VOCs催化燃燒過程裝備改進與技術淺析

陳飛，岳仁亮,2，吳傲立，齊叢亮，梁青寶

（1.江蘇中科睿賽污染控制工程有限公司，江蘇 鹽城 224000；

2.中國科學院過程工程研究所 多相復雜系統國家重點實驗室，北京 100190）

1 改進VOCs催化燃燒裝備的原因

揮發性有機物（Volatile Organic Compounds，簡稱VOCs），是國家大氣污染控制的重要對象，近幾年針對VOCs排放出臺多項環保標準。國內工業VOCs凈化行業目前處于漸熱狀態，在有機揮發性廢氣催化燃燒裝備中，多數環保企業采用蓄熱式催化燃燒裝置，該技術方法采取兩室、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，產生的熱量存儲于蓄熱載體中，通過頻繁切換閥體（切變氣體流動管路），達到冷、熱流體熱量交換的目的。

蓄熱式催化燃燒裝備可以實現自給供熱，具有比較好的應用效果。然而，裝備本身存在著運行操作不能完全連續化、設備制造成本較高、裝備使用時占用體積較大、安裝調試中對電氣控制要求較高等缺點，對此，需要設計一種操作簡單、可實現連續化運作、高效低成本的一體化VOCs廢氣凈化裝備。

2 改進后的VOCs連續催化燃燒裝備

本公司結合生產、施工的相關經驗，對過程裝備進行改進，改進后的裝備簡圖如圖1所示。結構中包括以下幾個部分：①有機廢氣進口管、出口管；②廢氣進口濃度檢測控制器、催化劑床層進口溫度檢測控制器；③廢氣換熱器、電加熱棒、處理器上蓋板、氣流隔板；④催化劑床層、催化劑支撐板。

改進后的催化燃燒器可以進行連續化操作，有機廢氣進（冷氣）和出口（熱氣）均經過廢氣換熱器的進出端，冷側流體與熱側流體在換熱器中進行連續熱交換，利用熱量傳遞性質，熱流體的熱量經過壁傳熱、對流傳熱過程傳遞至冷流體中；廢氣換熱器的冷側出口氣，經過電加熱棒區域，對含VOCs廢氣進行加熱升溫；經加熱的廢氣順著壓力梯度會越過氣流隔板進入催化劑床層，廢氣在VOCs催化劑表面發生催化氧化作用，可以實現在較低溫度下廢氣催化燃燒，放出氧化反應熱。氣流順著催化劑宏觀孔道流動，經支撐板后進入廢氣換熱器，與冷流體間接接觸換熱，從廢氣換熱器的熱側出口流出，繼而完成最終排放。

圖1 新型催化燃燒裝備系統簡要示意圖

3 新型VOCs連續催化燃燒裝備技術淺析

3.1 廢氣熱交換器技術分析

廢氣熱交換器的結構設計是裝置的首要關鍵點，直接影響著裝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個因素。

（1）氣體流動情況與運行成本。氣體流動湍流程度越高，換熱效率就越高。湍流程度增加，意味著操作費用上也會隨之增加。在設計過程中既要考慮到運行效果，也要考慮設備制造成本和操作費用，因此需要對換熱器流體狀態方面進行優化。

（2）換熱器內部結構與材料的選擇。換熱器管壁兩側均為氣相流體，前后進出口氣量基本接近，根據換熱器傳熱計算公式，為了增加熱交換效率，需要提高兩側氣體的傳熱系數。在實際應用中，在熱交換管內外安裝耐溫翅熱片，換熱效果會明顯增加。另外熱交換進出口兩側分別為高、低溫，氣體溫差較大，對材料抗熱應力性能要求較高，因此生產制造中需要采用抗熱應力材料。

（3）換熱器的布置與運行的穩定性。對于換熱器的整體布置，一般情況下，立式或者臥式布置。本設計中為節省裝備的占用面積，熱交換器采用相對水平方向45度排布。但應注意的是，進、出氣流會對換熱器管壁產生沖卸力，兩種沖卸力對換熱器共同作用，形成扭矩，極大的影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接。

（4）密封性。進口氣體中含一定濃度的VOCs，出口氣體中基本不含有VOCs，熱交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。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直角擋板進行密封焊接。

3.2 電加熱器區域結構技術分析

電加熱器結構的設計會影響后續的催化燃燒工序，是該裝置設計的第二關鍵點。氣體經加熱后進入催化劑床層時，對氣體流動和溫度要求較高，具體如下：其一，氣體溫度需均勻，若溫度存在差異，經加熱的氣體進入催化床層反應后，導致催化床層溫度出現不均勻。催化氧化反應屬于放熱反應，繼而更容易出現床層溫度超出設計溫度的情況，影響催化劑的壽命。其二，氣體流動盡量均勻，對于催化劑，最理想的情況是每個催化劑活性位都能與VOCs分子同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，繼而會影響到催化劑的使用效率和使用成本。

本方案中加熱區域位于熱交換器、隔離板之間，形成“梯形”結構，換熱器出口氣流會與器壁存在碰撞，會損失部分能量，氣體流動也不均勻，對此保證氣體能夠均一流通、均勻加熱是設計中必須要考慮到的。

為了達到以上目的，本方案在“梯形”區域下部加熱區域要求加熱功率要低并設置非均一孔金屬網，靠近設備壁處設置小孔（孔徑接近整體式催化劑孔徑），目的是增加部分阻力，抵擋住拐角氣流的沖力，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。另外在加熱棒之間參插大孔徑的金屬網塊，一方面加熱棒表面會產生高溫熱輻射，輻射至金屬網塊表面，加速了金屬網塊的加熱過程，除此之外，金屬網塊會進行快速熱傳導，擴大了加熱范圍，提高了氣-固傳熱接觸面積。但在實際制造中還需要對加熱棒和網塊之間進行絕緣處理，或者在加熱棒外部套入隔網，防止觸碰導電。經過試驗測試，在氣量3000m3/h，氣體出口溫度測量截面點溫度相差5%，整體加熱區域氣體阻力大約30～50Pa，氣流均勻性較好。

3.3 催化燃燒催化劑技術分析

對于氣流在催化劑中的相關狀態和要求，在上述（二）中已部分介紹。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）處理廢氣量應減少。廢氣量增大，若要達到規定去除率，在催化劑去除能力不變的情況下，需要增加催化劑的用量，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，會增加設備的成本。在實際操作中，可以先對廢氣的VOCs進行濃縮預處理（濃縮操作需要低于爆炸極限），再通過脫附操作將VOCs脫附出來（脫附濃度也需要低于爆炸極限），以降低裝置的使用投資成本和操作。

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

（3）催化劑選擇應嚴謹。比如催化劑對含鹵素氣體要求較高，需優先對該種廢氣進行預處理，然而這樣會大大增加處理成本，因此要在工藝優化、成本綜合計算之后才能確定催化劑。對于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，需要保持表面潔凈，即定期對催化劑進行清洗工作。可以采用壓縮空氣、過熱蒸汽、洗滌劑等方式進行清洗。對于廢氣中含有少量的有機顆粒，在低于設計溫度下運行操作時，不完全燃燒易導致催化劑表面結碳，堵塞催化劑活性位，降低了催化劑使用效率，此時通入高溫蒸汽可以通過重整反應，去除積碳，可以還原催化劑的活性。

（5）在催化劑材質上，最好選用導熱性能高的材料，比如整體式催化劑采用鋁金屬基（如圖2所示），由于鋁金屬材料本身導熱性能高，加熱后的氣體經過金屬催化劑床層，催化劑活性組分可以迅速被起燃，催化效率很高。經測試，在裝置實際調試運行期間，催化劑被起燃的時間可以縮短50%～60%（與堇青石整體式蜂窩催化劑進行對比），另外金屬材質蓄熱能力低，這樣催化劑出口氣體的溫度會得到一定的提升，在一定的程度上熱量可以得到更好的回收利用。

（6）催化劑的裝填也會對氣體的流動分布和催化劑床層溫度分布產生影響。在裝填中需要考慮到催化劑的密實性，裝填中要求均勻裝填，緊密一致，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劑床層邊緣處可以適當的添入多孔耐高溫綿，既可以避免由于層間孔道的錯位、邊緣空隙導致的氣流上的不均勻性和壁效應導致的氣體溝流、短流等現象，同時邊壁添入耐高溫綿之后會對設備起到一定的保溫效果。另外整體催化劑裝填前需要檢測，檢測結果上需要符合相關檢測標準。

圖2 堇青石整體式催化劑和金屬基整體式催化劑

蜂窩孔道截面形狀、孔徑、孔密度等參數的設計也很重要，這關系到氣阻，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，氣阻越大，停留時間越短，轉化效率較低，但廢氣處理量大。

4 結語

綜上所述，改造后的連續催化燃燒器與傳統的蓄熱RCO相比，具有占地面積小、運行連續、電控要求低等優點。由于設備詳細結構較多，本文中從流體動力學工程、催化工程、傳熱工程等多角度，對重要的廢熱交換器、加熱結構、催化燃燒催化劑技術進行淺層的分析。可以看出，在細節設計上，都需要對過程因素進行優化，既要考慮到設備的高效運行，又要考慮到制造企業的生產成本和被實施企業方實際的運行成本。在技術快速發展的今天，我們可以利用現代計算機技術進行輔助模擬設計優化設備參數，在一定程度上可以節省時間，提升優化效果。