱附气流温度，保证脱附气流温度不高于100℃。
(2)在活性炭吸附床设置热电偶监测活性炭温度，配置氮气及消防水喷淋系统。当活性炭温度高于120℃时，设备报警并通入氮气置换，隔绝氧气;当活性炭温度高于150℃时，设备报警并所有阀门关闭、设备停机启动消防水喷淋系统。
2.4.2催化燃烧安全
催化燃烧室设置热电偶，当催化燃烧室高于450℃时设备报警，高于500℃时设备报警停机。
2.4.3自动控制
(1)干式过滤箱监测:当滤袋阻力达到设定值时，报警提示更换滤袋。
(2)吸附设备自动控制:在设备前主风管设置差压变送器，与末端风机关联控制，当前段设备风量降低时自动降低风机频率，达到节能的效果。
(3)脱附设备自动控制:在设备多处设置热电偶，对加热功率进行补偿、脱附温度进行控制，使各个位置温度在设定范围内。
上述工艺计算基于项目经验、手册参数、国家及行业标准规范，相关项目运行稳定，排放达标，这表明本活性炭吸脱附+催化燃烧工艺设计是合理的，可供环保人员参考借鉴，对节能减排工作的推进具有积极意义。
