VOCs 廢氣處（chù）理用催化燃燒裝置應（yīng）用分（fèn）析（xī）與研究

介紹了揮發（fā）性有機化合（hé）物（VOCs）廢氣處理用催化燃燒裝置的結構與工作（zuò）原理，並結合裝置的應用實例（lì）來對催化燃燒設備（bèi）進行分析與（yǔ）研究。根據現行相關大氣標準的要求與實際工況，對催化燃燒裝置在廢（fèi）氣處理過（guò）程中所體現的優勢與尚需改進之處進（jìn）行了總結。
 
揮發性有機化物（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（kuò）苯、甲苯、二甲苯等常規烴類（lèi）化（huà）合物，硫氨有機（jī）化合物等[1]。有機廢氣容易與大氣中的氮氧化（huà）物反（fǎn）應生成 O3 並形成光化學煙霧，會對人體健康產生有害影響，因（yīn）此 VOCs 廢（fèi）氣的處理受到了各國的（de）高度重視（shì），發達國家近年陸（lù）續頒布了相關的法令以限製（zhì） VOCs 的排放。
 
2017年（nián）VOCs的排放量已超過3100 萬 t [2]，其來源主要有固定源與移動源2 種。移（yí）動源排放主要集中在汽車、輪船和飛機（jī）等以石油產品為燃料的交通（tōng）工具的排放氣。固定源的（de）種類（lèi）很（hěn）多，主要為石油化工工藝過程和（hé）儲存設備等的排出物及各種使用有機溶劑的場合（hé），如噴漆、印刷（shuā）、金（jīn）屬除油和脫脂、黏合劑、製藥、塑（sù）料和（hé）橡膠加工等。全國各（gè）地對於 VOCs廢氣的排放有著嚴格的控製，陸續公布了新的VOCs 排放標準。常規處理 VOCs 廢氣采用前端回收技術或後端氧化分解2種方式，前者（zhě）采用（yòng）物理方法，在一定溫度與壓力下（xià），通過冷凝、吸收劑、吸附劑或具有選擇性的膜對VOCs進行分離；而氧化分解技術則是通過生化法，利用光（guāng）、熱、催化劑（jì）或微生物（wù）對VOCs進行氧化分解，並生成CO2與H2O。氧化分解VOCs的方（fāng）法一般有直接（jiē）燃燒法、蓄熱（rè）式燃燒法、催化燃燒法等。其中，催化燃燒法的原理是通過使加熱至一定溫度（dù）的 VOCs廢氣與裝置內的貴金屬催化（huà）劑進行（háng）接觸並發生催化氧化反應，將有機物氧（yǎng）化（huà）生成無害的 CO2與H2O，達到（dào）除去VOCs目的的一種設（shè）備與工藝。
 
 
1 催化（huà）燃燒裝置介紹
 
催化燃燒裝置是一種通過氧化催化劑對（duì）加熱至一定（dìng）溫度的廢氣催（cuī）化氧化，使其生成無（wú）害的 CO2 與 H2O 的工藝設（shè）備。與（yǔ）傳統蓄熱燃燒、直（zhí）燃式熱氧化爐相比，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（de）佳工作溫度（250~400 ℃），可實現低溫氧化（huà）廢氣中的 VOCs，並大大節省處理廢氣（qì）的運行成本。
 
1.1 催化燃燒裝置原理
 
催化燃燒裝（zhuāng）置的結構及處理流程如圖 1 所（suǒ）示。含 VOCs 廢（fèi）氣進入裝置入口，經過濾器過濾後（hòu）進入換熱器室進行熱交換，再進入燃燒（shāo）器室對廢氣進行預加熱（rè）（燃燒用氧氣為廢氣中所含有的空氣，也可通（tōng）過旁路風閥補充空氣），待加熱至 350 ℃後由送風（fēng）機將預熱氣體抽至催化（huà）劑室進行催化氧（yǎng）化。由於部（bù）分（fèn）廢（fèi）氣中含有硫、矽、磷等元素（sù），會使貴金屬（shǔ）催化劑（jì）中毒，因此預加熱後的（de）廢氣在進入（rù）催化劑室前需進（jìn）行預處（chù）理。當處理後的廢氣進（jìn）入催化劑室並與氧化（huà）催化劑接觸時，催化劑將廢氣中的 VOCs 氧化分解成CO2 和（hé） H2O。處理後的無害氣體將被送入一次換熱器，與從（cóng）入口來的廢氣進行熱交換（huàn），達到節約熱源的目的。風機采用耐高溫型號，放置於設（shè）備本體下遊部分，目的在於使上遊路徑形成負壓，防止（zhǐ）氣（qì）體（tǐ）泄漏。裝置排（pái）氣口預設取樣孔，用於對處理後的廢氣進行成分檢測。
 
 
1.2 催化燃燒裝置安全性預防
 
由於催化燃燒裝置在燃燒室中采用明火對廢（fèi）氣（qì）進行預熱，因此需（xū）考慮（lǜ）廢氣的相關安全措施：（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）回火控製：為防止回火，在設計管道尺寸時應使廢氣的低流速始終大於回火速（sù）度，或在前期管道主路設置減壓閥，使進氣壓力始終高於下遊氣體壓力。（3）其他安全措施：采用回火防止器、稀釋空氣等方法。（4）設置輕故障或重故障報警及安全聯鎖（suǒ）控製（zhì）係統，當有回火情況發生時，蜂（fēng）鳴器（qì）將發出警報指示。
 
1.3 催化（huà）燃燒裝（zhuāng）置的優缺點
 
催化燃燒廢氣處理技術是 20 世紀 40 年代末出現的。從 1949 年美（měi）國研製出世界（jiè）上套催化燃燒裝置到現在，該技術已廣泛地應用於油漆（qī）、橡膠（jiāo）、塑料、樹脂、皮革、食品和鑄（zhù）造等領域，也用於汽車尾氣淨化等方麵。中國在 1973 年開始將催化燃燒法用於治理（lǐ）漆包線烘幹爐排出的有機（jī）廢氣，隨後又在絕緣材料、印刷工業等方麵進（jìn）行了研究，使催化燃燒法得到了廣泛的應用。經過多年來的發展與改良，催化燃燒裝置具有其特有的優勢：（1） 可處理絕大多數VOCs 廢氣；（2）可將有機化合物（wù）氧化分解成無毒無害的 CO2 氣體與 H2O；（3）分解（jiě）效率高達 95%以（yǐ）上，無需作後續（xù）處理（lǐ）；（4）可在低溫（wēn）（200~400 ℃）下對 VOCs 進行分解，燃料消耗量（liàng）低（節能（néng））；（5）催化（huà）劑使用壽命長，可根據（jù）入口（kǒu）氣體（tǐ）的風量與 VOCs含量推斷催化（huà）劑的使用時間，且催（cuī）化劑可進行再生利用；（6）設備（bèi）內為負壓結構（風（fēng）機設（shè）置在設備內部下遊），可有效防止臭氣滲漏；（7）具有高度安全性，能在低溫下進行反應，無粉塵爆炸的危險；（8）處理效率在（zài） 99%以上（徹底除（chú）臭）。
 
催（cuī）化（huà）燃燒裝置的缺（quē）點：（1）對於較大風量且低VOCs 質量濃度廢氣而言，處理費（fèi）用相對過高，可協同沸石滾輪濃縮設備進行廢氣濃（nóng）縮後（hòu）再作催化氧化處理；（2）用於處理 VOCs 的氧化用催化劑當遇見硫、磷、矽等物（wù）質時會發生催化劑中毒現（xiàn）象，因此（cǐ）需要設置預處理（lǐ）步驟。
 
1.4 催化燃燒裝置運行參數
 
催化氧化裝（zhuāng）置的大（dà）小由大處理風量來決定，一般大處理風量可（kě）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催化劑種類與用（yòng）量進行（háng）選擇。由於催化劑（jì）氧化處理的合適溫度在 350 ℃左右（yòu），因此需通過燃燒室對廢氣（qì）進行預加熱。為防（fáng）止溫度過高或過低導致工況溫度異常，可將熱電偶信號輸（shū）送至（zhì）可編程邏輯控製器（PLC）控製盤麵板以便於監測與讀數，並設置溫度警報（bào）以防高溫下催化劑燒焦或（huò）低溫下催化劑處理活性過低的現象發（fā）生。燃燒器用加熱燃料通常（cháng）采用液化天然氣（qì）（LＮG）或液化（huà）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（cǎi）用電加熱的方式進行廢氣加熱（rè）。根據燃料（liào）不同熱值與所處理廢氣的風量大小、入口溫度等參數進行熱量衡（héng）算，確認燃氣的用量。由於所處理的廢氣中含有 VOCs 成分，其本身在燃燒過程中也能提供一定的熱量，經驗上認為當 VOCs 質量濃度達到 2 000 mg/m3 左右（yòu）時所產生的熱量可以滿足燃（rán）氣外加的熱能需求。該部（bù）分熱量必須（xū）考慮在熱量衡（héng）算中（zhōng），以免溫度過高導致（zhì）催化劑被燒毀（huǐ）的現象發生。綜上所述，廢氣流量、燃氣流量、入口出口溫度（dù）及燃燒室溫度均為必要監（jiān）控的（de）運行參（cān）數。
 
1.5 催化劑選擇與使用
 
催化燃燒裝置（zhì）采用的氧（yǎng）化催化劑多為鉑（bó）（Pt）貴金屬型材（cái）料，其佳使用溫度（dù）在 350 ℃左右，形（xíng）狀大（dà）多為粉末狀或蜂窩狀。一般催化劑的使用期限在 5年左右，這需要根據待（dài）處理氣體（tǐ）的濃度（dù）與成分而定。可對達到（dào）使用年限的催化劑進行再生處（chù）理，再生後的（de）催化劑可循環使用。此外，在選（xuǎn）擇氧（yǎng）化催化劑前需要對處（chù）理廢氣的風量、組分與濃度進行相（xiàng）關確認。組分決（jué）定氧化催化劑的種類，風量與（yǔ）濃度決定催化劑的用量。通常每種催化劑均（jun1）有相（xiàng）應的空速比（SV），可根據相關數據（jù）推算出（chū）觸媒的（de）大致用量，計算公式見式（1）。
 
 
 
 
其（qí）中：v 為催（cuī）化劑空速，h-1；Q 為處理廢氣（qì）量，m3/h；Vc為催化劑用（yòng）量，m3。
 
例如（rú）：某蜂窩狀催化劑的 SV 值為 35 000 h-1（查表），風量為 4 200 m3/h，則可算出（chū）催化劑用量約為 0.12 m3。
 
1.6 處理效率
 
催化燃（rán）燒處理裝置的（de）效率在適合溫度（350℃左右）下（xià）可達到 95%以上，入口廢氣（qì）的濃度不同處理效率有所不同，濃度越高處理效率越高[3]。影響處理效率的因（yīn）素包括：（1）催化劑中毒（含有硫、磷、矽等的化合物）；（2）溫度過低，催化劑活性不足。
 
當處理廢氣中含有容易使催化劑中毒（dú）的（de）物（wù）質時，可在催化劑室前設置前處理（lǐ）設備，即增加前（qián）處理（lǐ）催化劑。工程中常采用蜂窩狀的陶瓷類（lèi）前處理（lǐ）劑來去除（chú）硫等（děng）物質。同樣（yàng），廢氣（qì）的組成不同，前（qián）處理劑的選擇（zé）也不同。此（cǐ）外，當溫（wēn）度過低時，氧化催化劑對廢氣（qì）中 VOCs 的氧化效率會大幅減弱，因（yīn）此需要在裝（zhuāng）置中設置熱電（diàn）偶及傳感器，使即時（shí）溫度能及時顯示在 PLC 盤櫃顯（xiǎn）示（shì）屏中，並設置低溫輕故障警報，當溫度過低時自動點燃燃燒加熱器進行（háng）升溫。
 
2 催化燃燒裝置應用案例與效（xiào）果分析
 
催化燃（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（chù）理效（xiào）率高及操作（zuò）、維護方便，已在化工、製藥、食品等領域廣泛運用（yòng）。
 
2.1 催化氧化裝置應用實例
 
目（mù）前我國各省采（cǎi）用（yòng）的 VOCs 測試（shì）標準主要為天津地標，即（jí） DB 12/524—2014《工業企業揮發性有（yǒu）機物排放控製（zhì）標準》，測試方法采用 HJ 734—2014《固定汙染源廢（fèi）氣揮發性有機物的測（cè）定 固相吸附（fù） - 熱脫附 / 氣相色譜 - 質譜法》；相比於（yú）先（xiān）前通過非甲烷總烴（ＮＭHC）來對廢氣處理質量進行評價，天津地（dì）標重點對苯、甲（jiǎ）苯、二甲苯與 VOCs（24 項）指標進行（háng）測試。VOCs 測試方法 HJ 734—2014 中主要揮發性有機物的測試（shì）內容為：丙酮、異丙醇、正己（jǐ）烷、乙酸（suān）乙酯、苯（běn）六甲基二矽氧烷、3- 戊酮、正庚烷、甲苯、環戊酮、乳酸乙酯、乙酸丁酯（醋酸丁酯）、丙二醇單甲醚乙酸酯 、乙苯（běn）、對 / 間二甲苯、 2- 庚酮、苯乙烯、鄰二甲苯、苯甲醚、苯（běn）甲醛、1- 癸烯（xī）、2- 壬酮、1- 十二（èr）烯等。
 
表 1 為某繞（rào）組線行業生產線（xiàn）所（suǒ）排放的廢（fèi）氣未（wèi）經處（chù）理時（裝置入口處）及經過催化燃燒裝置（zhì）處理後出（chū）口氣體各成分質量濃度的對（duì）比數據，裝置處（chù）理風量為 15 000 m3/h，入口廢氣溫度為常溫狀態，檢（jiǎn）測（cè）方法采用 HJ 734—2014。
 
 
 
 
 
2.2 效果分析
 
根據（jù）對出口廢氣成分（fèn）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（guǒ）均符合標準要求（印刷行業 50 mg/m3 以（yǐ）下），催化燃燒（shāo）裝置的 VOCs 處理效率高（gāo）達 99.2%，滿足國家大氣汙染治理相關文件（jiàn）中催化燃燒裝置處（chù）理效率大於95%的要求。
 
3 結語
 
催化燃燒裝置具有 VOCs 去除（chú）效率（lǜ）高、能耗（hào）低、自動化操作方便等特點，現（xiàn）已被廣泛應用（yòng）於各種行業（yè）。目前（qián）在我國，相對於（yú）傳統吸附技術與生化技術等VOCs 處理方法，催化燃燒工藝市場的占有率超過22%，其在國外市場占有（yǒu）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]。催化燃燒裝置（zhì）適合處理中小風量（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（háng）處理。總體來說（shuō），催化燃燒（shāo）裝置與工藝是（shì）一種經濟方便的 VOCs 廢氣處理方式。