預熱式催化燃燒工藝處理VOCs技術工程實踐

徐遵主，蔣海濤

(南京大學環(huán)境規(guī)劃設計研究院股份公司，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]、預熱式催化燃燒法(CO)[6]三種。預熱式催化燃燒工藝處理VOCs的過程相對簡單、設備較少、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，它不需要化學燃料提供高溫環(huán)境，也不需要陶瓷蓄熱體進行熱量儲存，而是采用電加熱器組提供反應環(huán)境溫度，利用內置的換熱器，在出口高溫尾氣與入口常溫廢氣之間進行循環(huán)換熱，使待處理的入口廢氣提前被預熱至催化合成溫度，節(jié)省燃料(電能)的同時，增加系統(tǒng)處理效率。

反應釜中排放的有機廢氣屬于高濃度、小風量型的有機廢氣。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氣體，且由于反應溫度低，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，對于廢氣源強需要仔細考察，若VOCs中含有大量氮氧化物或者酸堿性氣體等非VOCs時，需要進行前級預處理，將非VOCs成分降到最低后，再經(jīng)由催化燃燒工藝進行處理。(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行稀釋。

從經(jīng)濟性、安全性、凈化率、運輸、占地等方面考慮，有機廢氣進入催化裝置濃度范圍(1000～5000 mg/m3)最為合理。當有機廢氣排放濃度低于1000 mg/m3時，凈化裝置的造價、運行費用等方面就不合算，當有機廢氣排放濃度高于5000 mg/m3時，凈化裝置的凈化效率、設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，重點介紹預熱式催化燃燒(以下簡稱CO)工藝技術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；非甲烷總烴進氣濃度不超過10000 mg/m3，風量15000 m3/h，催化劑為鉑鈀貴金屬負載蜂窩陶瓷載體，空速15000 h-1。

2 預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，其實質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，使反應物分子富集于表面提高了反應速率，加快了反應的進行。借助催化劑可使有機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，從而達到去除廢氣中有害物的目的。預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，因此在進行催化燃燒前，在前級采用一級噴淋塔進行水洗，去除含氨成分后再進行催化燃燒，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)風管導出，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，由塔頂泵入，塔底抽出；廢氣則由塔底進入，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成，氨氣易溶于水形成氨水，這樣便達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廢氣，經(jīng)由風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。有機廢氣首先進入板式換熱器，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)解決了有機廢氣加熱不均勻的問題，從而使進入催化室內待分解的有機廢氣提前接近或者達到催化合成所需溫度；經(jīng)加熱室再次加熱后進入催化燃燒室反應處理；凈化后的高溫尾氣再次進入板式換熱器，用于預熱下一次進入的有機廢氣，依此循環(huán)從而達到凈化廢氣和節(jié)省運行費用目的，最終凈化達標的尾氣經(jīng)引風機送入排氣筒垂直排放。

3 主要技術參數(shù)

結合企業(yè)實際情況，在滿足揮發(fā)性有機物無組織排放控制標準的各項要求下，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

維持進氣濃度在2000～2500 mg/m3之間，分別設定床前溫度從140～410 ℃范圍內逐級升高，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%，尾氣排放濃度不達標；當溫度上升到350～380 ℃之間，其催化性能達到最佳，去除率保持在98%左右，且尾氣排放濃度達標；但380 ℃以后催化性能逐漸變弱。因此該系統(tǒng)最佳催化性能溫度參數(shù)最終被設定為：床前溫度350～380 ℃；

(2)在溫度較低時，反應不充分，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良好的去除效果，同時也能保證尾氣能夠達標排放。

4.2 進氣濃度對去除率的影響

控制床前溫度在370～380 ℃之間，分別設定進氣濃度從500～5000 mg/m3范圍內逐級增加，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

結合表3和圖3可知，當溫度一定時，進氣濃度對催化燃燒系統(tǒng)的性能是有一定影響的。

(1)當進氣濃度低于1200 mg/m3時，去除率低于93%，但尾氣可以達標排放；

(2)當進氣濃度超過1200 mg/m3時，其催化性能逐漸趨向穩(wěn)定，去除率逐漸增加，尾氣達標排放；

(3)當進氣濃度在2200～4200 mg/m3時，去除率最佳，達到98%以上，且尾氣達標排放；

(4)進氣濃度一旦超過4200 mg/m3，去除率隨之下降，尾氣排放不達標。

因此為了高效運作，我們建議控制非甲烷總烴的進氣濃度在2200～4200 mg/m3之間。濃度太低，則反應放熱少、助燃劑不足，不僅催化反應不能充分進行，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就直接被排出，造成排放超標，而且高濃度廢氣對設備安全和性能也有著極大的考驗，所以必須控制進氣濃度在合適的范圍。

5 結 論

催化燃燒工藝技術在對VOCs處理的工程實踐中應用十分廣泛，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果，不難發(fā)現(xiàn)，預熱式催化燃燒工藝結構簡單、效率較高、安裝調試方便、運行安全穩(wěn)定，歸納總結如下：

(1)在催化劑的作用下，有機廢氣起燃溫度為230 ℃左右，提高溫度會加劇催化反應，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活性，同樣無法達到理想的效率；

(2)進氣濃度必須調節(jié)至合適的范圍內，才能保證催化燃燒正常進行并達標排放，過低和過高的濃度對去除率都會產(chǎn)生不利的影響。