催化焚燒（CO）在VOCs治理中的應用

甄賀輝

（唐山中浩化工有限公司，河北唐山 063000）

催化氧化廢氣焚燒系統(tǒng)（CO）是一種新型去除揮發(fā)性有機廢氣（VOCs）的設備，獨特的裝式設計，將設備固定在一個角鋼或工字鋼制成的底盤上，便于移動、就位，使設備體積及制造成本均得到了有效控制，同時，又使這一單元的熱回收效率高達82%左右，在大量節(jié)省了運行費用的同時，大幅降低系統(tǒng)的運行成本，使VOCs 濃度最小達100 mg/m3（標），最大可達10 000 mg/m3（標），所以在流量大濃度低的VOCs凈化領域具有突出的優(yōu)勢。

1 目前工業(yè)廢氣主要處理方式

VOCs 主要來源：目前河北地區(qū)來說包括石油煉制、石油化學、煉焦、醫(yī)藥生產、有機化工、鋼鐵冶煉、家具制造、木材加工、涂裝、印刷包裝、交通運輸設備制造等行業(yè)，以及餐飲油煙、服裝干洗、汽車修理等生活服務行業(yè)也是VOCs 污染源的制造者。通常，有機化合物都含有碳和氫兩種元素，從結構上考慮，可將碳氫化合物看作有機化合物的母體，而將其他有機化合物看作是其他原子或基團直接或間接取代碳氫化合物分子中的氫原子后生成的衍生物，所以，該有機化合物也被稱為碳氫化合物及其衍生物[1]。

1.1 直燃爐焚燒法

直燃爐焚燒法指將揮發(fā)性工業(yè)有機廢氣以風機等形式直接引入焚燒爐中進行高溫燃燒。若工業(yè)廢氣能達到一定濃度，且燃燒性能較好，一般可直接自行燃燒；若廢氣濃度低于燃燒熱值時，需引入的煤氣或天然氣等輔助燃料，并通過煙囪排放至空氣中，其燃燒產生的熱量可回收利用，如換熱副產蒸汽等。

1.2 蓄熱焚燒法

蓄熱焚燒法（RTO），一般是在高溫下將VOCs氧化分解成為CO2和H2O，使有機廢氣被凈化，同時廢氣分解時所釋放出來的熱量被回收，該焚燒爐熱回收效率達到95%以上，有機廢氣焚燒效率可達到99%以上。一般有機廢氣先預熱至750℃左右后，然后進入燃燒室進行焚燒，燃燒溫度可達800℃以上，VOCs 被氧化成CO2和H2O，廢氣排放時再經過另一個蓄熱室蓄存熱量后再外排，蓄存的熱量用于預熱新進入的有機廢氣，經過周期性地改變氣流方向從而保持爐膛溫度的穩(wěn)定。基本的RTO 系統(tǒng)由1個公共燃燒室、兩臺或多臺蓄熱室、換向裝置和相配套的控制系統(tǒng)組成。

蓄熱焚燒爐與傳統(tǒng)的直燃焚燒爐比較，明顯優(yōu)勢在于高的熱回收效率，使補充的天然氣等燃料的使用量顯著減少，從而節(jié)約了系統(tǒng)的運行成本。尤其對于有機物含量低、處理量大的工業(yè)氣體，效果更加顯著。

1.3 催化氧化焚燒法

催化氧化焚燒法一般是指VOCs 通過一種或幾種催化劑的作用下，反應生成CO2和H2O 的一種方法。催化劑可以降低有機廢氣的燃燒溫度，同時縮短反應時間，催化焚燒的溫度一般在350~400℃。目前，有貴金屬催化劑和非貴金屬催化劑，用于處理工業(yè)廢氣。

與直接燃燒法和蓄熱焚燒法相比，催化燃燒法除具備蓄熱焚燒所有優(yōu)點外，最主要是其要求較低的燃燒溫度，極大降低了能耗，在這種低溫條件下，還避免了氮氣或有機廢氣中的氮與氧發(fā)生較強的氧化反應，進而產生二次氣態(tài)污染物——氮氧化物。催化焚燒缺點是投資相對較貴。但由于目前環(huán)保管控較為嚴格，氮氧化物超標排放可能會導致企業(yè)被關停。故催發(fā)焚燒工業(yè)廢氣處理市場占有量逐年加大。

RCO 法具有工藝簡單，操作安全方便，維修、維護量少等優(yōu)點。在污染物排放方面RCO 法具有明顯優(yōu)勢，由于RTO 的燃燒溫度在850℃左右，而RCO 的操作溫度低，在350~400℃，其氮氧化物的排放在20~35 mg/m3，不僅能滿足現(xiàn)行河北省有機化工行業(yè)A 級企業(yè)《重污染天氣應急減排措施》要求的排放標準與特別限值要求，同時能適應未來可能更加嚴格的排放標準。目前部分企業(yè)，如天然氣生產企業(yè)，經焚燒處理的有機廢氣在排放前，還需增設脫硫處理工藝，消除硫化氫對人身安全造成的隱患，降低了操作風險，降低檢修時發(fā)生硫化亞鐵自燃的風險[2]。

2 催化焚燒爐CO簡述

2.1 焚燒原理

催化氧化是活性氧參與的深度氧化反應，是一種典型的氣、固相催化反應。催化氧化反應期間，催化劑表面具有吸附作用，降低了活化能，即提高了反應速率。在催化劑的作用下，VOCs 可以在較低的溫度條件下進行無焰氧化燃燒，有機廢氣被充分氧化分解為CO2和H2O，同時伴隨著大量熱放出，從而達到廢氣被充分分解凈化的方法。低溫氧化條件，避免了直接燃燒由于高溫而產生的二次污染，如高溫使空氣中的氮氣或有機廢氣中的氮與氧發(fā)生較強的氧化反應，產生新的二次氣態(tài)污染物——氮氧化物，符合國內越來越嚴格的環(huán)保法規(guī)要求。一般催化氧化的主要設備包括：催化氧化反應器、鼓風機、尾氣預熱器、熱交換器、電加熱器、余熱回收系統(tǒng)等。

2.2 主要設備描述

2.2.1 反應器

一般催化焚燒選用耐腐蝕的材質SUS304。

保溫：硅酸鋁針刺毯（容重≥120 kg/m3），保溫保護層為鋁合金（厚度≥0.6 mm）

催化氧化反應器屬于固定床反應器。反應器設計為矩形截面，可布置在鋼結構上，可更好地適應現(xiàn)有場地布置。反應器進出口各設置一溫度點，催化劑床層前后設置多點溫度計，更好監(jiān)控反應器內溫度狀況。優(yōu)良的煙道換熱器設計、選用和布置，熱回收效率可高達75%~82%。為防止發(fā)生腐蝕，CO 反應器材質采用 304。反應器是廢氣氧化的場所，溫度450℃，換熱器預熱后的廢氣在這里發(fā)生氧化反應，生成CO2和H2O。本項目CO 提供一套電加熱來維持CO 氧化室的設計溫度。

反應器設計工作溫度280~650℃。

2.2.2 鼓風機

一般防護及防爆等級：IP55Exd ⅡBT4、F 級絕緣，B 級溫升。

設備性能指標：滿足裝置運行要求，運行噪聲≤85 dB。

設備描述。

（1）包括：風機本體、電機、風機及電機整體支座及減振器、進口過濾網、進出口防爆撓性接頭、現(xiàn)場防爆操作箱（柱）、進出口配對法蘭及附件、地腳螺栓等安裝材料等。

（2）風機軸承采用SKF 軸承或相當品牌。

（3）風機殼體材質：Q235B。

（4）動平衡精度等級：2.5級。

（5）風機主軸材質：45#優(yōu)質鍛鋼及以上。

（6）軸承座：鑄鋼。

（7）距機殼（加裝包敷層后）1 m 處的噪聲≤85 dB

2.3 反應機理

催化氧化反應是一種放熱反應，有機物的種類及其含量決定放熱量的大小。維持催化氧化過程持續(xù)進行的最經濟的操作方法是有機廢氣的分解過程中放出足夠的反應熱，而氧化過程的放熱量、催化劑的起燃溫度、熱量回收率、廢氣的初始溫度是能否以自熱維持體系正常反應的關鍵因素。

（1）反應機理

（2）連續(xù)操作，無須追加燃料

使用催化焚燒設備，氧化反應溫度為400℃。其中，80%熱量回收，20%的熱量損失。

2.4 安全基礎措施及保障方案

2.4.1 安全基礎措施

（1）系統(tǒng)設定壓力和溫度測量。為確保溫度和壓力維持在正常范圍，一般通過調整流量和電流來實現(xiàn)控制。

（2）廢氣中的有機物含量遠低于爆炸極限的25%，凈化后的有機物含量極低，更遠低于爆炸極限。因此廢氣在處理過程中不存在爆炸危險，并且入口設置溫度連鎖到入口溫度高高時則可能切換系統(tǒng)跑料，則系統(tǒng)報警、停車。由于燃料為易燃易爆物品，相應設備為防爆設備。

（3）裝置正常運行時，除放空的空氣中含有微量危險物料外，其他均處于密閉系統(tǒng)中。在設計時，設備和管道材料的選型充分考慮物料的性質，以避免腐蝕和管道等級選擇不當造成的危險物料泄漏。

（4）為防止任何可能發(fā)生的超溫和低溫狀況等不安全狀況，同時確保催化床運行溫度的精確控制，使系統(tǒng)維持在最佳的操作條件，該系統(tǒng)設置了溫度調節(jié)旁路裝置作為保障。

（5）為防止任何可能殘存的可燃物的存在，啟動系統(tǒng)時，同時啟動鼓風機送風，以不低于系統(tǒng)體積4倍的風量進行吹掃。

（6）當運行溫度高于系統(tǒng)設定的高高限時，緊急關閉廢氣的入口閥、報警、聯(lián)鎖有關閥門，切斷有機物的來源，同時開啟空氣風機對裝置進行吹掃降溫，直至故障排除。

（7）裝置出現(xiàn)問題時，廢氣通過緊急旁路，進入煙囪排放。

（8）在氣體可能泄漏處設置可燃氣體檢測報警裝置，報警控制器裝在控制室內。

（9）設置“緊急停車”按鈕。在緊急狀況下，按下此按鈕可以立刻切斷電源，停止設備運行。

2.4.2 安全保障方案

（1）為了保障系統(tǒng)的電加熱、煙道換熱器、反應器及各個管線內無殘留的燃料和可燃廢氣，防止點火時發(fā)生爆炸，該系統(tǒng)在開機時設置了一個系統(tǒng)“吹掃”過程。同時，在催化氧化爐體上裝有防爆膜，即使特殊情況發(fā)生爆炸，可最大限度降低爆炸損失。

（2）聯(lián)鎖及溫度報警。該系統(tǒng)設置了低低、低、高、高高四個等級的溫度報警。所有的溫度監(jiān)測點都可以設置相應的報警，在工控位機或觸摸屏上都可以設置相應的報警參數(shù)。當溫度產生報警時，工控機或觸摸屏上均顯示產生的報警信息。當焚燒爐溫度低低或高高報警時，焚燒爐將自動脫機，系統(tǒng)將停止電加熱的動作。

（3）反應器溫度下限報警

升溫過程結束后，尾氣切入CO，同時氧化室溫度低低報警，當氧化室溫度低低報警時，CO 脫機。

（4）實時數(shù)據(jù)庫中可以長期存儲所有的報警信息，可以通過此信息分析、判斷系統(tǒng)的運行情況，來調整工藝參數(shù)，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和高效運行。

（5）在反應器進出口有壓力變送器。在反應器進出口裝有差壓變送器，用來觀測催化劑床層的工作情況，是否有堵塞或者破損。

（6）CO 系統(tǒng)內，除溫度外，壓力也可以設置相應的報警值，可以根據(jù)實際工藝需求進行設置。系統(tǒng)內的報警信息都可長期保存在硬盤或U 盤上。同時，對重要工藝參數(shù)都以歷史趨熱曲線形式供用戶查詢，數(shù)據(jù)可長期保存。

（7）系統(tǒng)主要的報警點：反應器進出口床壓差；CO 入口、出口溫度；催化劑床層溫度。

2.5 裝置特點

催化燃燒系統(tǒng)裝置凈化裝置的特點：

（1）催化燃燒爐通常采用優(yōu)質金屬鈀，鍍鉑在蜂窩陶瓷載體上作為催化劑，催化效率高達95%以上，阻力小，氣體流量大，可再生，壽命長。

（2）耗能低：一般工作時只消耗風機功率，預熱期間為全功率加熱，當被處理的廢氣濃度低于某一個設定值時，該系統(tǒng)可以自動加熱以保證反應溫度要求。

（3）安全保障設施齊全：溫度壓力連鎖報警、泄壓防爆孔、防火除塵器等保護設施。

（4）節(jié)能余熱回收利用：余熱可返回干燥路徑進行干燥，減少原干燥路徑的功率消耗；也可作為工廠其他方面的熱源（如副產蒸汽、浴室、散熱器等）。

（5）催化燃燒爐（CO）可選用天然氣、焦爐煤氣或電加熱等加熱方式進行加熱。

2.6 對VOCs焚燒效果

在長期接觸種類繁多的有害工業(yè)化學品時，將會對企業(yè)員工的身心健康造成一定威脅。化工產品生產過程中，有毒有害物質多以氣態(tài)、蒸汽態(tài)、氣溶膠等形式存在工作環(huán)境中 一旦吸入過量毒物，將會對職工的生命健康安全帶來危險[3]。創(chuàng)造一個良好的環(huán)境對企業(yè)員工意義重大。

經過CO 處理后的有機廢氣可達到如下排放效果，見表1。

表1 河北省工業(yè)有機廢物排放標準[4]

3 結論

1）VOCs 經過該催化焚燒系統(tǒng)（CO）處理過后，符合國家排放標準要求，二氧化硫和氮氧化物等均可達標排放，避免企業(yè)因VOCs 的超標排放而被停限產。

2）與直接燃燒和蓄熱焚燒相比，催化焚燒操作安全方便，維修、維護量少，其氮氧化物排放在20~35 mg/m3，能適應未來可能更加嚴格的排放標準。

3）催化焚燒爐（CO），由于安全、節(jié)能、高效、環(huán)保標準高等優(yōu)點，受到了化工生產企業(yè)的認可和好評，并逐漸被廣泛應用，保衛(wèi)了我們的綠色家園。