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對于大氣量、低濃度有機廢氣的處理，目前主流工藝為“吸附濃縮+脫附處理”，吸附濃縮是通過沸石分子篩、活性炭等多孔介質對污染物進行吸附，常見的脫附后的處理方式有催化燃燒、焚燒處理、冷凝回收等。活性炭吸附容量大、價格低廉，催化燃燒低溫高效，因此活性炭吸脫附+催化燃燒技術在大氣量、低濃度有機廢氣處理中較為常見。

因此本文以氣量30000m3/h (工況)，非甲烷總烴濃度≤200mg/m3，主要成分為甲苯、正丁醇等稀釋劑的噴涂行業有機廢氣為例，進行設計計算，設計吸附效率90%，排放濃度約20mg/m3符合大氣污染物綜合排放標準(GB16297-1996表2)。

1 設計原理

利用活性炭豐富的微孔、介孔等孔隙結構，通過分子間范德華力將VOCs吸附在孔隙中，達到凈化廢氣的目的;同時吸附為物理過程，是可逆的，通過熱空氣升溫方式解吸，VOCs回到氣相中，完成整個吸附-濃縮過程。

催化燃燒(Catalytic oxidation，以下簡稱CO)利用催化劑表面的活性位點，使氧分子和污染物在催化劑表面反應，降低反應活化能、提高反應效率，使得原本在600℃以上才能發生的氧化反應在250～300℃就可以進行，且凈化效率一般不低于95%。使有機污染物氧化分解生成CO2和H2O并釋放出大量熱量，從而達到凈化廢氣的目的。其反應方程式見式1。

催化劑通常以Pd、Pt等貴金屬為活性組分，以過度金屬氧化物、分子篩等為載體。催化燃燒處理污染物的最終產物為無污染的CO2和H2O，運行能耗低。由于反應溫度低，可以很好地控制熱力型NOx的生成，在有機廢氣處理領域應用廣泛。汞、鉛、錫、鋅、磷化物及顆粒物等物質會抑制催化劑活性，因此有機廢氣要經過預處理才能進入催化燃燒設備。

本方案設計2吸1脫+CO在線脫附，利用換熱器回收高溫煙氣熱能，運行能耗低，其中2個活性炭吸附床處于吸附狀態，1個活性炭吸附床處于脫附或待機狀態，工藝流程方框圖見圖1。

首先將外排廢氣源收集經干式過濾去除廢氣中漆霧粉塵雜質，再進活性炭吸附床進行吸附凈化，吸附后的氣體可直接達標排放。吸附在活性炭內的有機物采用熱空氣脫附，脫附氣量:總廢氣量取1∶15左右，脫附后的高濃度氣體采用CO工藝進一步處理達標排放，利用CO爐高溫煙氣加熱脫附氣體至脫附溫度，用于活性炭脫附，以節約能耗。活性炭吸附采用在線處理滿足24小時生產需要，活性炭采用2+1只固定吸附床，2活性炭吸附床處于吸附工作，1只備用吸附床處于脫附工作或待吸附狀態，交替切換吸附飽和活性炭吸附床。

2 工藝計算

2.1 干式過濾箱

采用干式過濾箱濾除廢氣中的漆渣、顆粒物等組分，一般采用G4+F5+F7三級過濾，按EN 779對空氣過濾器分級表見表1，每一級設置壓差表，監控濾袋狀態，截面風速一般取1.5～2.5m/s，本設計取2m/s進行計算，則:

過濾面積S=Q/v=(30000m3/h)/(3600s/h)/(2m/s)≈4.2m2

常用濾袋截面尺寸為600mm×600mm左右，為擺放方便，濾袋數量取12個，則實際截面風速為1.92m/s。

2.2活性炭吸附箱

2.2.1 活性炭填裝量計算

活性炭選用風阻較小的蜂窩活性炭，碘值在600～800mg/g，單塊尺寸100mm×100mm×100mm，設計流速低于1.2m/s。設計活性炭5層，流速1.0m/s，運行過程中有2個活性炭吸附床處于吸附狀態，因此單床活性炭填裝量為: 

根據以上數據計算單活性炭吸附床截面積:(30000m3/h)/(3600s/h)/(1m/s)/2臺≈4.2m2

則3臺吸附床的活性炭填裝量約6.3m3。

2.2.2 脫附周期計算

設計吸附效率90%，飽和吸附量為活性炭自重的20%，當吸附量達到飽和吸附量的80%時進行脫附，活性炭堆積密度約550kg/m3則:

單活性炭吸附床脫附時吸附量:2.1m3×550kg/h×20%×80%=184.8kg

單活性炭吸附床每小時吸附量:30000m3/h×200mg/m3×90%/2臺=2.7kg/h

脫附周期應為:184.8kg/(2.7kg/h)=68.4h

在實際運行中，廢氣中有機物濃度是波動的，平均濃度一般低于200mg/m3，因此脫附時吸附量沒有達到飽和吸附量的80%。同時，隨著脫附次數的增加，活性炭吸附容量會有一定衰減，應當相應縮短脫附周期，最終更換活性炭。

2.3 催化燃燒設備

催化燃燒可以在較低溫度下將廢氣中的有機物氧化為CO2和H2O，釋放一定熱能，利用余熱來對活性炭進行脫附再生，達到活性炭循環利用的效果，本設備主要包括換熱器、電加熱組件、催化燃燒室、脫附溫控系統組成，本催化燃燒設備設計風量為2000Nm3/h。

根據經驗及相關規范，脫附氣流溫度低于100℃，脫附后氣流溫度在60℃左右，經換熱器預熱后達到180～200℃，經電加熱組件加熱至280℃左右(設定值一般為250～300℃)，有機物自身氧化釋放熱能使廢氣溫升70℃左右，即達到350℃，經換熱器回收大部分熱能后排放溫度180℃左右，再經補風降溫降至100℃以下，一部分引入活性炭吸附床進行活性炭脫附，剩余潔凈煙氣高空排放，完成"脫附→處理→排放"的過程。

2.3.1 催化劑填裝量計算

催化劑為貴金屬催化劑，常見國內催化劑廠家有貴研所、中船重工、凱明等，空速取10000h-1-1～40000h-1，本設計取12000h-1，設計脫附風量為2000Nm3/h，則催化劑填裝量為167L。

2.3.2 換熱器面積計算

本換熱器選擇板式換熱器，逆流換熱。熱流體進溫度350℃;熱流體出溫度190℃;冷流體進溫度60℃;熱流體出溫度210℃;根據《熱交換器》GB 151計算平均對數溫差△tm，根據手冊及經驗，空氣對空氣換熱K值取16W/(m2·K)，根據Q=K·A·△tm計算得A=53m2。

2.3.3 加熱功率計算

經換熱器預熱后，氣流溫度為210℃左右，需要加熱至280℃，取中間溫度約250℃的空氣熱容c=0.248Kcal/(kg·℃)，空氣密度約1.29kg/Nm3，根據Q=c·m·△t得理論運行功率52.1k W。考慮熱量散失、冷機啟動及項目經驗等，設備加熱功率取82.5k W。

2.4 設備安全及控制

2.4.1 脫附安全

(1)在脫附管道設置熱電偶，監測脫附氣流溫度，保證脫附氣流溫度不高于100℃。

(2)在活性炭吸附床設置熱電偶監測活性炭溫度，配置氮氣及消防水噴淋系統。當活性炭溫度高于120℃時，設備報警并通入氮氣置換，隔絕氧氣;當活性炭溫度高于150℃時，設備報警并所有閥門關閉、設備停機啟動消防水噴淋系統。

2.4.2 催化燃燒安全

催化燃燒室設置熱電偶，當催化燃燒室高于450℃時設備報警，高于500℃時設備報警停機。

2.4.3 自動控制

(1)干式過濾箱監測:當濾袋阻力達到設定值時，報警提示更換濾袋。

(2)吸附設備自動控制:在設備前主風管設置差壓變送器，與末端風機關聯控制，當前段設備風量降低時自動降低風機頻率，達到節能的效果。

(3)脫附設備自動控制:在設備多處設置熱電偶，對加熱功率進行補償、脫附溫度進行控制，使各個位置溫度在設定范圍內。

3 總結

上述工藝計算基于項目經驗、手冊參數、國家及行業標準規范，相關項目運行穩定，排放達標，這表明本活性炭吸脫附+催化燃燒工藝設計是合理的，可供環保人員參考借鑒，對節能減排工作的推進具有積極意義。