VOCs 廢氣處理用催化燃燒裝置應用分析與研究

介紹了揮發(fā)性有機化合物（VOCs）廢氣處理用催化燃燒裝置的結構與工作原理，并結合裝置的應用實例來對催化燃燒設備進行分析與研究。根據(jù)現(xiàn)行相關大氣標準的要求與實際工況，對催化燃燒裝置在廢氣處理過程中所體現(xiàn)的優(yōu)勢與尚需改進之處進行了總結。
 
揮發(fā)性有機化物（VOCs）是指沸點在50~260℃之間，室溫下飽和蒸汽壓超過 133.3 Pa的易揮發(fā)性有機化合物，包括苯、甲苯、二甲苯等常規(guī)烴類化合物，硫氨有機化合物等[1]。有機廢氣容易與大氣中的氮氧化物反應生成 O3 并形成光化學煙霧，會對人體健康產(chǎn)生有害影響，因此 VOCs 廢氣的處理受到了各國的高度重視，發(fā)達國家近年陸續(xù)頒布了相關的法令以限制 VOCs 的排放。
 
2017年VOCs的排放量已超過3100 萬 t [2]，其來源主要有固定源與移動源2 種。移動源排放主要集中在汽車、輪船和飛機等以石油產(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程和儲存設備等的排出物及各種使用有機溶劑的場合，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。全國各地對于 VOCs廢氣的排放有著嚴格的控制，陸續(xù)公布了新的VOCs 排放標準。常規(guī)處理 VOCs 廢氣采用前端回收技術或后端氧化分解2種方式，前者采用物理方法，在一定溫度與壓力下，通過冷凝、吸收劑、吸附劑或具有選擇性的膜對VOCs進行分離；而氧化分解技術則是通過生化法，利用光、熱、催化劑或微生物對VOCs進行氧化分解，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使加熱至一定溫度的 VOCs廢氣與裝置內的貴金屬催化劑進行接觸并發(fā)生催化氧化反應，將有機物氧化生成無害的 CO2與H2O，達到除去VOCs目的的一種設備與工藝。
 
 
1 催化燃燒裝置介紹
 
催化燃燒裝置是一種通過氧化催化劑對加熱至一定溫度的廢氣催化氧化，使其生成無害的 CO2 與 H2O 的工藝設備。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。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 ℃），可實現(xiàn)低溫氧化廢氣中的 VOCs，并大大節(jié)省處理廢氣的運行成本。
 
1.1 催化燃燒裝置原理
 
催化燃燒裝置的結構及處理流程如圖 1 所示。含 VOCs 廢氣進入裝置入口，經(jīng)過濾器過濾后進入換熱器室進行熱交換，再進入燃燒器室對廢氣進行預加熱（燃燒用氧氣為廢氣中所含有的空氣，也可通過旁路風閥補充空氣），待加熱至 350 ℃后由送風機將預熱氣體抽至催化劑室進行催化氧化。由于部分廢氣中含有硫、硅、磷等元素，會使貴金屬催化劑中毒，因此預加熱后的廢氣在進入催化劑室前需進行預處理。當處理后的廢氣進入催化劑室并與氧化催化劑接觸時，催化劑將廢氣中的 VOCs 氧化分解成CO2 和 H2O。處理后的無害氣體將被送入一次換熱器，與從入口來的廢氣進行熱交換，達到節(jié)約熱源的目的。風機采用耐高溫型號，放置于設備本體下游部分，目的在于使上游路徑形成負壓，防止氣體泄漏。裝置排氣口預設取樣孔，用于對處理后的廢氣進行成分檢測。
 
 
1.2 催化燃燒裝置安全性預防
 
由于催化燃燒裝置在燃燒室中采用明火對廢氣進行預熱，因此需考慮廢氣的相關安全措施：（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。（2）回火控制：為防止回火，在設計管道尺寸時應使廢氣的低流速始終大于回火速度，或在前期管道主路設置減壓閥，使進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）設置輕故障或重故障報警及安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)，當有回火情況發(fā)生時，蜂鳴器將發(fā)出警報指示。
 
1.3 催化燃燒裝置的優(yōu)缺點
 
催化燃燒廢氣處理技術是 20 世紀 40 年代末出現(xiàn)的。從 1949 年美國研制出世界上套催化燃燒裝置到現(xiàn)在，該技術已廣泛地應用于油漆、橡膠、塑料、樹脂、皮革、食品和鑄造等領域，也用于汽車尾氣凈化等方面。中國在 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廢氣，隨后又在絕緣材料、印刷工業(yè)等方面進行了研究，使催化燃燒法得到了廣泛的應用。經(jīng)過多年來的發(fā)展與改良，催化燃燒裝置具有其特有的優(yōu)勢：（1） 可處理絕大多數(shù)VOCs 廢氣；（2）可將有機化合物氧化分解成無毒無害的 CO2 氣體與 H2O；（3）分解效率高達 95%以上，無需作后續(xù)處理；（4）可在低溫（200~400 ℃）下對 VOCs 進行分解，燃料消耗量低（節(jié)能）；（5）催化劑使用壽命長，可根據(jù)入口氣體的風量與 VOCs含量推斷催化劑的使用時間，且催化劑可進行再生利用；（6）設備內為負壓結構（風機設置在設備內部下游），可有效防止臭氣滲漏；（7）具有高度安全性，能在低溫下進行反應，無粉塵爆炸的危險；（8）處理效率在 99%以上（徹底除臭）。
 
催化燃燒裝置的缺點：（1）對于較大風量且低VOCs 質量濃度廢氣而言，處理費用相對過高，可協(xié)同沸石滾輪濃縮設備進行廢氣濃縮后再作催化氧化處理；（2）用于處理 VOCs 的氧化用催化劑當遇見硫、磷、硅等物質時會發(fā)生催化劑中毒現(xiàn)象，因此需要設置預處理步驟。
 
1.4 催化燃燒裝置運行參數(shù)
 
催化氧化裝置的大小由大處理風量來決定，一般大處理風量可達到 30 000 m3/h（標準狀態(tài)下，下同），根據(jù)處理廢氣中 VOCs 的質量濃度與成分對催化劑種類與用量進行選擇。由于催化劑氧化處理的合適溫度在 350 ℃左右，因此需通過燃燒室對廢氣進行預加熱。為防止溫度過高或過低導致工況溫度異常，可將熱電偶信號輸送至可編程邏輯控制器（PLC）控制盤面板以便于監(jiān)測與讀數(shù)，并設置溫度警報以防高溫下催化劑燒焦或低溫下催化劑處理活性過低的現(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)因消防原因無上述燃料供應，也可采用電加熱的方式進行廢氣加熱。根據(jù)燃料不同熱值與所處理廢氣的風量大小、入口溫度等參數(shù)進行熱量衡算，確認燃氣的用量。由于所處理的廢氣中含有 VOCs 成分，其本身在燃燒過程中也能提供一定的熱量，經(jīng)驗上認為當 VOCs 質量濃度達到 2 000 mg/m3 左右時所產(chǎn)生的熱量可以滿足燃氣外加的熱能需求。該部分熱量必須考慮在熱量衡算中，以免溫度過高導致催化劑被燒毀的現(xiàn)象發(fā)生。綜上所述，廢氣流量、燃氣流量、入口出口溫度及燃燒室溫度均為必要監(jiān)控的運行參數(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_到使用年限的催化劑進行再生處理，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處理廢氣的風量、組分與濃度進行相關確認。組分決定氧化催化劑的種類，風量與濃度決定催化劑的用量。通常每種催化劑均有相應的空速比（SV），可根據(jù)相關數(shù)據(jù)推算出觸媒的大致用量，計算公式見式（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）溫度過低，催化劑活性不足。
 
當處理廢氣中含有容易使催化劑中毒的物質時，可在催化劑室前設置前處理設備，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去除硫等物質。同樣，廢氣的組成不同，前處理劑的選擇也不同。此外，當溫度過低時，氧化催化劑對廢氣中 VOCs 的氧化效率會大幅減弱，因此需要在裝置中設置熱電偶及傳感器，使即時溫度能及時顯示在 PLC 盤柜顯示屏中，并設置低溫輕故障警報，當溫度過低時自動點燃燃燒加熱器進行升溫。
 
2 催化燃燒裝置應用案例與效果分析
 
催化燃燒裝置采用催化劑對廢氣中的 VOCs 物質進行催化氧化，并形成無毒無害的 CO2 與 H2O。由于其處理效率高及操作、維護方便，已在化工、制藥、食品等領域廣泛運用。
 
2.1 催化氧化裝置應用實例
 
目前我國各省采用的 VOCs 測試標準主要為天津地標，即 DB 12/524—2014《工業(yè)企業(yè)揮發(fā)性有機物排放控制標準》，測試方法采用 HJ 734—2014《固定污染源廢氣揮發(fā)性有機物的測定 固相吸附 - 熱脫附 / 氣相色譜 - 質譜法》；相比于先前通過非甲烷總烴（ＮＭHC）來對廢氣處理質量進行評價，天津地標重點對苯、甲苯、二甲苯與 VOCs（24 項）指標進行測試。VOCs 測試方法 HJ 734—2014 中主要揮發(fā)性有機物的測試內容為：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 / 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（裝置入口處）及經(jīng)過催化燃燒裝置處理后出口氣體各成分質量濃度的對比數(shù)據(jù)，裝置處理風量為 15 000 m3/h，入口廢氣溫度為常溫狀態(tài)，檢測方法采用 HJ 734—2014。
 
 
 
 
 
2.2 效果分析
 
根據(jù)對出口廢氣成分與質量濃度的檢測得知，廢氣中的苯、甲苯、二甲苯及 VOCs24 項測試結果均符合標準要求（印刷行業(yè) 50 mg/m3 以下），催化燃燒裝置的 VOCs 處理效率高達 99.2%，滿足國家大氣污染治理相關文件中催化燃燒裝置處理效率大于95%的要求。
 
3 結語
 
催化燃燒裝置具有 VOCs 去除效率高、能耗低、自動化操作方便等特點，現(xiàn)已被廣泛應用于各種行業(yè)。目前在我國，相對于傳統(tǒng)吸附技術與生化技術等VOCs 處理方法，催化燃燒工藝市場的占有率超過22%，其在國外市場占有率高達 29%，顯示出其日益成熟并且被市場廣泛接受的趨勢[4]。催化燃燒裝置適合處理中小風量（800~30 000 m3/h）廢氣，在風量較大、VOCs 質量濃度過低的情況下，可采用上游安裝沸石轉輪對氣體進行濃縮，下游利用催化燃燒裝置進行氧化處理的協(xié)同方法進行處理?？傮w來說，催化燃燒裝置與工藝是一種經(jīng)濟方便的 VOCs 廢氣處理方式。