VOCs催化燃燒過程裝備：原理、結構以及關鍵結構技（jì）術

采用傳統VOCs蓄熱催化燃燒裝置可以實現蓄換熱、VOCs催化燃燒的目的,但（dàn）該裝備（bèi）存在著不能（néng）完（wán）全連續化、電控要求高（gāo）、製造成本高、占地麵積大（dà）等（děng）缺點。為解決上述問題,研製出連（lián）續式催（cuī）化燃燒裝備（bèi）。本文先對裝備背景進行講述,重點討論連續催化燃燒裝備原理、結構以及關鍵結構（gòu）技術。

1 改進VOCs 催（cuī）化燃燒裝備（bèi）的原因

揮發性有機物（Volatile Organic Compounds， 簡稱VOCs），是（shì）國家大氣汙染控製的重要對象，近幾（jǐ）年針對VOCs 排放出台多（duō）項環保標準。國內工業VOCs淨化行業目前處於（yú）漸熱狀態（tài），在有機揮（huī）發性廢氣催化燃燒（shāo）裝備（bèi）中，多數環保企（qǐ）業采用蓄熱式催化燃燒裝置，該技術方法（fǎ）采取（qǔ）兩室、三室及以上的蓄熱催化燃燒器，使VOCs 氣體發生催化氧化反應，產生的熱量存儲於（yú）蓄熱載體中，通過頻繁切換閥體（切（qiē）變氣（qì）體流動（dòng）管（guǎn）路），達到冷、熱流體熱（rè）量交（jiāo）換的目的。

蓄熱式（shì）催化燃燒裝備可以（yǐ）實現自給供熱，具有比較好的應用效果。然而，裝備本身存（cún）在著運行操作不能完全連續化、設備製造成本較高、裝備使用時占用體積較大、安裝調試中對電氣控製要（yào）求較高等缺點，對此，需要設計一種操作簡單、可實現（xiàn）連續化運作、高效低成本的一體化VOCs 廢氣淨化裝（zhuāng）備。

2 改進後的VOCs 連（lián）續催化燃燒裝備

本公司結（jié）合生產（chǎn）、施工的相關經驗，對過程裝備進行改（gǎi）進，改進後的裝備（bèi）簡圖如（rú）圖1 所示。結（jié）構中包（bāo）括以下幾個部分：①有（yǒu）機廢氣進口管、出口管；②廢氣進口濃度檢（jiǎn）測控製器、催化（huà）劑床層進口（kǒu）溫度檢測控製器；③廢氣（qì）換熱器、電加熱棒、處理器上蓋板、氣流隔板；④催化劑床層、催（cuī）化劑支撐板。

改進後的催化燃燒器可以進行連續（xù）化操作，有機廢氣進（冷氣（qì））和出口（kǒu）（熱氣）均（jun1）經過廢氣換熱器（qì）的進出端，冷側流體與熱側流（liú）體在換熱器（qì）中（zhōng）進行連續熱交換，利用熱量傳遞性質，熱流體的熱（rè）量經過（guò）壁（bì）傳熱、對流傳熱過程傳遞至冷流體中；廢氣換熱器的冷側出口氣，經過電（diàn）加熱棒區域，對含VOCs 廢氣進行加熱升溫；經加熱的廢（fèi）氣順（shùn）著壓力梯度會越過氣流隔板進入催化劑床層，廢氣（qì）在VOCs 催化劑表麵發（fā）生催化氧化作用，可以實現在較（jiào）低溫度下廢氣（qì）催（cuī）化燃燒，放出氧化反應熱。氣流順（shùn）著催化劑宏觀孔（kǒng）道流動，經支撐板後進入廢氣換（huàn）熱（rè）器，與冷流（liú）體間接接（jiē）觸換熱，從廢氣（qì）換熱器的熱側出口流出，繼而完成（chéng）終排放。

3 新型VOCs 連續催化燃燒裝備技術淺析

3.1 廢氣熱交換器技（jì）術分析

廢氣熱交換器的（de）結構（gòu）設計是（shì）裝置的（de）首要關鍵點，直接影響著裝（zhuāng）備運行的穩定性和處理效率。在設計和安裝調試中需要考慮到以下幾（jǐ）個因素。

（1）氣（qì）體流（liú）動（dòng）情況與運行成本。氣體流動湍流程度越（yuè）高，換熱效率就越高。湍（tuān）流程度增加，意味著操作費用上也會隨之增加。在設計過程中既要（yào）考慮到（dào）運行效（xiào）果，也要（yào）考慮設備製造成本和操作（zuò）費用，因（yīn）此（cǐ）需要對換熱器流體狀態方麵進行（háng）優化。

（2）換熱器內部結（jié）構與材料的選（xuǎn）擇。換熱（rè）器管壁兩側均（jun1）為氣相流體，前後進（jìn）出口氣量基本接近，根據換熱器傳熱計算公式，為了（le）增加熱交換效率，需要提（tí）高兩側氣體的傳熱係數（shù）。在實際（jì）應用中，在熱交換管內外安裝耐溫翅熱片，換熱效果會明顯增加（jiā）。另外熱交換進（jìn）出口兩（liǎng）側分別為高、低溫，氣體溫差較大，對材料抗熱應力性能要（yào）求較高，因此生產製造中需要采用抗（kàng）熱應力（lì）材料。

（3）換（huàn）熱器（qì）的布置與運行的穩定性。對於換熱器的整體布置，一般情（qíng）況下，立式或（huò）者臥式布置。本設（shè）計中為節省裝備的占用（yòng）麵積，熱交換器采用相對水（shuǐ）平方向45 度排布（bù）。但應（yīng）注（zhù）意的是，進、出氣流會對換熱器管（guǎn）壁產生衝卸力，兩種衝卸力對換熱器共同作用（yòng），形成扭矩，極大的影（yǐng）響了換熱器的穩定運行，因此需要對換熱器四角和側壁進行牢固焊（hàn）接。

（4）密封性。進口氣體中含一定濃（nóng）度的（de）VOCs，出口氣體中基本不含有VOCs，熱交（jiāo）換器不進行密封處理，會出現“串氣”現象，導致設備出口氣體不能達到排放標準（zhǔn）。對此，將換熱器冷端進口處與換熱器氣體進口之間、熱端出口與裝備出口之間用金屬（shǔ）直角擋板進行密封焊接。

3.2 電加熱器區域結構技（jì）術分析

電加熱器結構的設（shè）計會影響後續的催化燃燒工序，是（shì）該裝置設計的第二關鍵點。氣體經加熱後進入催化劑床層時，對氣體流動和溫度要（yào）求較高，具體（tǐ）如下：其一，氣體溫度需均勻，若溫度存（cún）在差異，經加熱的氣體進入（rù）催化床層反應後（hòu），導致催化（huà）床層溫度（dù）出現不均勻。催（cuī）化氧化反（fǎn）應屬於放熱反應，繼而更容易出（chū）現（xiàn）床層溫度（dù）超出（chū）設計（jì）溫度的情況，影響催（cuī）化劑的壽（shòu）命（mìng）。其二，氣體流動（dòng）盡量均勻，對於催化劑（jì），理想的情況是每個催化劑活性位都能與VOCs 分（fèn）子同（tóng）一停留時間接觸反應。若流動狀態不均勻，VOCs 分子停留時間上會出現差異，繼而會影響（xiǎng）到催化劑的（de）使用效率和使用成本。

本方案中加熱區域位於熱（rè）交換器、隔離板之間，形成“梯形”結（jié）構，換熱器出口氣流會（huì）與器壁存（cún）在碰（pèng）撞，會損失部分能量，氣體流（liú）動也不均勻，對此保證（zhèng）氣體能夠均一（yī）流（liú）通、均勻加（jiā）熱是設計中必須要考慮到的（de）。

為（wéi）了達到以（yǐ）上目的，本方（fāng）案在“梯形”區域下部（bù）加熱區域要求加熱功率要（yào）低（dī）並設置（zhì）非均（jun1）一孔金屬網，靠近設備（bèi）壁處設置小孔（孔徑接近整體式催化（huà）劑孔徑），目的是增加部分阻力，抵擋住拐角氣流的衝力，均勻氣流。在靠近擋板處網孔設置大孔，方便氣流的正常通過。另外在加熱（rè）棒之間參插大孔徑的金屬網塊，一方麵加熱棒表麵會（huì）產（chǎn）生（shēng）高溫熱輻射，輻射至金屬網塊表麵，加速了金屬網塊的加熱過程，除此之（zhī）外，金屬網塊會進行快速（sù）熱傳導，擴大了加熱範圍，提高了氣- 固傳熱接觸麵積。但在實際製造中還需要對加（jiā）熱棒（bàng）和網塊之間進行絕緣處理，或者在（zài）加（jiā）熱棒外部套入隔網，防止觸碰導電。經過試驗測試，在氣量3000m3/h，氣體出口（kǒu）溫度測量截麵（miàn）點溫度相（xiàng）差5%，整（zhěng）體加熱區域氣體（tǐ）阻力大（dà）約30~50Pa，氣流均勻性較好。

3.3 催化燃燒催化（huà）劑技術分析

對於氣流在催化（huà）劑中的相關狀態和（hé）要求，在上述（二）中（zhōng）已部分介紹。除前述外，對催化劑設計和改造上還需要考慮以下重要的環節。

（1）處理廢（fèi）氣量（liàng）應（yīng）減少。廢（fèi）氣量增大（dà），若要達到規定去除率，在催化劑去除能力不變的情況下（xià），需要（yào）增加催化劑的（de）用量，但目前市場來看，效果較好的催化燃燒催化劑單價（元/m3）均在十幾萬元，會增加設（shè）備的成本。在實際操作中，可以先對廢氣的VOCs 進行濃縮（suō）預處理（濃縮操作需要低於爆炸極限），再通過脫（tuō）附操作將VOCs 脫附出（chū）來（脫附濃度也需要低於爆炸極限），以降低裝（zhuāng）置的（de）使用投資成本和操作（zuò）。

（2）在催化（huà）劑用量計算上，需要綜合考慮到催化劑的類型、VOCs 的組成、反應溫度（dù）等因素，不能隻參照某一因素考慮。

（3）催化劑選擇應嚴謹。比如催化劑對含（hán）鹵素氣（qì）體要求較高，需（xū）優先對該種（zhǒng）廢氣進行預（yù）處理，然而這樣會大大增加處理成本，因此要在（zài）工藝優化、成（chéng）本綜合計算（suàn）之後才能確定催化劑。對於可能會導致催化劑中毒的物質，需要對中毒物質進行預先去除。

（4）催化劑使用過程中，需要保持（chí）表麵潔淨，即定期對催化劑（jì）進行（háng）清洗工作。可以采用（yòng）壓縮空氣、過熱蒸汽、洗滌劑（jì）等方（fāng）式進行清洗。對於廢氣中含有少量的有（yǒu）機顆粒，在低於設計溫度下運行操作時，不完全燃燒易導致（zhì）催化劑（jì）表麵結碳（tàn），堵塞（sāi）催化劑活（huó）性位，降低了催（cuī）化（huà）劑使用效率，此時通入高溫（wēn）蒸汽可以通過重整（zhěng）反應（yīng），去除積碳，可以還原催化劑的活性。

（5）在催化劑（jì）材質上，選用導（dǎo）熱（rè）性能高的（de）材料，比如整體式催化劑采用鋁金屬基（如圖2 所示），由於鋁金屬（shǔ）材料本身導熱性能（néng）高，加熱後的氣體經過金屬催化劑床層（céng），催化（huà）劑活性組分可以（yǐ）迅速被起燃，催（cuī）化（huà）效率（lǜ）很高（gāo）。經測（cè）試，在裝置實際調試（shì）運行期間，催化劑被起燃的時間可以（yǐ）縮短50%~60%（與堇青石整體式蜂窩催化劑進行對比），另外金屬（shǔ）材質蓄熱能力低，這樣催化劑出口氣體的溫度（dù）會（huì）得到一（yī）定的（de）提升，在一定的程度上熱量可以得到更好的（de）回收利用（yòng）。

（6）催化劑的裝填（tián）也會對氣體的流動分布（bù）和催化劑床層溫度分布產生影響。在裝填中需要考慮到催（cuī）化劑的密實性，裝填中要求均勻裝填，緊密一（yī）致，無空隙，催化劑床層邊壁保溫。在整體式催化劑層與層間以及催化（huà）劑床（chuáng）層（céng）邊緣處（chù）可以適當的添入多孔耐高溫（wēn）綿，既可以避免由於層（céng）間孔道的錯位、邊（biān）緣空隙導致的（de）氣（qì）流上的不均勻性和壁效應導致的氣體溝流、短流等現象，同時（shí）邊壁添入耐高溫綿之後會對設（shè）備起到一定的保溫效果（guǒ）。另外整（zhěng）體催化劑（jì）裝填前需要檢測，檢測結果上需要符合相關檢測標準。

蜂窩孔道截麵（miàn）形狀、孔徑、孔密度等參數的（de）設計也很重（chóng）要，這關係到氣阻，氣流均布性、氣體的停留時間、轉化效率等重要參數。孔徑選擇越小，氣阻越（yuè）大（dà），停留時間越短，轉化效率較低，但廢（fèi）氣處理量大。

4 結語

綜上所述，改造後的連續催化燃燒器與傳統的蓄熱RCO 相比，具有占地麵積小、運行（háng）連續、電控要求低等優點。由於設備（bèi）詳細結構較多，本文中從流體動力學工（gōng）程、催化工程、傳熱工（gōng）程等多角度，對（duì）重要（yào）的廢熱交換器、加熱（rè）結構、催化燃燒催化（huà）劑技（jì）術進（jìn）行淺層的分析。可以看（kàn）出，在細節設計上，都需要對過程因素進行優化，既要考慮（lǜ）到設備的高效運行，又要考慮（lǜ）到製造企業的生產成本和被實施企業方（fāng）實際的運行成本（běn）。在技術快速發展的今天，我們可以利用（yòng）現（xiàn）代計算機技術進行輔助模擬設計優化設備參數，在一定程（chéng）度上可（kě）以節（jiē）省時間，提升優化效（xiào）果。