VOCs催化燃燒過程裝備改進與技術(shù)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(xué)院過程工程研究所 多相復(fù)雜系統(tǒng)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(fā)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(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)工業(yè)VOCs凈化行業(yè)目前處于漸熱狀態(tài)，在有機揮發(fā)性廢氣催化燃燒裝備中，多數(shù)環(huán)保企業(yè)采用蓄熱式催化燃燒裝置，該技術(shù)方法采取兩室、三室及以上的蓄熱催化燃燒器，使VOCs氣體發(fā)生催化氧化反應(yīng)，產(chǎn)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(xiàn)自給供熱，具有比較好的應(yīng)用效果。然而，裝備本身存在著運行操作不能完全連續(xù)化、設(shè)備制造成本較高、裝備使用時占用體積較大、安裝調(diào)試中對電氣控制要求較高等缺點，對此，需要設(shè)計一種操作簡單、可實現(xiàn)連續(xù)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(xù)催化燃燒裝備

本公司結(jié)合生產(chǎn)、施工的相關(guān)經(jīng)驗，對過程裝備進行改進，改進后的裝備簡圖如圖1所示。結(jié)構(gòu)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(xù)化操作，有機廢氣進（冷氣）和出口（熱氣）均經(jīng)過廢氣換熱器的進出端，冷側(cè)流體與熱側(cè)流體在換熱器中進行連續(xù)熱交換，利用熱量傳遞性質(zhì)，熱流體的熱量經(jīng)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(cè)出口氣，經(jīng)過電加熱棒區(qū)域，對含VOCs廢氣進行加熱升溫；經(jīng)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(fā)生催化氧化作用，可以實現(xiàn)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(jīng)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(cè)出口流出，繼而完成最終排放。

圖1 新型催化燃燒裝備系統(tǒng)簡要示意圖

3 新型VOCs連續(xù)催化燃燒裝備技術(shù)淺析

3.1 廢氣熱交換器技術(shù)分析

廢氣熱交換器的結(jié)構(gòu)設(shè)計是裝置的首要關(guān)鍵點，直接影響著裝備運行的穩(wěn)定性和處理效率。在設(shè)計和安裝調(diào)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(shè)計過程中既要考慮到運行效果，也要考慮設(shè)備制造成本和操作費用，因此需要對換熱器流體狀態(tài)方面進行優(yōu)化。

（2）換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)與材料的選擇。換熱器管壁兩側(cè)均為氣相流體，前后進出口氣量基本接近，根據(jù)換熱器傳熱計算公式，為了增加熱交換效率，需要提高兩側(cè)氣體的傳熱系數(shù)。在實際應(yīng)用中，在熱交換管內(nèi)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(cè)分別為高、低溫，氣體溫差較大，對材料抗熱應(yīng)力性能要求較高，因此生產(chǎn)制造中需要采用抗熱應(yīng)力材料。

（3）換熱器的布置與運行的穩(wěn)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(shè)計中為節(jié)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(yīng)注意的是，進、出氣流會對換熱器管壁產(chǎn)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(wěn)定運行，因此需要對換熱器四角和側(cè)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(xiàn)“串氣”現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備出口氣體不能達到排放標(biāo)準(zhǔn)。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(qū)域結(jié)構(gòu)技術(shù)分析

電加熱器結(jié)構(gòu)的設(shè)計會影響后續(xù)的催化燃燒工序，是該裝置設(shè)計的第二關(guān)鍵點。氣體經(jīng)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(jīng)加熱的氣體進入催化床層反應(yīng)后，導(dǎo)致催化床層溫度出現(xiàn)不均勻。催化氧化反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，繼而更容易出現(xiàn)床層溫度超出設(shè)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(yīng)。若流動狀態(tài)不均勻，VOCs分子停留時間上會出現(xiàn)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(qū)域位于熱交換器、隔離板之間，形成“梯形”結(jié)構(gòu)，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(shè)計中必須要考慮到的。

為了達到以上目的，本方案在“梯形”區(qū)域下部加熱區(qū)域要求加熱功率要低并設(shè)置非均一孔金屬網(wǎng)，靠近設(shè)備壁處設(shè)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(wǎng)孔設(shè)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(wǎng)塊，一方面加熱棒表面會產(chǎn)生高溫?zé)彷椛?，輻射至金屬網(wǎng)塊表面，加速了金屬網(wǎng)塊的加熱過程，除此之外，金屬網(wǎng)塊會進行快速熱傳導(dǎo)，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(wǎng)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(dǎo)電。經(jīng)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(qū)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(shù)分析

對于氣流在催化劑中的相關(guān)狀態(tài)和要求，在上述（二）中已部分介紹。除前述外，對催化劑設(shè)計和改造上還需要考慮以下重要的環(huán)節(jié)。

（1）處理廢氣量應(yīng)減少。廢氣量增大，若要達到規(guī)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(shè)備的成本。在實際操作中，可以先對廢氣的VOCs進行濃縮預(yù)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(yīng)溫度等因素，不能只參照某一因素考慮。

（3）催化劑選擇應(yīng)嚴(yán)謹(jǐn)。比如催化劑對含鹵素氣體要求較高，需優(yōu)先對該種廢氣進行預(yù)處理，然而這樣會大大增加處理成本，因此要在工藝優(yōu)化、成本綜合計算之后才能確定催化劑。對于可能會導(dǎo)致催化劑中毒的物質(zhì)，需要對中毒物質(zhì)進行預(yù)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?？梢圆捎脡嚎s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(shè)計溫度下運行操作時，不完全燃燒易導(dǎo)致催化劑表面結(jié)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(yīng)，去除積碳，可以還原催化劑的活性。

（5）在催化劑材質(zhì)上，最好選用導(dǎo)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(dǎo)熱性能高，加熱后的氣體經(jīng)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(jīng)測試，在裝置實際調(diào)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(zhì)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(chǎn)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(dāng)?shù)奶砣攵嗫啄透邷鼐d，既可以避免由于層間孔道的錯位、邊緣空隙導(dǎo)致的氣流上的不均勻性和壁效應(yīng)導(dǎo)致的氣體溝流、短流等現(xiàn)象，同時邊壁添入耐高溫綿之后會對設(shè)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(jié)果上需要符合相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)。

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(shù)的設(shè)計也很重要，這關(guān)系到氣阻，氣流均布性、氣體的停留時間、轉(zhuǎn)化效率等重要參數(shù)?？讖竭x擇越小，氣阻越大，停留時間越短，轉(zhuǎn)化效率較低，但廢氣處理量大。

4 結(jié)語

綜上所述，改造后的連續(xù)催化燃燒器與傳統(tǒng)的蓄熱RCO相比，具有占地面積小、運行連續(xù)、電控要求低等優(yōu)點。由于設(shè)備詳細結(jié)構(gòu)較多，本文中從流體動力學(xué)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(jié)構(gòu)、催化燃燒催化劑技術(shù)進行淺層的分析?？梢钥闯觯诩毠?jié)設(shè)計上，都需要對過程因素進行優(yōu)化，既要考慮到設(shè)備的高效運行，又要考慮到制造企業(yè)的生產(chǎn)成本和被實施企業(yè)方實際的運行成本。在技術(shù)快速發(fā)展的今天，我們可以利用現(xiàn)代計算機技術(shù)進行輔助模擬設(shè)計優(yōu)化設(shè)備參數(shù)，在一定程度上可以節(jié)省時間，提升優(yōu)化效果。