預(yù)熱式催化燃燒工藝處理VOCs技術(shù)工程實踐

徐遵主，蔣海濤

(南京大學(xué)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計研究院股份公司，江蘇 南京 210093)

催化燃燒工藝主要分為蓄熱式熱氧化法(RTO)[1-2]、蓄熱式催化燃燒法(RCO)[3-5]、預(yù)熱式催化燃燒法(CO)[6]三種。預(yù)熱式催化燃燒工藝處理VOCs的過程相對簡單、設(shè)備較少、成本較低、對催化劑的要求也相對較低[7]。CO工藝不同于RTO和RCO的是，它不需要化學(xué)燃料提供高溫環(huán)境，也不需要陶瓷蓄熱體進(jìn)行熱量儲存，而是采用電加熱器組提供反應(yīng)環(huán)境溫度，利用內(nèi)置的換熱器，在出口高溫尾氣與入口常溫廢氣之間進(jìn)行循環(huán)換熱，使待處理的入口廢氣提前被預(yù)熱至催化合成溫度，節(jié)省燃料(電能)的同時，增加系統(tǒng)處理效率。

反應(yīng)釜中排放的有機(jī)廢氣屬于高濃度、小風(fēng)量型的有機(jī)廢氣。為了節(jié)約能源、降低企業(yè)生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)安全(催化燃燒無明火)，最徹底的方法是催化燃燒。它的工藝幾乎適用于所有的含烴類及惡臭等有機(jī)氣體，且由于反應(yīng)溫度低，能大量降低氮氧化物的生成，但使用中需要注意：(1)并不是所有的含VOCs廢氣都可以直接采用催化燃燒工藝處理，對于廢氣源強(qiáng)需要仔細(xì)考察，若VOCs中含有大量氮氧化物或者酸堿性氣體等非VOCs時，需要進(jìn)行前級預(yù)處理，將非VOCs成分降到最低后，再經(jīng)由催化燃燒工藝進(jìn)行處理。(2)根據(jù)系統(tǒng)性能、處理能力和承壓能力，待處理廢氣濃度不宜過高，壓力不宜過大，必要時可使用新鮮空氣進(jìn)行稀釋。

從經(jīng)濟(jì)性、安全性、凈化率、運輸、占地等方面考慮，有機(jī)廢氣進(jìn)入催化裝置濃度范圍(1000～5000 mg/m3)最為合理。當(dāng)有機(jī)廢氣排放濃度低于1000 mg/m3時，凈化裝置的造價、運行費用等方面就不合算，當(dāng)有機(jī)廢氣排放濃度高于5000 mg/m3時，凈化裝置的凈化效率、設(shè)備安全性將會帶來極大挑戰(zhàn)和危害。

1 項目概況

本文以常熟巴德富科技有限公司廢氣治理項目為例，重點介紹預(yù)熱式催化燃燒(以下簡稱CO)工藝技術(shù)在工程項目中的實踐和運用。

企業(yè)廢氣成分主要為苯乙烯和丙烯酸丁酯等；非甲烷總烴進(jìn)氣濃度不超過10000 mg/m3，風(fēng)量15000 m3/h，催化劑為鉑鈀貴金屬負(fù)載蜂窩陶瓷載體，空速15000 h-1。

2 預(yù)熱式催化燃燒工藝流程

催化燃燒是典型的氣-固相催化反應(yīng)，其實質(zhì)是活性氧參與的深度氧化作用。在催化燃燒過程中，催化劑的作用是降低活化能，同時催化劑表面具有吸附作用，使反應(yīng)物分子富集于表面提高了反應(yīng)速率，加快了反應(yīng)的進(jìn)行。借助催化劑可使有機(jī)廢氣在較低的起燃溫度條件下，發(fā)生無焰燃燒，并氧化分解為無毒氣體，同時放出大量熱能，從而達(dá)到去除廢氣中有害物的目的。預(yù)熱式催化燃燒工藝流程圖如圖1所示。

圖1 廢氣處理系統(tǒng)工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of exhaust gas treatment system

由于車間廢氣源強(qiáng)除了甲烷類、非甲烷烴類以及臭氣等揮發(fā)性氣體外，還有一定量的含氨氣體，因此在進(jìn)行催化燃燒前，在前級采用一級噴淋塔進(jìn)行水洗，去除含氨成分后再進(jìn)行催化燃燒，因此本工藝流程主要包含以下兩部分：

(1)前級水洗

車間廢氣經(jīng)風(fēng)管導(dǎo)出，經(jīng)過一級噴淋塔入口，循環(huán)水泵將工藝水從塔底循環(huán)水池內(nèi)，由塔頂泵入，塔底抽出；廢氣則由塔底進(jìn)入，塔頂排出，與循環(huán)水形成對流，由于含氨廢氣主要由氨氣構(gòu)成，氨氣易溶于水形成氨水，這樣便達(dá)到了去除廢氣含氨成分的目的。

(2)催化燃燒

經(jīng)過一級噴淋塔除氨后的有機(jī)廢氣，經(jīng)由風(fēng)管先通過亞高效過濾器濾除含塵固體顆粒物，再經(jīng)阻火器被引入CO裝置。有機(jī)廢氣首先進(jìn)入板式換熱器，氣體經(jīng)過3級換熱器溫度逐步提高，熱利用效率顯著提高，同時換熱系統(tǒng)解決了有機(jī)廢氣加熱不均勻的問題，從而使進(jìn)入催化室內(nèi)待分解的有機(jī)廢氣提前接近或者達(dá)到催化合成所需溫度；經(jīng)加熱室再次加熱后進(jìn)入催化燃燒室反應(yīng)處理；凈化后的高溫尾氣再次進(jìn)入板式換熱器，用于預(yù)熱下一次進(jìn)入的有機(jī)廢氣，依此循環(huán)從而達(dá)到凈化廢氣和節(jié)省運行費用目的，最終凈化達(dá)標(biāo)的尾氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)送入排氣筒垂直排放。

3 主要技術(shù)參數(shù)

結(jié)合企業(yè)實際情況，在滿足揮發(fā)性有機(jī)物無組織排放控制標(biāo)準(zhǔn)的各項要求下，確定廢氣處理系統(tǒng)的處理能力為15000 m3/h。各項運行參數(shù)如表1所示。

表1 廢氣處理系統(tǒng)主要設(shè)計參數(shù)Table 1 Main design parameters of Situationt of exhaust gas treatment system

4 成效分析

4.1 溫度對去除率的影響

維持進(jìn)氣濃度在2000～2500 mg/m3之間，分別設(shè)定床前溫度從140～410 ℃范圍內(nèi)逐級升高，觀察系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)和尾氣排放監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄詳見表2。

表2 溫度對去除率影響匯總表Table 2 Summary table of the influence of temperature on removal rate

圖2 溫度對去除率影響示意圖Fig.2 Schematic diagram of the effect of temperature on the removal rate

由表2和圖2可以看出：

(1)當(dāng)入口廢氣濃度穩(wěn)定時，非甲烷總烴的去除率是隨著床前溫度的升高而增加的。當(dāng)床前溫度低于230 ℃時，非甲烷總烴去除率低于90%，尾氣排放濃度不達(dá)標(biāo)；當(dāng)溫度上升到350～380 ℃之間，其催化性能達(dá)到最佳，去除率保持在98%左右，且尾氣排放濃度達(dá)標(biāo)；但380 ℃以后催化性能逐漸變?nèi)酢Ｒ虼嗽撓到y(tǒng)最佳催化性能溫度參數(shù)最終被設(shè)定為：床前溫度350～380 ℃；

(2)在溫度較低時，反應(yīng)不充分，因此放熱很少，造成床后溫度上升不明顯；而溫度在350～380 ℃之間時，反應(yīng)最劇烈，此時放熱最多，床前床后溫差超過20 ℃；但溫度超過380 ℃后，床前床后溫差下降，證明反應(yīng)程度相對變緩。

(3)控制催化室床前溫度在350～380 ℃之間，可以對廢氣中的有害成分到達(dá)良好的去除效果，同時也能保證尾氣能夠達(dá)標(biāo)排放。

4.2 進(jìn)氣濃度對去除率的影響

控制床前溫度在370～380 ℃之間，分別設(shè)定進(jìn)氣濃度從500～5000 mg/m3范圍內(nèi)逐級增加，觀察系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)和尾氣排放監(jiān)測數(shù)據(jù)，記錄詳見表3。

表3 進(jìn)氣濃度對去除率影響匯總表Table 3 Summary table of influence of intake air concentration on removal rate

圖3 進(jìn)氣濃度對去除率影響示意圖Fig.3 Schematic diagram of the effect of intake air concentration on removal rate

結(jié)合表3和圖3可知，當(dāng)溫度一定時，進(jìn)氣濃度對催化燃燒系統(tǒng)的性能是有一定影響的。

(1)當(dāng)進(jìn)氣濃度低于1200 mg/m3時，去除率低于93%，但尾氣可以達(dá)標(biāo)排放；

(2)當(dāng)進(jìn)氣濃度超過1200 mg/m3時，其催化性能逐漸趨向穩(wěn)定，去除率逐漸增加，尾氣達(dá)標(biāo)排放；

(3)當(dāng)進(jìn)氣濃度在2200～4200 mg/m3時，去除率最佳，達(dá)到98%以上，且尾氣達(dá)標(biāo)排放；

(4)進(jìn)氣濃度一旦超過4200 mg/m3，去除率隨之下降，尾氣排放不達(dá)標(biāo)。

因此為了高效運作，我們建議控制非甲烷總烴的進(jìn)氣濃度在2200～4200 mg/m3之間。濃度太低，則反應(yīng)放熱少、助燃劑不足，不僅催化反應(yīng)不能充分進(jìn)行，去除率低，而且工程造價和運行費用也顯得浪費；但濃度太高，又會直接導(dǎo)致超過系統(tǒng)所能承受的處理能力范圍，廢氣中某些成分來不及反應(yīng)就直接被排出，造成排放超標(biāo)，而且高濃度廢氣對設(shè)備安全和性能也有著極大的考驗，所以必須控制進(jìn)氣濃度在合適的范圍。

5 結(jié) 論

催化燃燒工藝技術(shù)在對VOCs處理的工程實踐中應(yīng)用十分廣泛，根據(jù)不同的工藝需求，綜合考慮工程造價、維護(hù)成本、處理效果、建造環(huán)境等多方面因素，來選擇不同的催化燃燒方式。

綜合上述工程實踐的過程與結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)，預(yù)熱式催化燃燒工藝結(jié)構(gòu)簡單、效率較高、安裝調(diào)試方便、運行安全穩(wěn)定，歸納總結(jié)如下：

(1)在催化劑的作用下，有機(jī)廢氣起燃溫度為230 ℃左右，提高溫度會加劇催化反應(yīng)，提高去除率。但催化燃燒合成溫度并不是越高越好，過高的溫度反而降低去除率；而過低的溫度會降低反應(yīng)活性，同樣無法達(dá)到理想的效率；

(2)進(jìn)氣濃度必須調(diào)節(jié)至合適的范圍內(nèi)，才能保證催化燃燒正常進(jìn)行并達(dá)標(biāo)排放，過低和過高的濃度對去除率都會產(chǎn)生不利的影響。