VOCs 廢氣處理用催化燃燒裝置應用分析與研究

介（jiè）紹了揮發性（xìng）有機化合（hé）物（VOCs）廢（fèi）氣處理用催化燃燒裝置（zhì）的結構與工作原理，並結合（hé）裝置的應用實例來對催化燃燒設備進行分析與研究。根據現行相關大氣標準的要求與實際工況，對催化燃燒裝（zhuāng）置在廢氣處理過程中所體現的優勢與尚（shàng）需改（gǎi）進之（zhī）處（chù）進行了總（zǒng）結。
 
揮發性有（yǒu）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的易揮發性有機化合物，包括苯、甲苯、二甲苯等常規烴類化合物，硫氨有機化合物等[1]。有機廢氣容易與大氣中的氮氧化（huà）物反應生成 O3 並形成光化（huà）學煙霧，會對人體健康產生有害影響，因此 VOCs 廢氣的處（chù）理受（shòu）到了各國的（de）高度重視，發達國家近年陸續頒布了相（xiàng）關的法令以限製 VOCs 的排放。
 
2017年VOCs的排放量已超過（guò）3100 萬 t [2]，其來源（yuán）主要有（yǒu）固定源與移動源（yuán）2 種。移動源排放主要集中（zhōng）在汽車、輪船和飛機（jī）等以石油產品為燃（rán）料（liào）的交通工具的排放氣。固定源的種類很多，主（zhǔ）要為石油化工工藝過程和儲（chǔ）存設備等的（de）排出物（wù）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、製（zhì）藥、塑料和橡膠加工等。全國（guó）各地對於 VOCs廢氣的排放有著嚴格的控製，陸續公布（bù）了新的VOCs 排放標準。常規處理 VOCs 廢氣采用前端回收（shōu）技術或後端氧化（huà）分解（jiě）2種方式，前（qián）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（lí）；而氧化分解技術則是通過生化法，利（lì）用光、熱、催化劑或微生物對VOCs進行氧化分解，並生成（chéng）CO2與H2O。氧化分解VOCs的（de）方法一般有直接燃燒法、蓄熱式燃燒法、催化（huà）燃燒法等。其（qí）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（zhì）內的貴金屬催（cuī）化劑進行接（jiē）觸並發生催化氧化（huà）反應，將有（yǒu）機物氧化生成無害的 CO2與H2O，達到除去VOCs目的（de）的（de）一種設備與工藝。
 
 
1 催化燃燒裝置介紹
 
催化燃（rán）燒裝置是一種（zhǒng）通過氧化催化劑對加熱至一定溫度的廢氣催化氧化（huà），使（shǐ）其生成無害的 CO2 與 H2O 的工藝設備。與傳統蓄熱燃燒、直燃式熱（rè）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氧化催化劑的佳工作溫度（250~400 ℃），可實現低溫氧化廢氣中的 VOCs，並大大節省處理廢氣的運（yùn）行（háng）成本。
 
1.1 催化燃燒裝置原理
 
催化燃燒裝置的結（jié）構及（jí）處理流程如圖 1 所示。含 VOCs 廢氣進入裝置入口，經過濾器過（guò）濾後進入換熱（rè）器室進行熱交換，再進（jìn）入燃燒器室對（duì）廢氣進（jìn）行預加熱（燃燒用氧氣為廢氣中所含有的空氣，也可通（tōng）過旁路風閥補充（chōng）空氣），待加熱至 350 ℃後由送風機將（jiāng）預熱氣體抽至催化劑（jì）室進行催化氧化。由於部分廢氣中含有硫、矽、磷等元素，會使（shǐ）貴金屬催化劑中毒，因此預加熱後的廢氣在進（jìn）入催化劑室前需進行（háng）預處理。當（dāng）處理後的廢（fèi）氣進入催化劑室並與氧化催化劑接觸時，催化劑將廢氣中的 VOCs 氧化分解成（chéng）CO2 和 H2O。處理後（hòu）的（de）無害氣（qì）體將被送入一次換熱（rè）器，與（yǔ）從入口（kǒu）來（lái）的廢氣進行熱交換（huàn），達到節約熱源的目（mù）的。風機采用耐高溫型號，放置於設備本體下（xià）遊部分（fèn），目的在於使上遊路（lù）徑形成負（fù）壓（yā），防止氣體泄漏。裝置排氣口預設取樣孔，用於對處理後的廢氣進行成分檢測。
 
 
1.2 催化燃燒（shāo）裝置安全性預防
 
由於催化燃燒（shāo）裝置在（zài）燃燒室中采用明火對廢氣進行預熱，因此需考慮廢氣的相（xiàng）關安全（quán）措施（shī）：（1）廢氣中 VOCs 含量需控製在 LEL（爆炸下限）的 25%以下，以防止爆炸或火災。（2）回（huí）火控製：為防止回火（huǒ），在設計管道尺（chǐ）寸時應（yīng）使廢氣的低流（liú）速始終大（dà）於回火速度，或在前期管道主路設置減壓閥，使進（jìn）氣壓力始終高於下遊氣體壓力。（3）其他（tā）安全措施：采用回火防止（zhǐ）器、稀釋空（kōng）氣等方法。（4）設置輕故（gù）障或重故障報警（jǐng）及安全聯鎖控製係統，當有（yǒu）回火（huǒ）情況發生時，蜂鳴器將（jiāng）發出警報指示（shì）。
 
1.3 催化燃燒裝置的優（yōu）缺點
 
催化燃燒廢氣（qì）處理技術是 20 世紀 40 年代末（mò）出現的。從 1949 年（nián）美國（guó）研製出世界上（shàng）套催化燃燒裝置到現在，該技術已廣泛地應用於油漆、橡膠、塑料、樹脂、皮革（gé）、食品和（hé）鑄造等領域，也用於汽車尾（wěi）氣淨化（huà）等（děng）方麵。中國在 1973 年開始將催化（huà）燃燒法用於治理漆包線（xiàn）烘幹（gàn）爐排出的有機廢氣，隨後又（yòu）在絕緣材料、印刷工業等方麵進行（háng）了研究，使（shǐ）催化燃燒（shāo）法得到了廣泛的應用。經過（guò）多年來的發展與改（gǎi）良，催（cuī）化燃燒裝置具有其（qí）特有的優勢：（1） 可處（chù）理絕大多數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，無需作後續（xù）處理；（4）可在低溫（200~400 ℃）下對 VOCs 進行分解，燃料消耗量（liàng）低（dī）（節能）；（5）催化劑使用壽命長，可根據入口（kǒu）氣體的（de）風量與 VOCs含量推斷催化劑的使用時（shí）間，且催化劑可進行（háng）再生利用；（6）設（shè）備內（nèi）為負壓結構（風機設置在設備內部下遊），可有效防止臭氣滲（shèn）漏；（7）具有高度安全性，能在（zài）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（zhuāng）置的缺點：（1）對於（yú）較大風量且低VOCs 質量濃度廢氣而言，處理費用相對過高，可（kě）協同沸石滾輪濃縮（suō）設備進行廢氣濃縮後再作催化氧（yǎng）化處理；（2）用於處理 VOCs 的氧化（huà）用催化劑當遇見硫（liú）、磷、矽等物質時會發生催化劑中毒現象，因此需要（yào）設置預處理步驟。
 
1.4 催化燃燒裝置運行參數
 
催化氧化（huà）裝（zhuāng）置（zhì）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（標準狀態下，下同），根據處理廢氣中 VOCs 的質量濃度與成分對（duì）催化劑種類與用（yòng）量進行選擇。由（yóu）於催化劑氧化（huà）處理的合適溫度在 350 ℃左右，因此需通過燃燒室對廢氣進行（háng）預加熱。為防止溫度過高或過低導致工況溫（wēn）度異常，可將熱電偶信號輸送至可編程邏輯控（kòng）製器（PLC）控製盤麵板以便於監測與讀（dú）數，並設置溫度警報以防（fáng）高（gāo）溫下催化劑燒焦或低溫下催化劑處理活性過低的現象發生。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（rè）。根據燃料不同熱（rè）值與所處理廢氣的風量大小（xiǎo）、入口溫度等參數進行（háng）熱量（liàng）衡算（suàn），確認（rèn）燃氣的用量。由於所處（chù）理的廢（fèi）氣中含有 VOCs 成分（fèn），其本身在燃燒（shāo）過（guò）程中也能提供一定的（de）熱量，經驗上認為當（dāng） VOCs 質量濃度達（dá）到 2 000 mg/m3 左右時所（suǒ）產生的熱量可以滿足燃氣外加的熱能需求。該部分熱量（liàng）必須考慮在熱量衡算中，以免溫度過高導致催化（huà）劑（jì）被燒（shāo）毀的現象發生。綜上所述，廢氣流量、燃（rán）氣（qì）流量、入口出口溫度及燃燒室溫度均為必要監控的運行參數。
 
1.5 催化劑選擇與使用
 
催（cuī）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（duō）為粉末狀或蜂窩狀（zhuàng）。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（qì）體的濃度與成分而定（dìng）。可對達到使用年限的催化劑進行再生處理，再生後的催化劑可循環使用。此外，在選擇氧化催化劑前需（xū）要對（duì）處理廢氣的風量、組分與濃度（dù）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（yīng）的空速比（SV），可（kě）根據相關數據推算出（chū）觸（chù）媒的大致用量，計算（suàn）公式見式（1）。
 
 
 
 
其中：v 為催化劑空速，h-1；Q 為處（chù）理廢氣量（liàng），m3/h；Vc為催化劑（jì）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（wéi） 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（huà）燃燒處理裝置的效（xiào）率在適合溫度（350℃左右）下（xià）可達到 95%以上，入口廢氣的濃（nóng）度不同處理（lǐ）效（xiào）率有所不同，濃度越高處理效率越高[3]。影響（xiǎng）處理效（xiào）率的因素（sù）包括：（1）催化劑（jì）中毒（含有硫、磷（lín）、矽等的化合物）；（2）溫度過低，催化劑活性不足。
 
當處理廢氣中（zhōng）含有容（róng）易使催化劑中毒（dú）的物（wù）質時，可在催化劑室（shì）前（qián）設置前處理設備，即（jí）增加前處理催化（huà）劑。工程中常采用蜂窩狀的陶瓷類前處理劑（jì）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（bú）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（yīn）此需（xū）要在（zài）裝置中設置熱電偶及傳感器，使即時溫度能及時顯示在 PLC 盤櫃顯（xiǎn）示屏（píng）中，並（bìng）設置低溫輕故障（zhàng）警報，當溫度過低時自（zì）動點燃（rán）燃燒（shāo）加熱器進行升溫。
 
2 催化（huà）燃燒裝置應用案例與效果分析
 
催（cuī）化燃（rán）燒裝置采用催化劑對廢氣中的 VOCs 物質進行催化氧化，並形成無毒（dú）無害的 CO2 與 H2O。由於其處理效率高及操作（zuò）、維護方便（biàn），已在化工、製藥、食品（pǐn）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（de） VOCs 測試標準主要為（wéi）天津地標，即 DB 12/524—2014《工業企業揮發性有機物排放控製標準》，測試方法采用 HJ 734—2014《固定汙染源廢氣（qì）揮發性有機物的（de）測定（dìng） 固（gù）相吸（xī）附 - 熱脫附 / 氣相色（sè）譜 - 質譜法》；相比於先前通過（guò）非（fēi）甲烷總烴（ＮＭHC）來對廢（fèi）氣處理質量進行評價，天津地標重點對（duì）苯（běn）、甲苯、二（èr）甲苯與 VOCs（24 項）指標進行測試。VOCs 測試方法 HJ 734—2014 中主要揮發性有機物的（de）測試內（nèi）容為：丙酮、異丙醇、正己烷、乙酸乙酯、苯六甲基二（èr）矽氧烷、3- 戊酮、正庚烷、甲苯、環戊酮、乳酸（suān）乙（yǐ）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（gēng）酮、苯（běn）乙烯、鄰二甲苯、苯甲醚、苯甲醛、1- 癸烯、2- 壬酮、1- 十二烯等（děng）。
 
表 1 為某繞組線行業生產線所排放的廢氣未經處理時（裝置入口處）及經過催化（huà）燃燒裝置處理後出口氣體各成分質量濃（nóng）度（dù）的對比數據，裝置處理風量為 15 000 m3/h，入口廢氣溫度為常溫狀態，檢測方法采用 HJ 734—2014。
 
 
 
 
 
2.2 效果分析
 
根據（jù）對出口廢氣成（chéng）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（jun1）符合標（biāo）準要求（印刷行業 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（jiā）大氣汙染（rǎn）治理相關（guān）文件中催化燃燒裝置處理（lǐ）效率大於95%的要求。
 
3 結語（yǔ）
 
催化燃燒裝置（zhì）具有 VOCs 去除效率高、能耗低（dī）、自動化操作方便等特點，現已被廣泛應用於（yú）各種行業。目前在我國，相對於傳統吸附技術與生化（huà）技術（shù）等VOCs 處理方法，催化（huà）燃燒工（gōng）藝（yì）市場的占有率超過22%，其在國外市場占有率高達 29%，顯示出其日益成熟並且被市場廣泛接受的趨勢[4]。催（cuī）化燃（rán）燒裝置適合（hé）處理中小風（fēng）量（800~30 000 m3/h）廢氣，在風量較大、VOCs 質量濃度過低的情況下，可采用上遊安裝沸石轉輪對（duì）氣體進（jìn）行濃縮，下遊利用催化燃燒裝置進行氧化處理的協同方法進（jìn）行處理。總（zǒng）體（tǐ）來說，催化燃燒裝置與工藝（yì）是一種經濟方便的 VOCs 廢氣處理方式。