VOCs催化燃燒過程裝備：原理、結構以及關鍵結構技術

采用傳統VOCs蓄熱催化燃燒裝置可以實現蓄換熱、VOCs催化燃燒的目的,但該裝備存在著不能完全連（lián）續化、電控要求高、製造成（chéng）本高、占地麵積大等缺（quē）點（diǎn）。為解決上述問題,研製出連續（xù）式催化燃燒裝備。本文（wén）先對裝備背景進行講述（shù）,重點討論連續催化燃燒裝備原理、結構以及關鍵結（jié）構技術。

1 改進VOCs 催化燃燒裝備的原因

揮發性有機（jī）物（Volatile Organic Compounds， 簡稱VOCs），是（shì）國家大氣汙染控製的重要對象，近幾年針對VOCs 排放出台多項環保標準。國內工業（yè）VOCs淨化行業目前處於漸熱狀態，在有機揮（huī）發性廢氣催化燃燒裝備中，多數環保企業采用蓄熱式催化（huà）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（qì），使VOCs 氣體發生催化氧化反（fǎn）應，產（chǎn）生的熱量（liàng）存（cún）儲於蓄熱載體（tǐ）中（zhōng），通（tōng）過頻繁（fán）切換閥體（切變氣體流動管路），達到冷、熱流體熱（rè）量交換的目的。

蓄（xù）熱式催化（huà）燃（rán）燒裝備可以實（shí）現自給（gěi）供熱，具有比較好的應（yīng）用效果。然而（ér），裝備本身存在著運行操作不能完全連續化、設備製（zhì）造成本（běn）較高、裝備使用時占用體積較大、安裝（zhuāng）調試中（zhōng）對電氣控製要求較高等缺點，對此，需要設計一種（zhǒng）操（cāo）作簡單、可（kě）實現連續化運作、高效低成本的一體化VOCs 廢氣淨化裝備。

2 改進後的VOCs 連續催化燃燒裝備

本公司結（jié）合生產、施工的相關經驗，對過程裝備進行改進，改進後的裝備簡（jiǎn）圖如圖1 所示。結構中（zhōng）包括以下幾個部分：①有機廢氣進口管、出口管；②廢氣進口（kǒu）濃度檢測控製器、催化劑床層進口溫度檢測控製（zhì）器；③廢氣換熱器、電加熱棒、處理器上蓋（gài）板、氣流隔板；④催（cuī）化劑（jì）床層、催化劑支（zhī）撐板。

改進後的催化（huà）燃燒器可以進行連續化操（cāo）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（zhōng）進行連續熱（rè）交換，利用熱量傳遞性（xìng）質，熱（rè）流（liú）體的熱量經過壁傳熱（rè）、對流傳熱過程傳遞至冷流體中；廢氣換熱器的冷（lěng）側出口氣，經過電加熱棒（bàng）區域（yù），對含VOCs 廢氣進行加熱升溫（wēn）；經加熱的（de）廢氣順著壓力梯度會越（yuè）過氣流隔板進入催化（huà）劑床（chuáng）層，廢氣在VOCs 催化劑表麵發生催化（huà）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（yīng）熱。氣流順著催化劑宏觀孔道流動，經支撐板後進入廢氣換熱器，與冷流體間接接（jiē）觸換熱，從廢氣換熱器的熱側出口流出，繼而（ér）完成終排放。

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（huàn）器的結構設計是裝置的首要關鍵點，直接影響著裝備（bèi）運行的穩定性和處理（lǐ）效率。在設（shè）計和安裝調試中需要考慮到以下（xià）幾個（gè）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（chéng）度增加，意味著操作費（fèi）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（bèi）製（zhì）造（zào）成本和操作（zuò）費用（yòng），因此需要對（duì）換熱器流體狀（zhuàng）態方麵進行優化。

（2）換熱器內部結（jié）構與材料的選擇。換熱器（qì）管壁（bì）兩（liǎng）側均為（wéi）氣相流體，前後進（jìn）出口氣（qì）量基本接近，根據換（huàn）熱器傳熱計算公式，為了增加熱（rè）交換（huàn）效率（lǜ），需要提高兩側氣體的傳熱係數。在實際應用（yòng）中，在熱交換管內外安裝耐溫翅（chì）熱片（piàn），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（wēn）差較大，對（duì）材（cái）料抗熱應力性能要求較高，因此生產（chǎn）製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。對於換熱器的整體布（bù）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麵積，熱交換（huàn）器采用相對（duì）水平方向45 度排布。但應注意的是，進、出氣流會對換熱（rè）器管壁產生衝（chōng）卸力，兩種衝卸力對換熱器共同作（zuò）用，形成扭矩，極大的影響了換熱器的穩定（dìng）運行，因（yīn）此需要對換熱器四角（jiǎo）和（hé）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（chù）理，會出現“串氣”現（xiàn）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（kǒu）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（qū）域結構技術分析

電加熱器結構的設計（jì）會影響後續的（de）催化（huà）燃（rán）燒工序，是該裝置（zhì）設計的第二關鍵點。氣體經加（jiā）熱（rè）後進入催化劑床層時，對氣體流動和溫度要求較高，具體如下：其一，氣（qì）體溫度需均（jun1）勻，若溫度存在差異，經加熱的氣體進入（rù）催化床層（céng）反應後，導致催化床層溫度出現（xiàn）不均勻。催（cuī）化（huà）氧化反應屬於放熱反應，繼而更容易出（chū）現（xiàn）床層溫度超出設計溫度的情況，影響催化劑的壽命。其（qí）二，氣體流動盡量均勻，對於催化劑，理想的情況是每個催（cuī）化（huà）劑活性位（wèi）都能與VOCs 分子同一停留時間接觸反應。若流動（dòng）狀態不均勻，VOCs 分子停留時（shí）間上會出現差異，繼而會影響到（dào）催化（huà）劑的使用效率和使（shǐ）用成本。

本方案中加熱區（qū）域位於熱交換器、隔離板之間，形成“梯（tī）形”結構，換熱（rè）器出口氣流會與器壁存在碰撞，會損失部分能量，氣體流動（dòng）也不均勻，對此保證氣體能夠均一流通、均勻加（jiā）熱是設（shè）計中必須要考慮到的。

為了達到（dào）以上（shàng）目的，本方案在“梯（tī）形”區域下部（bù）加熱（rè）區（qū）域要求（qiú）加熱功率要低並設置非均一孔金屬網（wǎng），靠近設備壁處設（shè）置小（xiǎo）孔（孔徑接近整體式催化劑孔徑），目的是增加部（bù）分阻力，抵擋住拐角氣流的衝力，均勻氣流。在靠近擋板處（chù）網孔設置大孔，方便氣流的正常通過（guò）。另外在加熱棒之間參插大孔徑的金屬網塊（kuài），一方麵加熱棒表麵會產（chǎn）生高溫熱輻射，輻射至金屬網塊表麵，加（jiā）速（sù）了金屬網塊的加熱過程，除此之外（wài），金屬網塊會（huì）進行快速熱（rè）傳（chuán）導，擴大了加熱範圍，提（tí）高（gāo）了氣- 固傳熱接（jiē）觸麵積。但在實際製造中還（hái）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（wǎng），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麵（miàn）點溫度相差5%，整體（tǐ）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

對於氣（qì）流在催化劑中的相關狀態和要求，在上（shàng）述（二）中已部分介紹。除（chú）前述外，對（duì）催（cuī）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（fèi）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（yòng）量，但目前市場來看，效果較好（hǎo）的（de）催化燃（rán）燒催化劑（jì）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（濃縮操作需要低於爆炸極限），再通（tōng）過脫附（fù）操作將VOCs 脫附出來（脫附濃度（dù）也需要低於爆炸極限），以降低裝置的使用投資成本和操作（zuò）。

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

（3）催化劑（jì）選擇應嚴謹。比如催化劑對含鹵（lǔ）素氣體要求較高，需優先對該種廢（fèi）氣進行（háng）預處理，然（rán）而這樣會大大增加處理成本，因此要在工（gōng）藝（yì）優化、成本（běn）綜（zōng）合計算之後（hòu）才能確定催化（huà）劑。對於（yú）可能會導致催化劑中毒（dú）的物質，需要對中毒物質進行（háng）預先去（qù）除。

（4）催化劑使用過程中，需要（yào）保持表麵潔淨，即定期對催化劑進行清洗工（gōng）作。可以采用壓縮空氣、過熱蒸汽、洗滌劑等方式進（jìn）行（háng）清洗。對（duì）於廢氣中含有少量的有機顆粒，在低於設計溫度下（xià）運行操作時，不完全燃燒易導致催（cuī）化劑表麵結（jié）碳，堵塞催化劑活性位，降低了催化劑使用效率，此時（shí）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（jì）的活性。

（5）在催化劑材質上，選用導熱（rè）性（xìng）能高的材料，比如整體式（shì）催化劑（jì）采用鋁金屬基（如圖2 所示），由於鋁金屬材料本身導熱（rè）性能（néng）高，加熱後的氣體經（jīng）過金屬催（cuī）化劑床層（céng），催化劑活性組分可以迅速被起燃，催化效率很高。經測試，在（zài）裝置實際調試運（yùn）行（háng）期間，催化劑被（bèi）起燃的時間可以縮短50%~60%（與堇（jǐn）青石整體式蜂（fēng）窩催化劑進行對比），另外金屬材質蓄（xù）熱（rè）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（jì）床層溫度分布產生影響。在裝填中需要考（kǎo）慮到催化劑的密實性，裝填中要求均勻裝（zhuāng）填，緊密一致，無空隙，催化劑床（chuáng）層邊壁保溫。在整體式催化劑層與層間（jiān）以及催化（huà）劑床（chuáng）層邊緣處可（kě）以適當的添入多孔耐高溫綿，既可以避免由於層間孔（kǒng）道的錯位、邊緣空隙導致的氣流上的不均勻性和（hé）壁效應（yīng）導致的氣體溝流、短（duǎn）流等現（xiàn）象，同時邊壁添（tiān）入耐高溫綿之後會對設備（bèi）起到一定（dìng）的保溫效果。另外整體催化劑裝填前（qián）需要檢（jiǎn）測，檢測結果上需要符合（hé）相關檢測標準（zhǔn）。

蜂窩孔道截麵形狀、孔徑、孔密度等參數的設計也很重（chóng）要，這關係到氣阻，氣流均布性、氣體（tǐ）的（de）停留時（shí）間、轉化效率（lǜ）等重要參數。孔徑選擇越小，氣阻越大，停留時間（jiān）越短，轉化效（xiào）率較（jiào）低，但廢氣處理量大。

4 結語

綜（zōng）上所述，改造後的連續催化燃燒器與（yǔ）傳統的蓄熱RCO 相比，具有占地麵積小、運行連續、電控（kòng）要求低等優點。由於設備詳（xiáng）細結構較（jiào）多，本（běn）文（wén）中從流（liú）體動力學工（gōng）程（chéng）、催化工程、傳熱工程等多角度，對重要（yào）的廢熱交換器、加熱結構（gòu）、催化（huà）燃（rán）燒（shāo）催（cuī）化劑技術進行淺層的分析。可以看出，在（zài）細節設計上，都（dōu）需要對過（guò）程因素進行優（yōu）化，既要考慮到設備的高效運行（háng），又要考（kǎo）慮到製造企業的生產成本和被實施企（qǐ）業方實際的（de）運行成本。在技術快速發展的今（jīn）天，我們可（kě）以利（lì）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（chéng）度上可以節省時間，提（tí）升優化效果。