燃燒法用于VOCs末端治理的研究進展

吳 桐，周玉香，王 芳，曲順利

(中海油石化工程有限公司，山東 濟南 250100)

所謂VOCs，就是揮發(fā)性有機化合物Volatile Organic Compounds的英文縮寫，不同的國家或者機構對它的定義有所不同。根據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)定義，VOCs指的是在常壓下沸點50℃至260℃之間的各類有機物。在我國，對VOCs的定義是常溫下飽和蒸氣壓大于70Pa、常壓下沸點在小于260℃的有機物，或在20℃溫度下，蒸氣壓≥10Pa且具備揮發(fā)性的所有有機化合物。研究發(fā)現(xiàn)，霧霾的形成特別是PM2.5與揮發(fā)性有機物有直接的關系，尤其在近年來大氣污染防治工作的嚴峻形勢下，給VOCs的治理造成了巨大壓力[1]。

VOCs防治技術大體分成源頭治理和末端治理兩大類[2]。源頭治理主要是從生產(chǎn)工藝中的排放源頭出發(fā)，通過改良工藝流程或者生產(chǎn)方法來減輕甚至消除含VOCs廢氣的產(chǎn)生。而末端治理技術按處理途徑劃分主要包括回收法、燃燒法和其他技術等。其中燃燒法作為可以有效處理VOCs排放的主流末端治理技術的一種，正在發(fā)揮著日益重要的作用。

1 燃燒法簡介

燃燒法的原理是通過把含VOCs廢氣加熱到760℃以上，使VOCs與氧氣反應分解成CO2和H2O[2]，實際上就是VOCs在高溫下的燃燒反應，同時放出反應熱。目前，對于采用回收法比較困難的的VOCs及其混合物，燃燒法是比較常用的方法。在VOCs污染控制方面主要應用的有直接燃燒、熱力燃燒、蓄熱燃燒(RTO)、催化燃燒、蓄熱催化燃燒(RCO)等。

燃燒法處理VOCs時發(fā)生的化學反應主要是氧化和高溫下的熱解。所以只能用在處理那些可燃燒或者高溫下能夠分解的VOCs，燃燒法廣泛用于石油化工、噴涂、絕緣材料、包裝印刷等行業(yè)排放的VOCs的治理，還可以用來消除惡臭。由于VOCs氧化分解后的主要產(chǎn)物是CO2和H2O，因而使用這種方法不能做到對其中的有效化合物進行回收利用，但可以實現(xiàn)燃燒熱的部分利用。

2 直接燃燒法

直接燃燒是將VOCs當做燃料直接進行燃燒處理方法，也被稱為火焰燃燒。通常能夠進行直接燃燒處理的VOCs，其中的可燃組分含量比較高，或者是氧化反應釋放的熱量較高，能夠保持持續(xù)燃燒的氣體混合物。典型代表就是煉油化工行業(yè)常見的火炬?；鹁媸且环N敞開式的直接燃燒設備，它適用于只需要補充空氣、無需補充燃料的工業(yè)有機廢氣的處理?；鹁娴母叨瘸３０凑窄h(huán)境保護與安全的要求進行設計，由工廠各處排出的可燃有機廢氣，進過分離器、阻火器、水封罐等阻火設備后導入火炬頂部燃燒排放?；鹁嫜b置在石油化工行業(yè)應用廣泛，目前設計、研究成熟，但存在燃燒熱量不能有效利用的缺點。

3 熱力燃燒法

熱力燃燒是把可燃的VOCs氣體組分溫度提高到可以發(fā)生反應的溫度，使其與氧發(fā)生反應分解成CO2和H2O的處理方式。這里所說的以熱力燃燒凈化有害氣體時并無火焰，而是依靠熱力，即用提高溫度的方法，把廢氣中可燃的VOCs組分氧化分解掉。目前直接熱力燃燒爐已經(jīng)很少使用[3]，逐漸被其他熱力燃燒設備所取代，如蓄熱式熱力燃燒爐(RTO)。

3.1 蓄熱式熱力燃燒爐(RTO)

RTO是在設備中的蓄熱室內(nèi)將含VOCs廢氣升溫到760℃之上，使VOCs氧化分解為CO2和H2O。處理后的高溫廢氣流經(jīng)蓄熱室，使得其內(nèi)部的特制陶瓷蓄熱體被加熱升溫，由此蓄積熱量，可以用來預熱隨后進入的新鮮待處理廢氣，從而達到回收反應熱以及節(jié)省燃料消耗的目的。陶瓷蓄熱體應分為至少兩個以上的區(qū)或室，每個蓄熱室都會次序經(jīng)歷蓄熱、放熱到清掃的程序，不間斷工作，循環(huán)往復[4]。最后的清掃步驟是指放熱達到指定溫度之后，引入一部分已經(jīng)處理完畢廢氣對放熱完的蓄熱室進行吹掃，以保證VOCs沒有殘留達到一個較高的去除率，只有待清掃程序完成后才能再次開始蓄熱。它的特點是：運轉(zhuǎn)費用省，有機廢氣的處理效果好，在國內(nèi)外得到了普遍的應用。

早期的RTO僅有兩個蓄熱室，由于對含VOCs廢氣凈化效率的要求日益提高，目前兩室RTO已經(jīng)逐漸被淘汰，目前市場上以三室RTO和旋轉(zhuǎn)式RTO為主,見表1。其中旋轉(zhuǎn)式RTO一般含有12個蓄熱室[5]，占地面積小，凈化效率高，是現(xiàn)階段較為先進的熱力燃燒設備。

表1 不同型式RTO性能對比

3.2 催化燃燒

與普通熱力燃燒相比，催化燃燒在設備結構沒有太大的不同，主要是通過催化劑的應用，降低了反應溫度，從而減少了熱損失，具有反應溫度低且能量利用效率高的優(yōu)點。催化燃燒系統(tǒng)處理效率較高的關鍵在于使用的專用的、浸漬在鞍狀或是蜂窩狀陶瓷上的催化劑，氧化溫度由760℃以上降低至在250～500℃之間的相對低溫，減少了燃料的消耗的同時又降低了燃燒設備制造成本。將催化劑應用與RTO相結合即為蓄熱式催化燃燒(regenerative catalytic oxidation,RCO)，RCO一般將催化劑置于蓄熱材料的頂部，來使VOCs去除效果最優(yōu)，RCO的熱回收率能夠達到95%。RCO與RTO設備簡圖見圖1。

目前主要的催化劑種類有貴金屬催化劑如負載型Pt/BN催化劑和非貴金屬如負載型稀土基催化劑等。像稀土基催化劑以及過渡金屬催化劑等由于其相對低的成本逐漸成為環(huán)境催化領域研究的熱點。

圖1 RCO與RTO設備簡圖

3.3 存在主要問題

直接燃燒裝置如火炬應用成熟、廣泛，主要是存在燃燒熱量不能有效利用的缺點。RTO系統(tǒng)在設計操作過程要尤其注意安全問題，近幾年來出現(xiàn)了若干起RTO爆炸事故，是制約其進一步推廣應用的一大掣肘。這就需要在制定VOCs廢氣處理方案前充分了解業(yè)主方廢氣排放的工藝，明確其廢氣排放的特點、濃度組分和溫度、壓力、流量的波動性，以及排放過程中可能存在突發(fā)因素。同時嚴格控制RTO設備進口處的VOCs濃度，使其穩(wěn)定在一個安全的范圍內(nèi)，這是預防出現(xiàn)爆炸等嚴重事故的一個重要措施。建議不光從一個設備的角度來設計RTO裝置，要以流程工業(yè)系統(tǒng)設計角度，引入如HAZOP分析等手段，從工藝和連鎖控制等方面提高RTO裝置安全冗余度。同時RTO設備關鍵部件之一的其切換閥切換頻繁，切換速度一般均在0.5s/次左右，也就等于每年要切換成千上萬次，為此一定要選擇耐磨、壽命長、密封性好的切換閥。RCO等催化燃燒方法目前需要著力解決的問題主要是進一步降低催化劑的使用成本同時提高催化劑強度、壽命，同時提高催化效率以盡可能減少燃燒爐中可能產(chǎn)生的二噁英等二次污染物。

4 結語

燃燒法包括催化燃燒在內(nèi)在國內(nèi)的含VOCs廢氣處理領域約占28%的比重[6]，相較于國外大約40%的比重仍有繼續(xù)提高的空間?？偟膩碚f燃燒法處理VOCs適合于哪些中、高濃度VOCs同時連續(xù)排放的場合，因此在石油化工等流程工業(yè)領域應用潛力較大。燃燒法中的直接燃燒法除火炬外已基本被RTO或RCO等熱力燃燒法所取代，RTO和RCO熱回收效率高，同時對廢氣中VOCs濃度及流量的適應性較強，具有廣泛的應用前景，相信隨著連鎖控制、強化預處理以及科學調(diào)試等手段的運用，RTO設備的安全性可以得到大幅度的提高。近年來，多種工藝組合處理含VOCs廢氣日益成為大多數(shù)工程化項目的選擇[7-9]?？梢越⒁环N系統(tǒng)的觀念，從全廠角度出發(fā)，綜合考慮不同裝置的尾氣回收或處理需求，或分別處理或匯合后一同處理，將各個適合的處理技術視為全廠性環(huán)保系統(tǒng)中的一個節(jié)點，進行優(yōu)化組合，形成一個大的整體方案，或許是我們可以努力的方向。