催化焚燒（CO）在VOCs治理中的應(yīng)用

甄賀輝

（唐山中浩化工有限公司，河北唐山 063000）

催化氧化廢氣焚燒系統(tǒng)（CO）是一種新型去除揮發(fā)性有機廢氣（VOCs）的設(shè)備，獨特的裝式設(shè)計，將設(shè)備固定在一個角鋼或工字鋼制成的底盤上，便于移動、就位，使設(shè)備體積及制造成本均得到了有效控制，同時，又使這一單元的熱回收效率高達82%左右，在大量節(jié)省了運行費用的同時，大幅降低系統(tǒng)的運行成本，使VOCs 濃度最小達100 mg/m3（標(biāo)），最大可達10 000 mg/m3（標(biāo)），所以在流量大濃度低的VOCs凈化領(lǐng)域具有突出的優(yōu)勢。

1 目前工業(yè)廢氣主要處理方式

VOCs 主要來源：目前河北地區(qū)來說包括石油煉制、石油化學(xué)、煉焦、醫(yī)藥生產(chǎn)、有機化工、鋼鐵冶煉、家具制造、木材加工、涂裝、印刷包裝、交通運輸設(shè)備制造等行業(yè)，以及餐飲油煙、服裝干洗、汽車修理等生活服務(wù)行業(yè)也是VOCs 污染源的制造者。通常，有機化合物都含有碳和氫兩種元素，從結(jié)構(gòu)上考慮，可將碳?xì)浠衔锟醋饔袡C化合物的母體，而將其他有機化合物看作是其他原子或基團直接或間接取代碳?xì)浠衔锓肿又械臍湓雍笊傻难苌铮?，該有機化合物也被稱為碳?xì)浠衔锛捌溲苌颷1]。

1.1 直燃爐焚燒法

直燃爐焚燒法指將揮發(fā)性工業(yè)有機廢氣以風(fēng)機等形式直接引入焚燒爐中進行高溫燃燒。若工業(yè)廢氣能達到一定濃度，且燃燒性能較好，一般可直接自行燃燒；若廢氣濃度低于燃燒熱值時，需引入的煤氣或天然氣等輔助燃料，并通過煙囪排放至空氣中，其燃燒產(chǎn)生的熱量可回收利用，如換熱副產(chǎn)蒸汽等。

1.2 蓄熱焚燒法

蓄熱焚燒法（RTO），一般是在高溫下將VOCs氧化分解成為CO2和H2O，使有機廢氣被凈化，同時廢氣分解時所釋放出來的熱量被回收，該焚燒爐熱回收效率達到95%以上，有機廢氣焚燒效率可達到99%以上。一般有機廢氣先預(yù)熱至750℃左右后，然后進入燃燒室進行焚燒，燃燒溫度可達800℃以上，VOCs 被氧化成CO2和H2O，廢氣排放時再經(jīng)過另一個蓄熱室蓄存熱量后再外排，蓄存的熱量用于預(yù)熱新進入的有機廢氣，經(jīng)過周期性地改變氣流方向從而保持爐膛溫度的穩(wěn)定?；镜腞TO 系統(tǒng)由1個公共燃燒室、兩臺或多臺蓄熱室、換向裝置和相配套的控制系統(tǒng)組成。

蓄熱焚燒爐與傳統(tǒng)的直燃焚燒爐比較，明顯優(yōu)勢在于高的熱回收效率，使補充的天然氣等燃料的使用量顯著減少，從而節(jié)約了系統(tǒng)的運行成本。尤其對于有機物含量低、處理量大的工業(yè)氣體，效果更加顯著。

1.3 催化氧化焚燒法

催化氧化焚燒法一般是指VOCs 通過一種或幾種催化劑的作用下，反應(yīng)生成CO2和H2O 的一種方法。催化劑可以降低有機廢氣的燃燒溫度，同時縮短反應(yīng)時間，催化焚燒的溫度一般在350~400℃。目前，有貴金屬催化劑和非貴金屬催化劑，用于處理工業(yè)廢氣。

與直接燃燒法和蓄熱焚燒法相比，催化燃燒法除具備蓄熱焚燒所有優(yōu)點外，最主要是其要求較低的燃燒溫度，極大降低了能耗，在這種低溫條件下，還避免了氮氣或有機廢氣中的氮與氧發(fā)生較強的氧化反應(yīng)，進而產(chǎn)生二次氣態(tài)污染物——氮氧化物。催化焚燒缺點是投資相對較貴。但由于目前環(huán)保管控較為嚴(yán)格，氮氧化物超標(biāo)排放可能會導(dǎo)致企業(yè)被關(guān)停。故催發(fā)焚燒工業(yè)廢氣處理市場占有量逐年加大。

RCO 法具有工藝簡單，操作安全方便，維修、維護量少等優(yōu)點。在污染物排放方面RCO 法具有明顯優(yōu)勢，由于RTO 的燃燒溫度在850℃左右，而RCO 的操作溫度低，在350~400℃，其氮氧化物的排放在20~35 mg/m3，不僅能滿足現(xiàn)行河北省有機化工行業(yè)A 級企業(yè)《重污染天氣應(yīng)急減排措施》要求的排放標(biāo)準(zhǔn)與特別限值要求，同時能適應(yīng)未來可能更加嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。目前部分企業(yè)，如天然氣生產(chǎn)企業(yè)，經(jīng)焚燒處理的有機廢氣在排放前，還需增設(shè)脫硫處理工藝，消除硫化氫對人身安全造成的隱患，降低了操作風(fēng)險，降低檢修時發(fā)生硫化亞鐵自燃的風(fēng)險[2]。

2 催化焚燒爐CO簡述

2.1 焚燒原理

催化氧化是活性氧參與的深度氧化反應(yīng)，是一種典型的氣、固相催化反應(yīng)。催化氧化反應(yīng)期間，催化劑表面具有吸附作用，降低了活化能，即提高了反應(yīng)速率。在催化劑的作用下，VOCs 可以在較低的溫度條件下進行無焰氧化燃燒，有機廢氣被充分氧化分解為CO2和H2O，同時伴隨著大量熱放出，從而達到廢氣被充分分解凈化的方法。低溫氧化條件，避免了直接燃燒由于高溫而產(chǎn)生的二次污染，如高溫使空氣中的氮氣或有機廢氣中的氮與氧發(fā)生較強的氧化反應(yīng)，產(chǎn)生新的二次氣態(tài)污染物——氮氧化物，符合國內(nèi)越來越嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)要求。一般催化氧化的主要設(shè)備包括：催化氧化反應(yīng)器、鼓風(fēng)機、尾氣預(yù)熱器、熱交換器、電加熱器、余熱回收系統(tǒng)等。

2.2 主要設(shè)備描述

2.2.1 反應(yīng)器

一般催化焚燒選用耐腐蝕的材質(zhì)SUS304。

保溫：硅酸鋁針刺毯（容重≥120 kg/m3），保溫保護層為鋁合金（厚度≥0.6 mm）

催化氧化反應(yīng)器屬于固定床反應(yīng)器。反應(yīng)器設(shè)計為矩形截面，可布置在鋼結(jié)構(gòu)上，可更好地適應(yīng)現(xiàn)有場地布置。反應(yīng)器進出口各設(shè)置一溫度點，催化劑床層前后設(shè)置多點溫度計，更好監(jiān)控反應(yīng)器內(nèi)溫度狀況。優(yōu)良的煙道換熱器設(shè)計、選用和布置，熱回收效率可高達75%~82%。為防止發(fā)生腐蝕，CO 反應(yīng)器材質(zhì)采用 304。反應(yīng)器是廢氣氧化的場所，溫度450℃，換熱器預(yù)熱后的廢氣在這里發(fā)生氧化反應(yīng)，生成CO2和H2O。本項目CO 提供一套電加熱來維持CO 氧化室的設(shè)計溫度。

反應(yīng)器設(shè)計工作溫度280~650℃。

2.2.2 鼓風(fēng)機

一般防護及防爆等級：IP55Exd ⅡBT4、F 級絕緣，B 級溫升。

設(shè)備性能指標(biāo)：滿足裝置運行要求，運行噪聲≤85 dB。

設(shè)備描述。

（1）包括：風(fēng)機本體、電機、風(fēng)機及電機整體支座及減振器、進口過濾網(wǎng)、進出口防爆撓性接頭、現(xiàn)場防爆操作箱（柱）、進出口配對法蘭及附件、地腳螺栓等安裝材料等。

（2）風(fēng)機軸承采用SKF 軸承或相當(dāng)品牌。

（3）風(fēng)機殼體材質(zhì)：Q235B。

（4）動平衡精度等級：2.5級。

（5）風(fēng)機主軸材質(zhì)：45#優(yōu)質(zhì)鍛鋼及以上。

（6）軸承座：鑄鋼。

（7）距機殼（加裝包敷層后）1 m 處的噪聲≤85 dB

2.3 反應(yīng)機理

催化氧化反應(yīng)是一種放熱反應(yīng)，有機物的種類及其含量決定放熱量的大小。維持催化氧化過程持續(xù)進行的最經(jīng)濟的操作方法是有機廢氣的分解過程中放出足夠的反應(yīng)熱，而氧化過程的放熱量、催化劑的起燃溫度、熱量回收率、廢氣的初始溫度是能否以自熱維持體系正常反應(yīng)的關(guān)鍵因素。

（1）反應(yīng)機理

（2）連續(xù)操作，無須追加燃料

使用催化焚燒設(shè)備，氧化反應(yīng)溫度為400℃。其中，80%熱量回收，20%的熱量損失。

2.4 安全基礎(chǔ)措施及保障方案

2.4.1 安全基礎(chǔ)措施

（1）系統(tǒng)設(shè)定壓力和溫度測量。為確保溫度和壓力維持在正常范圍，一般通過調(diào)整流量和電流來實現(xiàn)控制。

（2）廢氣中的有機物含量遠(yuǎn)低于爆炸極限的25%，凈化后的有機物含量極低，更遠(yuǎn)低于爆炸極限。因此廢氣在處理過程中不存在爆炸危險，并且入口設(shè)置溫度連鎖到入口溫度高高時則可能切換系統(tǒng)跑料，則系統(tǒng)報警、停車。由于燃料為易燃易爆物品，相應(yīng)設(shè)備為防爆設(shè)備。

（3）裝置正常運行時，除放空的空氣中含有微量危險物料外，其他均處于密閉系統(tǒng)中。在設(shè)計時，設(shè)備和管道材料的選型充分考慮物料的性質(zhì)，以避免腐蝕和管道等級選擇不當(dāng)造成的危險物料泄漏。

（4）為防止任何可能發(fā)生的超溫和低溫狀況等不安全狀況，同時確保催化床運行溫度的精確控制，使系統(tǒng)維持在最佳的操作條件，該系統(tǒng)設(shè)置了溫度調(diào)節(jié)旁路裝置作為保障。

（5）為防止任何可能殘存的可燃物的存在，啟動系統(tǒng)時，同時啟動鼓風(fēng)機送風(fēng)，以不低于系統(tǒng)體積4倍的風(fēng)量進行吹掃。

（6）當(dāng)運行溫度高于系統(tǒng)設(shè)定的高高限時，緊急關(guān)閉廢氣的入口閥、報警、聯(lián)鎖有關(guān)閥門，切斷有機物的來源，同時開啟空氣風(fēng)機對裝置進行吹掃降溫，直至故障排除。

（7）裝置出現(xiàn)問題時，廢氣通過緊急旁路，進入煙囪排放。

（8）在氣體可能泄漏處設(shè)置可燃?xì)怏w檢測報警裝置，報警控制器裝在控制室內(nèi)。

（9）設(shè)置“緊急停車”按鈕。在緊急狀況下，按下此按鈕可以立刻切斷電源，停止設(shè)備運行。

2.4.2 安全保障方案

（1）為了保障系統(tǒng)的電加熱、煙道換熱器、反應(yīng)器及各個管線內(nèi)無殘留的燃料和可燃廢氣，防止點火時發(fā)生爆炸，該系統(tǒng)在開機時設(shè)置了一個系統(tǒng)“吹掃”過程。同時，在催化氧化爐體上裝有防爆膜，即使特殊情況發(fā)生爆炸，可最大限度降低爆炸損失。

（2）聯(lián)鎖及溫度報警。該系統(tǒng)設(shè)置了低低、低、高、高高四個等級的溫度報警。所有的溫度監(jiān)測點都可以設(shè)置相應(yīng)的報警，在工控位機或觸摸屏上都可以設(shè)置相應(yīng)的報警參數(shù)。當(dāng)溫度產(chǎn)生報警時，工控機或觸摸屏上均顯示產(chǎn)生的報警信息。當(dāng)焚燒爐溫度低低或高高報警時，焚燒爐將自動脫機，系統(tǒng)將停止電加熱的動作。

（3）反應(yīng)器溫度下限報警

升溫過程結(jié)束后，尾氣切入CO，同時氧化室溫度低低報警，當(dāng)氧化室溫度低低報警時，CO 脫機。

（4）實時數(shù)據(jù)庫中可以長期存儲所有的報警信息，可以通過此信息分析、判斷系統(tǒng)的運行情況，來調(diào)整工藝參數(shù)，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和高效運行。

（5）在反應(yīng)器進出口有壓力變送器。在反應(yīng)器進出口裝有差壓變送器，用來觀測催化劑床層的工作情況，是否有堵塞或者破損。

（6）CO 系統(tǒng)內(nèi)，除溫度外，壓力也可以設(shè)置相應(yīng)的報警值，可以根據(jù)實際工藝需求進行設(shè)置。系統(tǒng)內(nèi)的報警信息都可長期保存在硬盤或U 盤上。同時，對重要工藝參數(shù)都以歷史趨熱曲線形式供用戶查詢，數(shù)據(jù)可長期保存。

（7）系統(tǒng)主要的報警點：反應(yīng)器進出口床壓差；CO 入口、出口溫度；催化劑床層溫度。

2.5 裝置特點

催化燃燒系統(tǒng)裝置凈化裝置的特點：

（1）催化燃燒爐通常采用優(yōu)質(zhì)金屬鈀，鍍鉑在蜂窩陶瓷載體上作為催化劑，催化效率高達95%以上，阻力小，氣體流量大，可再生，壽命長。

（2）耗能低：一般工作時只消耗風(fēng)機功率，預(yù)熱期間為全功率加熱，當(dāng)被處理的廢氣濃度低于某一個設(shè)定值時，該系統(tǒng)可以自動加熱以保證反應(yīng)溫度要求。

（3）安全保障設(shè)施齊全：溫度壓力連鎖報警、泄壓防爆孔、防火除塵器等保護設(shè)施。

（4）節(jié)能余熱回收利用：余熱可返回干燥路徑進行干燥，減少原干燥路徑的功率消耗；也可作為工廠其他方面的熱源（如副產(chǎn)蒸汽、浴室、散熱器等）。

（5）催化燃燒爐（CO）可選用天然氣、焦?fàn)t煤氣或電加熱等加熱方式進行加熱。

2.6 對VOCs焚燒效果

在長期接觸種類繁多的有害工業(yè)化學(xué)品時，將會對企業(yè)員工的身心健康造成一定威脅?；ぎa(chǎn)品生產(chǎn)過程中，有毒有害物質(zhì)多以氣態(tài)、蒸汽態(tài)、氣溶膠等形式存在工作環(huán)境中 一旦吸入過量毒物，將會對職工的生命健康安全帶來危險[3]。創(chuàng)造一個良好的環(huán)境對企業(yè)員工意義重大。

經(jīng)過CO 處理后的有機廢氣可達到如下排放效果，見表1。

表1 河北省工業(yè)有機廢物排放標(biāo)準(zhǔn)[4]

3 結(jié)論

1）VOCs 經(jīng)過該催化焚燒系統(tǒng)（CO）處理過后，符合國家排放標(biāo)準(zhǔn)要求，二氧化硫和氮氧化物等均可達標(biāo)排放，避免企業(yè)因VOCs 的超標(biāo)排放而被停限產(chǎn)。

2）與直接燃燒和蓄熱焚燒相比，催化焚燒操作安全方便，維修、維護量少，其氮氧化物排放在20~35 mg/m3，能適應(yīng)未來可能更加嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。

3）催化焚燒爐（CO），由于安全、節(jié)能、高效、環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)高等優(yōu)點，受到了化工生產(chǎn)企業(yè)的認(rèn)可和好評，并逐漸被廣泛應(yīng)用，保衛(wèi)了我們的綠色家園。