VOC廢氣處理用催化燃燒裝置應(yīng)用的分析與研究

胡 鵬

（聊城市生態(tài)環(huán)境局茌平區(qū)分局，山東 聊城 252100）

引言

VOC是揮發(fā)性的有機化合物，通常指室溫下的飽和蒸汽氣壓超過70 Pa，沸點在50 ℃-250 ℃之間具備較強揮發(fā)性的有機化合物。VOC廢氣非常容易與空氣中的氮氧化合物發(fā)生反應(yīng)形成O3，同時會形成光化學煙霧，不僅會污染環(huán)境，還會對化工工作人員的身體健康產(chǎn)生嚴重的威脅，所以我國開始高度重視化工廢氣的處理，尤其是對VOC物質(zhì)的無害化處理。通常情況下VOC廢氣的處理分為后端氧化和前端技術(shù)兩種主要的處理方式，后端氧化主要采用生化式的方法，使VOC廢氣分解成H20或者CO2；前端技術(shù)則主要通過物理凈化的方式，通過調(diào)節(jié)壓力和溫度，或者使用吸收劑及選擇性過濾膜，將化工廢氣中的VOC物質(zhì)分離出來，分別進行處理。

1 利用催化燃燒裝置處理VOC廢氣的實際應(yīng)用價值分析

1.1 提高催化劑的使用效率

在眾多催化劑當中，金屬鉑（即Pt）是最為常見的氧化性催化劑之一，尤其是在VOC廢氣的催化燃燒反應(yīng)堆當中，能夠取得最好的氧化催化效果。然而鉑本身的使用成本較高，因此需要重視實際的操作過程。除此之外，還需要根據(jù)實際使用情況，合理的分析燃燒催化劑的實際使用周期，一般金屬鉑催化劑能夠使用五年左右[1]。在催化燃燒裝置實際使用的過程當中，技術(shù)人員需要觀察催化劑的實際使用情況，測定催化劑與VOC廢氣的接觸反應(yīng)情況，以及VOC廢氣進入催化室的實際溫度和流速，并且對比廢氣的輸入速度和最終的排出質(zhì)量，合理的計算催化劑的使用效率和使用年限，從而推斷催化燃燒裝置能夠承受的最大廢氣量以及最高處理效率，進而合理的控制裝置的單次運行處理量，切實提高催化燃燒裝置的實際使用效果。

1.2 廢氣回收效率相對較高

現(xiàn)階段應(yīng)用較為廣泛的催化燃燒裝置，在皮革等化工行業(yè)生產(chǎn)過程中的主要作用是收集、消除并控制VOC廢氣當中的有毒物質(zhì)含量和毒性，從而有效降低化工生產(chǎn)對自然環(huán)境和工作人員身體健康的負面影響。針對此需求，可以適當?shù)脑诋斍按呋紵b置系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，從更加宏觀的角度，分析提高催化燃燒裝置氣體回收率的有效方法，該處理模式具備以下突出優(yōu)點：首先是催化燃燒反應(yīng)過程中使用的氧化劑可以循環(huán)利用，這一點主要體現(xiàn)在催化燃燒裝置的風量和風速能夠根據(jù)催化氧化反應(yīng)的具體情況進行調(diào)整，從而使催化劑和反應(yīng)物達到最佳的比例狀態(tài)，滿足催化燃燒的處理需求；其次則是比較傳統(tǒng)的化工廢氣處理方式，催化燃燒裝置具備更強的穩(wěn)定性和安全性，在一定程度上避免出現(xiàn)粉塵壓力過大等問題引發(fā)爆炸的情況，保障工作人員的人身安全；此外催化燃燒裝置通常還會配置高溫系統(tǒng)和低溫系統(tǒng)兩套工作機制，其中低溫系統(tǒng)由于能耗較低，因此可以被廣泛的應(yīng)用到VOC廢氣的處理過程中，并且低溫處理系統(tǒng)的運行環(huán)境保持在200 ℃以上，完全滿足VOC廢氣的處理需求；最后催化燃燒裝置能夠有效且全面的處理VOC廢氣，將其中的有毒物質(zhì)轉(zhuǎn)換為無毒物質(zhì)，或者大幅度降低其毒性，處理效率能夠穩(wěn)定保持在95%以上。

1.3 提高催化燃燒裝置整體的穩(wěn)定性

對于催化燃燒裝置的使用而言，預熱環(huán)節(jié)是前期處理過程的核心，也是在催化燃燒裝置實際使用過程中必須要重視的安全因素。只有做好完善的預熱工作，才能夠提高催化燃燒裝置整體的穩(wěn)定性，保證其能夠穩(wěn)定的使用。在進行預熱操作之前，需要把催化燃燒裝置的氣體混合物爆炸下限的參數(shù)范圍調(diào)整至24.5%以下，避免催化燃燒裝置出現(xiàn)異常爆炸或者火災(zāi)等問題。除此之外，為了盡可能的避免VOC廢氣在催化燃燒裝置內(nèi)部出現(xiàn)回火問題，就必須在條件范圍內(nèi)提高催化燃燒裝置內(nèi)氣體管道的功能強度，從而確保v通入氣體流速＞v回火，如果實際情況需要，還可以在催化燃燒裝置內(nèi)比較關(guān)鍵的節(jié)點部位配置專業(yè)的減壓閥門，合理的控制催化燃燒裝置內(nèi)部的氣體流速，將進氣壓力控制在額定范圍之內(nèi)。除此之外，還需要在催化燃燒裝置的重點設(shè)備節(jié)點配備消防器材，同時還需要在容易發(fā)生各類故障問題的部位設(shè)計一套專業(yè)且標準的連鎖性控制裝置，如果催化燃燒裝置的某一部位出現(xiàn)了故障問題，連鎖性控制裝置就會伴隨自動檢測技術(shù)而發(fā)出警報，提醒工作人員進行應(yīng)急處理，避免故障持續(xù)發(fā)展對整個催化燃燒裝置的運行產(chǎn)生負面影響。

1.4 VOC廢氣的處理效率較高

催化燃燒裝置內(nèi)部的反應(yīng)堆溫度大部分時間保持在345 ℃左右，在此溫度時催化燃燒裝置的總體反應(yīng)效率能夠保持在95%左右，實際處理效率會伴隨著內(nèi)部反應(yīng)物濃度和催化劑性質(zhì)發(fā)生一定的浮動。并且反應(yīng)物濃度和催化燃燒反應(yīng)的實際效率呈現(xiàn)正比變化。因此，需要重點控制以下兩個方面的操作模式。首先必須控制好催化室中的溫度，避免因為反應(yīng)爐部位的溫度不在合適范圍內(nèi)，導致催化劑的活性受到影響，在催化燃燒裝置的過濾器部位提前加入一些活性比較高的催化劑，使氣體能夠率先進行提純操作；其次則需要在VOC廢氣進入催化反應(yīng)室之前，采用相應(yīng)的措施消除廢氣當中的S、P、N等元素，防止其與催化劑發(fā)生副反應(yīng)導致催化劑中毒等問題。

2 催化燃燒裝置的基本理念分析

2.1 催化燃燒裝置的基本反應(yīng)原理

催化燃燒裝置的基本運行結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)直鏈式狀態(tài)，VOC廢氣從催化燃燒裝置的進氣口輸入到裝置內(nèi)部，經(jīng)過基本的過濾裝置過濾出粉塵等大顆粒物質(zhì)之后，將VOC廢氣輸送到換熱室當中，與處理后將要排出的無害化廢氣進行熱交換處理，提高VOC廢氣的溫度，減少后續(xù)預熱操作的能耗量。在進行熱交換處理之后，就可以將VOC廢氣輸入到燃燒室，對VOC廢氣進行預加熱，提高其溫度，由于燃燒反應(yīng)需要使用的氧氣大多情況下為VOC廢氣中本身含有的空氣，因此為了保證燃燒充分，也可以使用旁路風閥額外補充空氣，等到加熱至350 ℃左右，就可以將預熱好的VOC廢氣通過送風機抽送到催化室當中，與催化劑充分接觸進行催化氧化反應(yīng)。因為VOC廢氣當中通常含有硫、磷和硅等元素，很容易使金屬氧化劑出現(xiàn)催化劑中毒現(xiàn)象，因此在預加熱之后的VOC廢氣需要先進行預處理，之后才可以正式輸送到催化室當中進行反應(yīng)。預處理之后的VOC廢氣進入催化室并與氧化劑進行接觸的過程中，催化劑首先會將化工廢氣當中的VOC成分氧化并分解成H20和CO2。發(fā)生催化氧化反應(yīng)之后生成的無害化廢氣，會被輸送到換熱器當中，與進風口處輸送進來的新VOC廢氣進行熱交換，從而實現(xiàn)能源合理利用的目的。催化燃燒裝置內(nèi)部的風機結(jié)構(gòu)在選擇時一般會選擇耐高溫型號，并且風機結(jié)構(gòu)往往設(shè)置于催化燃燒裝置的下游部分，從而使上游位置能夠形成負壓狀態(tài)，避免出現(xiàn)氣體泄漏等問題。

2.2 催化劑的選擇及使用分析

現(xiàn)階段，催化燃燒裝置的催化氧化劑大多使用金屬鉑等貴金屬型的催化材料，其最為合適的使用溫度通常在350 ℃左右，而且形狀大多呈現(xiàn)蜂窩狀或者粉末狀。對于達到使用年限的催化劑，可以對其進行再生處理，再生之后催化劑能夠?qū)崿F(xiàn)循環(huán)使用。與此同時，在選擇催化劑的過程中，還需要根據(jù)處理的VOC廢氣的實際組分、各含量濃度以及廢氣風量進行確認，廢氣的組分決定了催化劑的參考種類，風量和濃度則決定了催化劑的用量，以及對于催化劑可用年限的判斷。通常情況下，每種催化劑都有對應(yīng)的空速比，即SV，根據(jù)相關(guān)數(shù)學分析結(jié)果，可以推算出催化劑的觸媒用量參考值，計算公式為v=Q/ Ve，其中v代表催化劑的空速；Q是需要處理的廢氣量，Ve則是催化劑的實際用量。

2.3 催化燃燒裝置的優(yōu)缺點分析

催化燃燒處理技術(shù)，自上世紀四十年代末期被提出之后，就在不斷的進行技術(shù)改革和實踐應(yīng)用，如今催化燃燒處理裝置已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到化工領(lǐng)域的工業(yè)廢氣處理過程當中[2]。經(jīng)過多年的實踐和優(yōu)化，催化燃燒裝置現(xiàn)階段具備以下幾項突出優(yōu)點：第一是處理效率較高，催化燃燒裝置對于VOC廢氣毒性的處理效率在99%以上，并且能夠?qū)崿F(xiàn)徹底的除臭處理；第二則是催化燃燒裝置能夠?qū)⒔^大部分的VOC廢氣轉(zhuǎn)換成無害物質(zhì)；第三是催化燃燒裝置的VOC廢氣分解效率能夠保持在95%以上，并且不需要額外的輔助處理；第四則是能夠在低溫（300 ℃左右）狀態(tài)對VOC廢氣進行高效處理，減少了燃料的能耗量；第五催化燃燒裝置具備較強的安全性，不會存在粉塵爆炸等高溫風險；第六催化燃燒裝置的設(shè)備內(nèi)部為負壓狀態(tài)，能夠有效的避免臭氣滲漏問題；第七催化燃燒裝置能夠?qū)⒂袡C化合物完全氧化分解成無毒無害的H2O和CO2氣體；第八氧化催化劑的使用壽命相對較長，并且可以根據(jù)輸入口的氣體風量以及VOC廢氣的含量合理推測催化劑的實際使用壽命，并且催化劑還能夠進行再生利用。

除了以上較為突出的優(yōu)點，催化燃燒裝置本身還具備實際應(yīng)用方面的明顯缺點：一方面是裝置當中的催化氧化劑在碰到硅、磷、硫等元素之后，就會出現(xiàn)催化劑中毒現(xiàn)象，因此需要相應(yīng)的預處理機制作為基礎(chǔ)；另一方面則是對于VOC廢氣濃度較低以及風量較大的化工廢氣而言，應(yīng)用催化燃燒裝置的成本過高，需要額外配置沸石滾輪濃縮設(shè)備實現(xiàn)協(xié)同處理，加大了成本開銷。

2.4 催化燃燒裝置的安全運行機制

由于催化氧化反應(yīng)對于溫度的需求較為嚴格，因此在VOC廢氣輸入到催化反應(yīng)室之前，通常使用明火進行廢氣的預熱處理，因此在預熱處理過程中需要考慮以下四個方面的安全措施：首先需要設(shè)置安全聯(lián)鎖和故障報警的同步系統(tǒng)控制機制，一旦發(fā)生回火等安全問題，系統(tǒng)警報器就會立刻發(fā)生報警指示，引導工作人員進行故障處理；其次則是對回火問題進行控制，為了最大程度上避免回火問題的出現(xiàn)，在設(shè)計催化燃燒裝置內(nèi)部管道結(jié)構(gòu)時，必須通過相關(guān)計算，保證管道內(nèi)的氣體流速能夠大于氣體的回火速度，可以根據(jù)需要在管道前端的主路上設(shè)計額外的減壓閥門，保證催化染色裝置內(nèi)部始終處于下游氣體氣壓低于上游氣體氣壓的狀態(tài)。除此之外，還需要對化工廢氣當中的VOC含量進行合理控制，使其保持在爆炸下限數(shù)值的20%范圍之內(nèi)，盡可能避免發(fā)生火災(zāi)或者爆炸問題。最后則可以根據(jù)實際生產(chǎn)流程的需求，選擇回火防治器或者空氣稀釋裝置等安全裝置，盡可能保證催化燃燒裝置內(nèi)部的安全性。

2.5 催化燃燒裝置的實際運行參數(shù)

由于催化劑進行氧化處理的最佳溫度在350 ℃，因此在進入催化室進行催化氧化反應(yīng)之前，需要先在燃燒室當中，對VOC廢氣進行升溫處理，利用預加熱等方式，保證VOC廢氣在進入催化反應(yīng)時的溫度滿足反應(yīng)需求。為了有效的控制VOC廢氣的溫度，避免溫度失衡導致催化燃燒裝置出現(xiàn)異常問題，可以利用PLC控制盤面板對VOC廢氣的實際溫度進行監(jiān)測，并且設(shè)置基本的溫度報警裝置，避免溫度異常導致催化劑活性不穩(wěn)定等問題的發(fā)生。燃燒器當中用于加熱的材料通常有液化石油氣和液化天然氣兩種，如果化工生產(chǎn)地區(qū)由于消防等特殊原因無法供應(yīng)以上燃料，也可以使用電加熱等方式對廢氣進行預熱處理。

3 催化燃燒裝置在處理VOC廢氣方面的實際應(yīng)用案例

催化燃燒裝置利用相應(yīng)的催化劑，將化工廢氣中含有的VOC等物質(zhì)進行催化，并在燃燒的作用下使其轉(zhuǎn)化為無毒害的H2O和CO2[3]。由于催化燃燒裝置的操作較為簡便、對于VOC廢氣的處理效率高，并且催化燃燒裝置本身較為方便維護，且配置所需的成本較低，因此被廣泛應(yīng)用到化工領(lǐng)域的生產(chǎn)過程當中。

3.1 催化氧化裝置的實際應(yīng)用案例分析

表1是某皮革企業(yè)生產(chǎn)線工作過程中，未經(jīng)處理的化工廢氣（在催化燃燒裝置入口處測得），以及催化燃燒裝置處理之后，在出口位置檢測到的各類氣體成分的濃度對比。催化燃燒裝置的處理風量是15 000 m3/h，入口部位的廢氣檢測溫度始終處于常溫狀態(tài)，廢氣含量檢測方法利用國家頒布的HJ734-2014標準。

表1 某皮革企業(yè)的催化燃燒裝置處理前后氣體濃度對比

3.2 催化燃燒裝置的處理效果分析

通過對比催化燃燒裝置出口與入口部位的廢氣濃度可以得出，處理后廢氣中的二甲苯、甲苯、苯和VOC等測試結(jié)果都能夠符合國家相應(yīng)的排放標準，利用催化燃燒裝置處理VOC廢氣的處理效率甚至能夠高達99%以上，滿足國家化工業(yè)廢氣處理標準中要求催化燃燒裝置的實際處理效率不能低于95%的基本要求。

4 結(jié)語

利用催化燃燒裝置處理VOC廢氣的方式，具有效率高、能耗低的突出優(yōu)點，并且還能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的自動化控制。現(xiàn)階段對于我國化工行業(yè)的發(fā)展而言，與傳統(tǒng)的吸附處理技術(shù)和生化處理技術(shù)相比，催化燃燒裝置處理方法的處理效果更好，且需要消耗的技術(shù)成本較低，現(xiàn)階段催化燃燒裝置處理法在我國的化工市場占據(jù)的份額持續(xù)上漲，目前已經(jīng)超過了22%，在較為發(fā)達的國家甚至能夠達到29%左右。在具體的使用方面，催化燃燒裝置比較適合處理風量適中并且VOC濃度較高的化工廢氣。如果需要處理的化工廢氣中VOC的含量較低，或者化工廢氣整體的流動速度較大，直接使用催化燃燒裝置則很難取得良好的效果，在此情況下需要在催化燃燒裝置的上游部分安裝額外的沸石輪轉(zhuǎn)設(shè)備，先將化工廢氣進行壓縮處理，之后以適當?shù)牧魉賹嚎s之后的化工廢氣再輸入到催化燃燒設(shè)備中。