VOCs 废气处理用催化燃烧装置应用分析与研究
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摘 要
介绍了挥发性有机化合物（VOCs）废气处理用催化燃烧装置的结构与工作原理，并结合装置的应用实例来对催化燃烧设备进行分析与研究。根据现行相关大气标准的要求与实际工况，对催化燃烧装置在废气处理过程中所体现的优势与尚需改进之处进行了总结。
挥发性有机化物（VOCs）是指沸点在50~260℃之间，室温下饱和蒸汽压超过 133.3 Pa的易挥发性有机化合物，包括苯、甲苯、二甲苯等常规烃类化合物，硫氨有机化合物等[1]。有机废气容易与大气中的氮氧化物反应生成 O3 并形成光化学烟雾，会对人体健康产生有害影响，因此 VOCs 废气的处理受到了各国的高度重视，发达国家近年陆续颁布了相关的法令以限制 VOCs 的排放。
2017年VOCs的排放量已超过3100 万 t [2]，其来源主要有固定源与移动源2 种。移动源排放主要集中在汽车、轮船和飞机等以石油产品为燃料的交通工具的排放气。固定源的种类很多，主要为石油化工工艺过程和储存设备等的排出物及各种使用有机溶剂的场合，如喷漆、印刷、金属除油和脱脂、黏合剂、制药、塑料和橡胶加工等。全国各地对于 VOCs废气的排放有着严格的控制，陆续公布了最新的VOCs 排放标准。常规处理 VOCs 废气采用前端回收技术或后端氧化分解2种方式，前者采用物理方法，在一定温度与压力下，通过冷凝、吸收剂、吸附剂或具有选择性的膜对VOCs进行分离；而氧化分解技术则是通过生化法，利用光、热、催化剂或微生物对VOCs进行氧化分解，并生成CO2与H2O。氧化分解VOCs的方法一般有直接燃烧法、蓄热式燃烧法、催化燃烧法等。其中，催化燃烧法的原理是通过使加热至一定温度的 VOCs废气与装置内的贵金属催化剂进行接触并发生催化氧化反应，将有机物氧化生成无害的 CO2与H2O，达到除去VOCs目的的一种设备与工艺。
1 催化燃烧装置介绍
催化燃烧装置是一种通过氧化催化剂对加热至一定温度的废气催化氧化，使其生成无害的 CO2 与 H2O 的工艺设备。与传统蓄热燃烧、直燃式热氧化炉相比，具有热耗低、处理效率高（≥95%）的特点。常用的催化燃烧装置根据氧化催化剂的最佳工作温度（250~400 ℃），可实现低温氧化废气中的 VOCs，并大大节省处理废气的运行成本。
1.1 催化燃烧装置原理
催化燃烧装置的结构及处理流程如图 1 所示。含 VOCs 废气进入装置入口，经过滤器过滤后进入换热器室进行热交换，再进入燃烧器室对废气进行预加热（燃烧用氧气为废气中所含有的空气，也可通过旁路风阀补充空气），待加热至 350 ℃后由送风机将预热气体抽至催化剂室进行催化氧化。由于部分废气中含有硫、硅、磷等元素，会使贵金属催化剂中毒，因此预加热后的废气在进入催化剂室前需进行预处理。当处理后的废气进入催化剂室并与氧化催化剂接触时，催化剂将废气中的 VOCs 氧化分解成CO2 和 H2O。处理后的无害气体将被送入一次换热器，与从入口来的废气进行热交换，达到节约热源的目的。风机采用耐高温型号，放置于设备本体下游部分，目的在于使上游路径形成负压，防止气体泄漏。装置排气口预设取样孔，用于对处理后的废气进行成分检测。
1.2 催化燃烧装置安全性预防
由于催化燃烧装置在燃烧室中采用明火对废气进行预热，因此需考虑废气的相关安全措施：（1）废气中 VOCs 含量需控制在 LEL（爆炸下限）的 25%以下，以防止爆炸或火灾。（2）回火控制：为防止回火，在设计管道尺寸时应使废气的最低流速始终大于回火速度，或在前期管道主路设置减压阀，使进气压力始终高于下游气体压力。（3）其他安全措施：采用回火防止器、稀释空气等方法。（4）设置轻故障或重故障报警及安全联锁控制系统，当有回火情况发生时，蜂鸣器将发出警报指示。
1.3 催化燃烧装置的优缺点
催化燃烧废气处理技术是 20 世纪 40 年代末出现的。从 1949 年美国研制出世界上第一套催化燃烧装置到现在，该技术已广泛地应用于油漆、橡胶、塑料、树脂、皮革、食品和铸造等领域，也用于汽车尾气净化等方面。中国在 1973 年开始将催化燃烧法用于治理漆包线烘干炉排出的有机废气，随后又在绝缘材料、印刷工业等方面进行了研究，使催化燃烧法得到了广泛的应用。经过多年来的发展与改良，催化燃烧装置具有其特有的优势：（1） 可处理绝大多数VOCs 废气；（2）可将有机化合物氧化分解成无毒无害的 CO2 气体与 H2O；（3）分解效率高达 95%以上，无需作后续处理；（4）可在低温（200~400 ℃）下对 VOCs 进行分解，燃料消耗量低（节能）；（5）催化剂使用寿命长，可根据入口气体的风量与 VOCs含量推断催化剂的使用时间，且催化剂可进行再生利用；（6）设备内为负压结构（风机设置在设备内部下游），可有效防止臭气渗漏；（7）具有高度安全性，能在低温下进行反应，无粉尘爆炸的危险；（8）处理效率在 99%以上（彻底除臭）。
催化燃烧装置的缺点：（1）对于较大风量且低VOCs 质量浓度废气而言，处理费用相对过高，可协同沸石滚轮浓缩设备进行废气浓缩后再作催化氧化处理；（2）用于处理 VOCs 的氧化用催化剂当遇见硫、磷、硅等物质时会发生催化剂中毒现象，因此需要设置预处理步骤。
1.4 催化燃烧装置运行参数
催化氧化装置的大小由最大处理风量来决定，一般最大处理风量可达到 30 000 m3/h（标准状态下，下同），根据处理废气中 VOCs 的质量浓度与成分对催化剂种类与用量进行选择。由于催化剂氧化处理的最合适温度在 350 ℃左右，因此需通过燃烧室对废气进行预加热。为防止温度过高或过低导致工况温度异常，可将热电偶信号输送至可编程逻辑控制器（PLC）控制盘面板以便于监测与读数，并设置温度警报以防高温下催化剂烧焦或低温下催化剂处理活性过低的现象发生。燃烧器用加热燃料通常采用液化天然气（LＮG）或液化石油气（LPG），如果部分厂区因消防原因无上述燃料供应，也可采用电加热的方式进行废气加热。根据燃料不同热值与所处理废气的风量大小、入口温度等参数进行热量衡算，确认燃气的用量。由于所处理的废气中含有 VOCs 成分，其本身在燃烧过程中也能提供一定的热量，经验上认为当 VOCs 质量浓度达到 2 000 mg/m3 左右时所产生的热量可以满足燃气外加的热能需求。该部分热量必须考虑在热量衡算中，以免温度过高导致催化剂被烧毁的现象发生。综上所述，废气流量、燃气流量、入口出口温度及燃烧室温度均为必要监控的运行参数。
1.5 催化剂选择与使用
催化燃烧装置采用的氧化催化剂多为铂（Pt）贵金属型材料，其最佳使用温度在 350 ℃左右，形状大多为粉末状或蜂窝状。一般催化剂的使用期限在 5年左右，这需要根据待处理气体的浓度与成分而定。可对达到使用年限的催化剂进行再生处理，再生后的催化剂可循环使用。此外，在选择氧化催化剂前需要对处理废气的风量、组分与浓度进行相关确认。组分决定氧化催化剂的种类，风量与浓度决定催化剂的用量。通常每种催化剂均有相应的空速比（SV），可根据相关数据推算出触媒的大致用量，计算公式见式（1）。
其中：v 为催化剂空速，h-1；Q 为处理废气量，m3/h；Vc为催化剂用量，m3。
例如：某蜂窝状催化剂的 SV 值为 35 000 h-1（查表），风量为 4 200 m3/h，则可算出催化剂用量约为 0.12 m3。
1.6 处理效率
催化燃烧处理装置的效率在最适合温度（350℃左右）下可达到 95%以上，入口废气的浓度不同处理效率有所不同，浓度越高处理效率越高[3]。影响处理效率的因素包括：（1）催化剂中毒（含有硫、磷、硅等的化合物）；（2）温度过低，催化剂活性不足。
当处理废气中含有容易使催化剂中毒的物质时，可在催化剂室前设置前处理设备，即增加前处理催化剂。工程中常采用蜂窝状的陶瓷类前处理剂来去除硫等物质。同样，废气的组成不同，前处理剂的选择也不同。此外，当温度过低时，氧化催化剂对废气中 VOCs 的氧化效率会大幅减弱，因此需要在装置中设置热电偶及传感器，使即时温度能及时显示在 PLC 盘柜显示屏中，并设置低温轻故障警报，当温度过低时自动点燃燃烧加热器进行升温。
2 催化燃烧装置应用案例与效果分析
催化燃烧装置采用催化剂对废气中的 VOCs 物质进行催化氧化，并形成无毒无害的 CO2 与 H2O。由于其处理效率高及操作、维护方便，已在化工、制药、食品等领域广泛运用。
2.1 催化氧化装置应用实例
目前我国各省采用的 VOCs 测试标准主要为天津地标，即 DB 12/524—2014《工业企业挥发性有机物排放控制标准》，测试方法采用 HJ 734—2014《固定污染源废气挥发性有机物的测定 固相吸附 - 热脱附 / 气相色谱 - 质谱法》；相比于先前通过非甲烷总烃（ＮＭHC）来对废气处理质量进行评价，天津地标重点对苯、甲苯、二甲苯与 VOCs（24 项）指标进行测试。VOCs 测试方法 HJ 734—2014 中主要挥发性有机物的测试内容为：丙酮、异丙醇、正己烷、乙酸乙酯、苯六甲基二硅氧烷、3- 戊酮、正庚烷、甲苯、环戊酮、乳酸乙酯、乙酸丁酯（醋酸丁酯）、丙二醇单甲醚乙酸酯 、乙苯、对 / 间二甲苯、 2- 庚酮、苯乙烯、邻二甲苯、苯甲醚、苯甲醛、1- 癸烯、2- 壬酮、1- 十二烯等。
表 1 为某绕组线行业生产线所排放的废气未经处理时（装置入口处）及经过催化燃烧装置处理后出口气体各成分质量浓度的对比数据，装置处理风量为 15 000 m3/h，入口废气温度为常温状态，检测方法采用 HJ 734—2014。
2.2 效果分析
根据对出口废气成分与质量浓度的检测得知，废气中的苯、甲苯、二甲苯及 VOCs24 项测试结果均符合标准要求（印刷行业 50 mg/m3 以下），催化燃烧装置的 VOCs 处理效率高达 99.2%，满足国家大气污染治理相关文件中催化燃烧装置处理效率大于95%的要求。
3 结语
催化燃烧装置具有 VOCs 去除效率高、能耗低、自动化操作方便等特点，现已被广泛应用于各种行业。目前在我国，相对于传统吸附技术与生化技术等VOCs 处理方法，催化燃烧工艺市场的占有率超过22%，其在国外市场占有率高达 29%，显示出其日益成熟并且被市场广泛接受的趋势[4]。催化燃烧装置适合处理中小风量（800~30 000 m3/h）废气，在风量较大、VOCs 质量浓度过低的情况下，可采用上游安装沸石转轮对气体进行浓缩，下游利用催化燃烧装置进行氧化处理的协同方法进行处理。总体来说，催化燃烧装置与工艺是一种经济方便的 VOCs 废气处理方式。