VOCs 廢氣處理用催化燃燒裝置應(yīng)用分析與研究

介紹了揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）廢氣處理用催化燃燒裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理，并結(jié)合裝置的應(yīng)用實(shí)例來(lái)對(duì)催化燃燒設(shè)備進(jìn)行分析與研究。根據(jù)現(xiàn)行相關(guān)大氣標(biāo)準(zhǔn)的要求與實(shí)際工況，對(duì)催化燃燒裝置在廢氣處理過(guò)程中所體現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)與尚需改進(jìn)之處進(jìn)行了總結(jié)。
 
揮發(fā)性有機(jī)化物（VOCs）是指沸點(diǎn)在50~260℃之間，室溫下飽和蒸汽壓超過(guò) 133.3 Pa的易揮發(fā)性有機(jī)化合物，包括苯、甲苯、二甲苯等常規(guī)烴類化合物，硫氨有機(jī)化合物等[1]。有機(jī)廢氣容易與大氣中的氮氧化物反應(yīng)生成 O3 并形成光化學(xué)煙霧，會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生有害影響，因此 VOCs 廢氣的處理受到了各國(guó)的高度重視，發(fā)達(dá)國(guó)家近年陸續(xù)頒布了相關(guān)的法令以限制 VOCs 的排放。
 
2017年VOCs的排放量已超過(guò)3100 萬(wàn) t [2]，其來(lái)源主要有固定源與移動(dòng)源2 種。移動(dòng)源排放主要集中在汽車、輪船和飛機(jī)等以石油產(chǎn)品為燃料的交通工具的排放氣。固定源的種類很多，主要為石油化工工藝過(guò)程和儲(chǔ)存設(shè)備等的排出物及各種使用有機(jī)溶劑的場(chǎng)合，如噴漆、印刷、金屬除油和脫脂、黏合劑、制藥、塑料和橡膠加工等。全國(guó)各地對(duì)于 VOCs廢氣的排放有著嚴(yán)格的控制，陸續(xù)公布了新的VOCs 排放標(biāo)準(zhǔn)。常規(guī)處理 VOCs 廢氣采用前端回收技術(shù)或后端氧化分解2種方式，前者采用物理方法，在一定溫度與壓力下，通過(guò)冷凝、吸收劑、吸附劑或具有選擇性的膜對(duì)VOCs進(jìn)行分離；而氧化分解技術(shù)則是通過(guò)生化法，利用光、熱、催化劑或微生物對(duì)VOCs進(jìn)行氧化分解，并生成CO2與H2O。氧化分解VOCs的方法一般有直接燃燒法、蓄熱式燃燒法、催化燃燒法等。其中，催化燃燒法的原理是通過(guò)使加熱至一定溫度的 VOCs廢氣與裝置內(nèi)的貴金屬催化劑進(jìn)行接觸并發(fā)生催化氧化反應(yīng)，將有機(jī)物氧化生成無(wú)害的 CO2與H2O，達(dá)到除去VOCs目的的一種設(shè)備與工藝。
 
 
1 催化燃燒裝置介紹
 
催化燃燒裝置是一種通過(guò)氧化催化劑對(duì)加熱至一定溫度的廢氣催化氧化，使其生成無(wú)害的 CO2 與 H2O 的工藝設(shè)備。與傳統(tǒng)蓄熱燃燒、直燃式熱氧化爐相比，具有熱耗低、處理效率高（≥95%）的特點(diǎn)。常用的催化燃燒裝置根據(jù)氧化催化劑的佳工作溫度（250~400 ℃），可實(shí)現(xiàn)低溫氧化廢氣中的 VOCs，并大大節(jié)省處理廢氣的運(yùn)行成本。
 
1.1 催化燃燒裝置原理
 
催化燃燒裝置的結(jié)構(gòu)及處理流程如圖 1 所示。含 VOCs 廢氣進(jìn)入裝置入口，經(jīng)過(guò)濾器過(guò)濾后進(jìn)入換熱器室進(jìn)行熱交換，再進(jìn)入燃燒器室對(duì)廢氣進(jìn)行預(yù)加熱（燃燒用氧氣為廢氣中所含有的空氣，也可通過(guò)旁路風(fēng)閥補(bǔ)充空氣），待加熱至 350 ℃后由送風(fēng)機(jī)將預(yù)熱氣體抽至催化劑室進(jìn)行催化氧化。由于部分廢氣中含有硫、硅、磷等元素，會(huì)使貴金屬催化劑中毒，因此預(yù)加熱后的廢氣在進(jìn)入催化劑室前需進(jìn)行預(yù)處理。當(dāng)處理后的廢氣進(jìn)入催化劑室并與氧化催化劑接觸時(shí)，催化劑將廢氣中的 VOCs 氧化分解成CO2 和 H2O。處理后的無(wú)害氣體將被送入一次換熱器，與從入口來(lái)的廢氣進(jìn)行熱交換，達(dá)到節(jié)約熱源的目的。風(fēng)機(jī)采用耐高溫型號(hào)，放置于設(shè)備本體下游部分，目的在于使上游路徑形成負(fù)壓，防止氣體泄漏。裝置排氣口預(yù)設(shè)取樣孔，用于對(duì)處理后的廢氣進(jìn)行成分檢測(cè)。
 
 
1.2 催化燃燒裝置安全性預(yù)防
 
由于催化燃燒裝置在燃燒室中采用明火對(duì)廢氣進(jìn)行預(yù)熱，因此需考慮廢氣的相關(guān)安全措施：（1）廢氣中 VOCs 含量需控制在 LEL（爆炸下限）的 25%以下，以防止爆炸或火災(zāi)。（2）回火控制：為防止回火，在設(shè)計(jì)管道尺寸時(shí)應(yīng)使廢氣的低流速始終大于回火速度，或在前期管道主路設(shè)置減壓閥，使進(jìn)氣壓力始終高于下游氣體壓力。（3）其他安全措施：采用回火防止器、稀釋空氣等方法。（4）設(shè)置輕故障或重故障報(bào)警及安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)，當(dāng)有回火情況發(fā)生時(shí)，蜂鳴器將發(fā)出警報(bào)指示。
 
1.3 催化燃燒裝置的優(yōu)缺點(diǎn)
 
催化燃燒廢氣處理技術(shù)是 20 世紀(jì) 40 年代末出現(xiàn)的。從 1949 年美國(guó)研制出世界上套催化燃燒裝置到現(xiàn)在，該技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于油漆、橡膠、塑料、樹脂、皮革、食品和鑄造等領(lǐng)域，也用于汽車尾氣凈化等方面。中國(guó)在 1973 年開始將催化燃燒法用于治理漆包線烘干爐排出的有機(jī)廢氣，隨后又在絕緣材料、印刷工業(yè)等方面進(jìn)行了研究，使催化燃燒法得到了廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)多年來(lái)的發(fā)展與改良，催化燃燒裝置具有其特有的優(yōu)勢(shì)：（1） 可處理絕大多數(shù)VOCs 廢氣；（2）可將有機(jī)化合物氧化分解成無(wú)毒無(wú)害的 CO2 氣體與 H2O；（3）分解效率高達(dá) 95%以上，無(wú)需作后續(xù)處理；（4）可在低溫（200~400 ℃）下對(duì) VOCs 進(jìn)行分解，燃料消耗量低（節(jié)能）；（5）催化劑使用壽命長(zhǎng)，可根據(jù)入口氣體的風(fēng)量與 VOCs含量推斷催化劑的使用時(shí)間，且催化劑可進(jìn)行再生利用；（6）設(shè)備內(nèi)為負(fù)壓結(jié)構(gòu)（風(fēng)機(jī)設(shè)置在設(shè)備內(nèi)部下游），可有效防止臭氣滲漏；（7）具有高度安全性，能在低溫下進(jìn)行反應(yīng)，無(wú)粉塵爆炸的危險(xiǎn)；（8）處理效率在 99%以上（徹底除臭）。
 
催化燃燒裝置的缺點(diǎn)：（1）對(duì)于較大風(fēng)量且低VOCs 質(zhì)量濃度廢氣而言，處理費(fèi)用相對(duì)過(guò)高，可協(xié)同沸石滾輪濃縮設(shè)備進(jìn)行廢氣濃縮后再作催化氧化處理；（2）用于處理 VOCs 的氧化用催化劑當(dāng)遇見硫、磷、硅等物質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生催化劑中毒現(xiàn)象，因此需要設(shè)置預(yù)處理步驟。
 
1.4 催化燃燒裝置運(yùn)行參數(shù)
 
催化氧化裝置的大小由大處理風(fēng)量來(lái)決定，一般大處理風(fēng)量可達(dá)到 30 000 m3/h（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，下同），根據(jù)處理廢氣中 VOCs 的質(zhì)量濃度與成分對(duì)催化劑種類與用量進(jìn)行選擇。由于催化劑氧化處理的合適溫度在 350 ℃左右，因此需通過(guò)燃燒室對(duì)廢氣進(jìn)行預(yù)加熱。為防止溫度過(guò)高或過(guò)低導(dǎo)致工況溫度異常，可將熱電偶信號(hào)輸送至可編程邏輯控制器（PLC）控制盤面板以便于監(jiān)測(cè)與讀數(shù)，并設(shè)置溫度警報(bào)以防高溫下催化劑燒焦或低溫下催化劑處理活性過(guò)低的現(xiàn)象發(fā)生。燃燒器用加熱燃料通常采用液化天然氣（LＮG）或液化石油氣（LPG），如果部分廠區(qū)因消防原因無(wú)上述燃料供應(yīng)，也可采用電加熱的方式進(jìn)行廢氣加熱。根據(jù)燃料不同熱值與所處理廢氣的風(fēng)量大小、入口溫度等參數(shù)進(jìn)行熱量衡算，確認(rèn)燃?xì)獾挠昧俊Ｓ捎谒幚淼膹U氣中含有 VOCs 成分，其本身在燃燒過(guò)程中也能提供一定的熱量，經(jīng)驗(yàn)上認(rèn)為當(dāng) VOCs 質(zhì)量濃度達(dá)到 2 000 mg/m3 左右時(shí)所產(chǎn)生的熱量可以滿足燃?xì)馔饧拥臒崮苄枨?。該部分熱量必須考慮在熱量衡算中，以免溫度過(guò)高導(dǎo)致催化劑被燒毀的現(xiàn)象發(fā)生。綜上所述，廢氣流量、燃?xì)饬髁俊⑷肟诔隹跍囟燃叭紵覝囟染鶠楸匾O(jiān)控的運(yùn)行參數(shù)。
 
1.5 催化劑選擇與使用
 
催化燃燒裝置采用的氧化催化劑多為鉑（Pt）貴金屬型材料，其佳使用溫度在 350 ℃左右，形狀大多為粉末狀或蜂窩狀。一般催化劑的使用期限在 5年左右，這需要根據(jù)待處理氣體的濃度與成分而定?？蓪?duì)達(dá)到使用年限的催化劑進(jìn)行再生處理，再生后的催化劑可循環(huán)使用。此外，在選擇氧化催化劑前需要對(duì)處理廢氣的風(fēng)量、組分與濃度進(jìn)行相關(guān)確認(rèn)。組分決定氧化催化劑的種類，風(fēng)量與濃度決定催化劑的用量。通常每種催化劑均有相應(yīng)的空速比（SV），可根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)推算出觸媒的大致用量，計(jì)算公式見式（1）。
 
 
 
 
其中：v 為催化劑空速，h-1；Q 為處理廢氣量，m3/h；Vc為催化劑用量，m3。
 
例如：某蜂窩狀催化劑的 SV 值為 35 000 h-1（查表），風(fēng)量為 4 200 m3/h，則可算出催化劑用量約為 0.12 m3。
 
1.6 處理效率
 
催化燃燒處理裝置的效率在適合溫度（350℃左右）下可達(dá)到 95%以上，入口廢氣的濃度不同處理效率有所不同，濃度越高處理效率越高[3]。影響處理效率的因素包括：（1）催化劑中毒（含有硫、磷、硅等的化合物）；（2）溫度過(guò)低，催化劑活性不足。
 
當(dāng)處理廢氣中含有容易使催化劑中毒的物質(zhì)時(shí)，可在催化劑室前設(shè)置前處理設(shè)備，即增加前處理催化劑。工程中常采用蜂窩狀的陶瓷類前處理劑來(lái)去除硫等物質(zhì)。同樣，廢氣的組成不同，前處理劑的選擇也不同。此外，當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)，氧化催化劑對(duì)廢氣中 VOCs 的氧化效率會(huì)大幅減弱，因此需要在裝置中設(shè)置熱電偶及傳感器，使即時(shí)溫度能及時(shí)顯示在 PLC 盤柜顯示屏中，并設(shè)置低溫輕故障警報(bào)，當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)自動(dòng)點(diǎn)燃燃燒加熱器進(jìn)行升溫。
 
2 催化燃燒裝置應(yīng)用案例與效果分析
 
催化燃燒裝置采用催化劑對(duì)廢氣中的 VOCs 物質(zhì)進(jìn)行催化氧化，并形成無(wú)毒無(wú)害的 CO2 與 H2O。由于其處理效率高及操作、維護(hù)方便，已在化工、制藥、食品等領(lǐng)域廣泛運(yùn)用。
 
2.1 催化氧化裝置應(yīng)用實(shí)例
 
目前我國(guó)各省采用的 VOCs 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)主要為天津地標(biāo)，即 DB 12/524—2014《工業(yè)企業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物排放控制標(biāo)準(zhǔn)》，測(cè)試方法采用 HJ 734—2014《固定污染源廢氣揮發(fā)性有機(jī)物的測(cè)定 固相吸附 - 熱脫附 / 氣相色譜 - 質(zhì)譜法》；相比于先前通過(guò)非甲烷總烴（ＮＭHC）來(lái)對(duì)廢氣處理質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，天津地標(biāo)重點(diǎn)對(duì)苯、甲苯、二甲苯與 VOCs（24 項(xiàng)）指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。VOCs 測(cè)試方法 HJ 734—2014 中主要揮發(fā)性有機(jī)物的測(cè)試內(nèi)容為：丙酮、異丙醇、正己烷、乙酸乙酯、苯六甲基二硅氧烷、3- 戊酮、正庚烷、甲苯、環(huán)戊酮、乳酸乙酯、乙酸丁酯（醋酸丁酯）、丙二醇單甲醚乙酸酯 、乙苯、對(duì) / 間二甲苯、 2- 庚酮、苯乙烯、鄰二甲苯、苯甲醚、苯甲醛、1- 癸烯、2- 壬酮、1- 十二烯等。
 
表 1 為某繞組線行業(yè)生產(chǎn)線所排放的廢氣未經(jīng)處理時(shí)（裝置入口處）及經(jīng)過(guò)催化燃燒裝置處理后出口氣體各成分質(zhì)量濃度的對(duì)比數(shù)據(jù)，裝置處理風(fēng)量為 15 000 m3/h，入口廢氣溫度為常溫狀態(tài)，檢測(cè)方法采用 HJ 734—2014。
 
 
 
 
 
2.2 效果分析
 
根據(jù)對(duì)出口廢氣成分與質(zhì)量濃度的檢測(cè)得知，廢氣中的苯、甲苯、二甲苯及 VOCs24 項(xiàng)測(cè)試結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求（印刷行業(yè) 50 mg/m3 以下），催化燃燒裝置的 VOCs 處理效率高達(dá) 99.2%，滿足國(guó)家大氣污染治理相關(guān)文件中催化燃燒裝置處理效率大于95%的要求。
 
3 結(jié)語(yǔ)
 
催化燃燒裝置具有 VOCs 去除效率高、能耗低、自動(dòng)化操作方便等特點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)。目前在我國(guó)，相對(duì)于傳統(tǒng)吸附技術(shù)與生化技術(shù)等VOCs 處理方法，催化燃燒工藝市場(chǎng)的占有率超過(guò)22%，其在國(guó)外市場(chǎng)占有率高達(dá) 29%，顯示出其日益成熟并且被市場(chǎng)廣泛接受的趨勢(shì)[4]。催化燃燒裝置適合處理中小風(fēng)量（800~30 000 m3/h）廢氣，在風(fēng)量較大、VOCs 質(zhì)量濃度過(guò)低的情況下，可采用上游安裝沸石轉(zhuǎn)輪對(duì)氣體進(jìn)行濃縮，下游利用催化燃燒裝置進(jìn)行氧化處理的協(xié)同方法進(jìn)行處理?？傮w來(lái)說(shuō)，催化燃燒裝置與工藝是一種經(jīng)濟(jì)方便的 VOCs 廢氣處理方式。