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催化燃燒篇——VOCs和惡臭廢氣污染控制裝備產(chǎn)品應(yīng)用（二）

發(fā)布時間：2023-06-19人氣：120

VOCs種類繁多，成分復(fù)雜，不同行業(yè)的VOCs氣體特征如流量、濃度具有較大差異。有研究表明，化學制品、醫(yī)藥制造、交通設(shè)備制造、印刷、電子及電信設(shè)備制造是產(chǎn)生VOCs氣體最多的前5個行業(yè)，分別占調(diào)研總案例的26%、13%、12%、8%和5%。大多數(shù)行業(yè)VOCs點源產(chǎn)生的VOCs濃度在10²-10⁴mg/m³范圍內(nèi)。濃度較高的行業(yè)如石油加工、化工醫(yī)藥制造等，這些行業(yè)產(chǎn)生的濃度大多高于10³mg/m³；濃度較低的如皮革、毛皮、羽絨制品等，其濃度一般低于500mg/m³。不同濃度的VOCs處理技術(shù)有較大差異，因此，掌握各行業(yè)產(chǎn)生的VOCs氣體濃度分布特征對發(fā)展VOCs治理技術(shù)具有十分重要的意義。

為滿足廣大業(yè)主單位和環(huán)保行業(yè)同仁對VOCs和惡臭廢氣污染控制裝備產(chǎn)品應(yīng)用現(xiàn)狀等方面有關(guān)基礎(chǔ)知識的學習需求和行業(yè)普及，經(jīng)征求專家同意，《VOCs前沿》據(jù)有關(guān)研究成果，通過本號平臺開展知識科普傳播（本篇已開啟“快捷轉(zhuǎn)載”，所有帳號均可轉(zhuǎn)載此圖文），擬分兩大版塊（逐章節(jié)）進行專題分享：

一、基于單項技術(shù)的設(shè)備與產(chǎn)品（吸附、催化燃燒、熱力燃燒、生物法處理技術(shù)、紫外光氧化/光催化、冷凝回收、化學吸收、膜分離技術(shù)；下列打?為已發(fā)布篇幅，點擊下方標題可查閱）；

二、基于不同設(shè)備產(chǎn)品的組合工藝（沸石吸附+氧化工藝、低溫等離子體+吸收、選擇性吸收分離+吸附回收、水洗+除霧+光催化氧化、光催化氧化+等離子、VOCs膜組合工藝）。

催化燃燒

基于單項技術(shù)的設(shè)備與產(chǎn)品

概述

催化燃燒是典型的氣—固相催化反應(yīng)，它借助催化劑降低了反應(yīng)的活化能，使其在較低的起燃溫度200～300℃下進行無焰燃燒，有機物質(zhì)氧化發(fā)生在固體催化劑表面，同時產(chǎn)生CO₂和H₂O，并放出大量的熱量。因其氧化反應(yīng)溫度低，所以大大地抑制了空氣中的N₂形成高溫NOx。而且由于催化劑有選擇性催化作用，有可能限制燃料中含氮化合物（RNH）的氧化過程，使其多數(shù)形成分子氮(N₂)。

技術(shù)原理：催化燃燒是使有機廢氣通過催化劑床層，經(jīng)歷催化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)的方法。在貴金屬催化劑的作用下，有機廢氣在較低的溫度下進行無焰催化燃燒，將有機成分轉(zhuǎn)化為無毒、無害的CO₂和H₂O，同時釋放出大量的熱量。由于催化劑可加速氧化分解的歷程，大多數(shù)碳氫化合物在300~450℃的溫度時，通過催化劑就可以氧化完全。

特點：起燃溫度低，能耗少，燃燒易達穩(wěn)定，甚至到起燃溫度后無需外界傳熱就能完成氧化反應(yīng)；凈化效率高，污染物（如NOx及不完全燃燒產(chǎn)物等）的排放水平較低；適應(yīng)氧濃度范圍大，噪音小，無二次污染，且燃燒緩和，運轉(zhuǎn)費用低，操作管理也很方便；催化劑易中毒和不耐高溫。易使催化劑中毒的物質(zhì)有焦油、油煙、粉塵、鉛化合物和硫、磷、鹵族元素的化合物等。為了保持催化劑的活性，一般都采用前處理的辦法，預(yù)先除掉有毒物質(zhì)。

適用范圍：催化燃燒技術(shù)作為一個低溫燃燒廢氣治理工藝，適用于中低濃度廢氣，被廣泛應(yīng)用于石油化工、油漆、電鍍、印刷、涂料、輪胎制造等工業(yè)廢氣的治理，可處理的有機物質(zhì)種類包括苯類、酮類、酯類、酚類、醛類、醇類、醚類和烴類等等。對于大風量低濃度的有機廢氣，可以采取吸附濃縮+脫附催化燃燒的組合工藝。

催化燃燒設(shè)備

概述：根據(jù)對廢氣加熱方式的不同，催化燃燒工藝可分為常規(guī)催化燃燒工藝（簡稱CO）和蓄熱式催化燃燒工藝（簡稱RCO）如圖1和2。

這兩種技術(shù)的工作原理基本相同，工藝流程大致類似，所以相關(guān)的單元設(shè)備也基本相同。蓄熱式催化燃燒處理VOCs技術(shù)與直接催化燃燒處理VOCs技術(shù)不同點主要體現(xiàn)在，蓄熱式催化燃燒處理VOCs技術(shù)相比與直接催化燃燒處理VOCs技術(shù)熱量回收的形式是不同的，RCO反應(yīng)后尾氣中熱量回收是通過蓄熱體與尾氣直接換熱將熱量回收下來，然后原料氣與蓄熱體直接換熱將原料氣加熱到一定溫度，由于是直接換熱所以換熱效率高，能量利用率高。CO反應(yīng)后尾氣熱量回收是通過換熱器讓反應(yīng)后的廢氣與原料氣進行間接式換熱，從而把反應(yīng)后尾氣的熱量回收下來把原料氣加熱到一定溫度，由于是間接式換熱所以換熱效率相對較低，能量利用率低。但是CO相對于RCO不需要頻繁切換，流程相對簡單。

圖1 常規(guī)催化燃燒工藝

圖2 蓄熱式催化燃燒工藝

相對常規(guī)催化燃燒工藝，蓄熱式催化燃燒技術(shù)是在催化燃燒技術(shù)的基礎(chǔ)上增加了一套熱能儲存與再利用裝置。其技術(shù)原理同樣為以較低溫度有機廢氣在催化劑的作用下將氣態(tài)污染物完全氧化，其去除效率一般可達98%以上，同時熱回收效率可以達到90%以上。一般工業(yè)上，VOCs催化氧化的反應(yīng)溫度為200～600℃，停留時間為0.02～0.42S，空速為5000～20000h^-1。催化燃燒設(shè)備如圖3所示。

圖3 催化燃燒設(shè)備

設(shè)備說明：催化燃燒系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于對吸脫附系統(tǒng)的濃縮脫附廢氣進行催化燃燒。其構(gòu)成如下：板式換熱器，板式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種高效換熱器。加熱室及催化劑，加熱室采用U型加熱管排列加熱，該加熱方式具有無污染、運行穩(wěn)定的特點，由電控系統(tǒng)自動控制，當廢氣溫度低于一定溫度時（可設(shè)定）加熱器自動加熱給廢氣加熱，當廢氣溫度高于一定溫度時（可設(shè)定）燃燒器斷開電源以節(jié)約電能及達到安全運行。

圖4 板式換熱器

圖5 U型加熱管及催化劑

堇青石蜂窩瓷體作為第一載體，γ-Al₂O₃和稀土材料為第二載體，以貴金屬Pd、Pt、Rh等為主要活性組分，是一種新型高效的有機廢氣凈化催化劑。具有流動阻力低、反應(yīng)起始溫度低、活性高、空速適應(yīng)范圍寬的特點，其形狀為方形蜂窩體，外形尺寸是100mm×100mm×50mm（長、寬、高），200目方形孔，孔密度32個/cm²，堆密度是600-700 kg/m³，貴金Pd、Pt涂層厚度約100 μm，最佳使用溫度是280-650 ℃，按正常操作要求使用，壽命一般為2～3年。

圖6 堇青石蜂窩瓷體

蓄熱式催化燃燒技術(shù)是在催化燃燒技術(shù)的基礎(chǔ)上增加了一套熱能儲存與再利用裝置。通常利用蜂窩狀的陶瓷體作為蓄熱體，將催化反應(yīng)過程所產(chǎn)生的熱能通過蓄熱體儲存并用以加熱待處理廢氣，充分利用有機物燃燒所產(chǎn)生的熱能，從而達到節(jié)能的目的。蓄熱式催化燃燒技術(shù)的熱回收是利用陶瓷材料的高熱傳導(dǎo)系數(shù)特性作為熱交換介質(zhì)，以得到較完整的熱能傳導(dǎo)率。蓄熱催化氧化裝置在一個固定床反應(yīng)器中把化學反應(yīng)和蓄熱熱交換結(jié)合起來，大大提高了熱能的利用率，反應(yīng)熱回收率高，達到節(jié)能減排功效。

蓄熱陶瓷特點為孔壁薄、容量大、蓄熱量大、占用空間??；孔壁光滑、背壓??；使用壽命長、不易渣蝕、粘蝕和高溫變形；產(chǎn)品質(zhì)量規(guī)格高，安裝時，蓄熱體之間排放整齊，錯位?。痪哂械蜔崤蛎浶?、比熱容大、比表面積大、壓降小、熱阻小、導(dǎo)熱性能好、耐熱沖擊好等特性。蓄熱式催化燃燒技術(shù)凈化有機廢氣后的產(chǎn)物為無害的CO₂和H₂O，不會造成二次污染。在凈化高濃度廢氣時可從反應(yīng)器中部高溫區(qū)移出部分反應(yīng)熱，能在凈化廢氣的同時生產(chǎn)較高品位的熱能而獲得經(jīng)濟效益。

VOCs治理應(yīng)用中，催化燃燒技術(shù)廣泛應(yīng)用于石油化工、油漆、電鍍、印刷、涂料、輪胎制造等工業(yè)廢氣的治理，可處理的有機物質(zhì)種類包括苯類、酮類、酯類、酚類、醛類、醇類、醚類和烴類等等。

在選擇催化燃燒工藝時應(yīng)進行熱量平衡計算。當廢氣中所含的有機物燃燒后所產(chǎn)生的熱量足以維持催化劑床層自持燃燒時，應(yīng)采用常規(guī)催化燃燒工藝。當廢氣中所含的有機物燃燒后所產(chǎn)生的熱量不足以維持催化劑床層自持燃燒時，宜采用蓄熱式催化燃燒工藝。當廢氣中組分含有重金屬、硫、磷、砷、鹵素、氯離子以及硅化物時，則需要進行合適的預(yù)處理或選用其他治理工藝。

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