VOC廢氣處理用催化燃燒裝置應用的分析與研究

胡 鵬

（聊城市生態環境局茌平區分局，山東 聊城 252100）

引言

VOC是揮發性的有機化合物，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生反應形成O3，同時會形成光化學煙霧，不僅會污染環境，還會對化工工作人員的身體健康產生嚴重的威脅，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；前端技術則主要通過物理凈化的方式，通過調節壓力和溫度，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

現階段應用較為廣泛的催化燃燒裝置，在皮革等化工行業生產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含量和毒性，從而有效降低化工生產對自然環境和工作人員身體健康的負面影響。針對此需求，可以適當的在當前催化燃燒裝置系統的基礎上，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點：首先是催化燃燒反應過程中使用的氧化劑可以循環利用，這一點主要體現在催化燃燒裝置的風量和風速能夠根據催化氧化反應的具體情況進行調整，從而使催化劑和反應物達到最佳的比例狀態，滿足催化燃燒的處理需求；其次則是比較傳統的化工廢氣處理方式，催化燃燒裝置具備更強的穩定性和安全性，在一定程度上避免出現粉塵壓力過大等問題引發爆炸的情況，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和低溫系統兩套工作機制，其中低溫系統由于能耗較低，因此可以被廣泛的應用到VOC廢氣的處理過程中，并且低溫處理系統的運行環境保持在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，將其中的有毒物質轉換為無毒物質，或者大幅度降低其毒性，處理效率能夠穩定保持在95%以上。

1.3 提高催化燃燒裝置整體的穩定性

對于催化燃燒裝置的使用而言，預熱環節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定性，保證其能夠穩定的使用。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范圍調整至24.5%以下，避免催化燃燒裝置出現異常爆炸或者火災等問題。除此之外，為了盡可能的避免VOC廢氣在催化燃燒裝置內部出現回火問題，就必須在條件范圍內提高催化燃燒裝置內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比較關鍵的節點部位配置專業的減壓閥門，合理的控制催化燃燒裝置內部的氣體流速，將進氣壓力控制在額定范圍之內。除此之外，還需要在催化燃燒裝置的重點設備節點配備消防器材，同時還需要在容易發生各類故障問題的部位設計一套專業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了故障問題，連鎖性控制裝置就會伴隨自動檢測技術而發出警報，提醒工作人員進行應急處理，避免故障持續發展對整個催化燃燒裝置的運行產生負面影響。

1.4 VOC廢氣的處理效率較高

催化燃燒裝置內部的反應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效率能夠保持在95%左右，實際處理效率會伴隨著內部反應物濃度和催化劑性質發生一定的浮動。并且反應物濃度和催化燃燒反應的實際效率呈現正比變化。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，避免因為反應爐部位的溫度不在合適范圍內，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廢氣進入催化反應室之前，采用相應的措施消除廢氣當中的S、P、N等元素，防止其與催化劑發生副反應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原理

催化燃燒裝置的基本運行結構呈現直鏈式狀態，VOC廢氣從催化燃燒裝置的進氣口輸入到裝置內部，經過基本的過濾裝置過濾出粉塵等大顆粒物質之后，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。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催化劑中毒現象，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。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。發生催化氧化反應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，從而實現能源合理利用的目的。催化燃燒裝置內部的風機結構在選擇時一般會選擇耐高溫型號，并且風機結構往往設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，避免出現氣體泄漏等問題。

2.2 催化劑的選擇及使用分析

現階段，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實現循環使用。與此同時，在選擇催化劑的過程中，還需要根據處理的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的空速比，即SV，根據相關數學分析結果，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 催化燃燒裝置的優缺點分析

催化燃燒處理技術，自上世紀四十年代末期被提出之后，就在不斷的進行技術改革和實踐應用，如今催化燃燒處理裝置已經被廣泛的應用到化工領域的工業廢氣處理過程當中[2]。經過多年的實踐和優化，催化燃燒裝置現階段具備以下幾項突出優點：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，并且能夠實現徹底的除臭處理；第二則是催化燃燒裝置能夠將絕大部分的VOC廢氣轉換成無害物質；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備內部為負壓狀態，能夠有效的避免臭氣滲漏問題；第七催化燃燒裝置能夠將有機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點，催化燃燒裝置本身還具備實際應用方面的明顯缺點：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，就會出現催化劑中毒現象，因此需要相應的預處理機制作為基礎；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備實現協同處理，加大了成本開銷。

2.4 催化燃燒裝置的安全運行機制

由于催化氧化反應對于溫度的需求較為嚴格，因此在VOC廢氣輸入到催化反應室之前，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：首先需要設置安全聯鎖和故障報警的同步系統控制機制，一旦發生回火等安全問題，系統警報器就會立刻發生報警指示，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，在設計催化燃燒裝置內部管道結構時，必須通過相關計算，保證管道內的氣體流速能夠大于氣體的回火速度，可以根據需要在管道前端的主路上設計額外的減壓閥門，保證催化染色裝置內部始終處于下游氣體氣壓低于上游氣體氣壓的狀態。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值的20%范圍之內，盡可能避免發生火災或者爆炸問題。最后則可以根據實際生產流程的需求，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部的安全性。

2.5 催化燃燒裝置的實際運行參數

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時的溫度滿足反應需求。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測，并且設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定等問題的發生。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，如果化工生產地區由于消防等特殊原因無法供應以上燃料，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廢氣方面的實際應用案例

催化燃燒裝置利用相應的催化劑，將化工廢氣中含有的VOC等物質進行催化，并在燃燒的作用下使其轉化為無毒害的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，因此被廣泛應用到化工領域的生產過程當中。

3.1 催化氧化裝置的實際應用案例分析

表1是某皮革企業生產線工作過程中，未經處理的化工廢氣（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，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等測試結果都能夠符合國家相應的排放標準，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、能耗低的突出優點，并且還能夠實現系統的自動化控制。現階段對于我國化工行業的發展而言，與傳統的吸附處理技術和生化處理技術相比，催化燃燒裝置處理方法的處理效果更好，且需要消耗的技術成本較低，現階段催化燃燒裝置處理法在我國的化工市場占據的份額持續上漲，目前已經超過了22%，在較為發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設備，先將化工廢氣進行壓縮處理，之后以適當的流速將壓縮之后的化工廢氣再輸入到催化燃燒設備中。