硅烷廢氣焚燒處理系統與資源化利用

賀俊梅 張紅偉

（維珂瑞（北京）環境科技有限公司 北京 100012）

引言

硅烷等有機硅屬于新型高性能材料，具有性能獨特、種類多樣等特點，其廣泛涉及材料、電子、能源、信息等產業[1]。隨著國家戰略性新興產業重點產品目錄的發布，新興產業快速發展，硅烷等有機硅材料作為國家戰略性新興產業材料重要組成部分，用量也日益增長。隨之帶來的就是生產過程中產生大量的硅烷廢氣[2]。硅烷廢氣有毒且易燃易爆，為降低環境污染，保證硅烷材料產業持續穩定的發展，必須經過無害化處理方可排放。

焚燒處理技術是目前較為先進的、徹底有效的、認可度較高的無害化處理技術，無論在環保還是安全方面都具有很大優勢[3]，包括直燃式焚燒爐（TO）、換熱式催化氧化爐（CO）、蓄熱式高溫焚燒爐（RTO）、蓄熱式催化氧化爐（RCO）。由于催化氧化爐中催化劑在某些特定條件下容易中毒而失去活性，運行時設備維修成本較高，因此，在處理有機廢氣時，采用TO 和RTO 這兩種焚燒技術居多。又因RTO 在具備氧化溫度高、凈化效率高的特點的同時，憑借著陶瓷蓄熱體的存在，還補足了TO 能耗高、熱回收效率低的缺點，從而被廣泛應用于各行各業的有機廢氣治理當中。但是在處理含有硅烷等有機硅廢氣時，逐漸暴露出RTO 技術的缺點。分析其原因：硅烷在高溫氧化過程中產物為CO2、H2O 以及SiO2，SiO2以固態形式存在，在陶瓷蓄熱體表面易形成結晶，微觀上表現為構成陶瓷蓄熱體的硅鋁酸鹽與SiO2結晶具有相近性[4]，使得二者緊緊結合在一起，宏觀上表現為SiO2在陶瓷蓄熱體表面層層生長、堆積，占據蓄熱體傳熱孔道，造成RTO 系統壓力增加、傳熱效果變差、排氣溫度變高等嚴重后果[5]。在RTO 處理硅烷廢氣的弊端暴露之后，行業中對于含有硅烷廢氣的處理不再建議采用RTO 焚燒技術，而是優先選用TO 這種不易被硅粉堵塞的設備，而且有研究表明TO 法處理含硅有機廢氣的正確性與優勢[3][6][7]。但是TO 處理技術存在能耗高的缺點，因此，實際應用中設計一種無害化、資源化的處理工藝極為關鍵。

本文借助河南省某企業硅烷廢氣焚燒系統為研究對象，提出一種防堵、高效、節能、資源化利用的處理工藝，為硅烷廢氣的優化治理提供一種借鑒。

1 硅烷廢氣焚燒處理方案

1.1 設計基礎

直燃式焚燒爐應用形式有兩種，一種是預熱器與焚燒爐一體化形式，一種是預熱器與焚燒爐分開獨立形式。無論哪種形式在處理硅烷廢氣中均有應用[1][6]。但是，一體化形式不適用于含有腐蝕性較高的廢氣，原因是不僅前期設備投資高，若后期預熱器存在腐蝕，維修與更換難度很大，維修成本也非常高。因此，對于含有腐蝕性強的廢氣，一般建議采用預熱器與焚燒爐分開獨立形式。

鑒于本項目廢氣源成分中含有腐蝕性氣體，本項目采用爐膛和預熱器分開獨立形式。工藝選擇原則：先進、穩定、適應性強；利用成熟焚燒設備無害化處理；充分利用大量余熱與現有沼氣預熱廢氣，節約能源；資源轉化與合理化利用；全自動化控制，安全可靠、操作方便。本文針對現場運行情況，在防堵塞、去除效率、節能降耗、資源化利用方面展開研究與分析，佐證該系統在處理硅烷廢氣時的優越性。

1.2 工藝流程圖

圖1 為本項目硅烷廢氣焚燒處理系統的工藝流程示意圖。

1.3 系統構成與主體功能介紹

硅烷廢氣焚燒處理系統包含核心處理系統（直燃式焚燒爐TO）、余熱回收系統（預熱器、余熱鍋爐、省煤器）、硅粉旋風處理系統、后處理系統、輸送系統（風機）、安全與控制系統。系統中采用旋風處理是最大可能降低SiO2粉塵對余熱鍋爐的影響，提高熱回收效率、提高蒸汽產量。

（1）TO 爐的氧化焚燒

本項目硅烷廢氣焚燒處理系統設計處理能力15000Nm3/h，車間硅烷廢氣經收集安全輸送至處理系統，廢氣首先利用預熱器進行初步升溫至350-400℃，再送入TO 氧化焚燒，如此則節約燃燒機燃料消耗。進入TO 的硅烷廢氣高溫氧化后生成含SiO2的小分子化合物，凈化效率高。TO 采用臥式，燃燒器安裝在焚燒爐爐頭，選擇天然氣和沼氣作為供熱燃料。

（2）TO 后的余熱回收

受預熱器熱傳遞效率的影響，TO 高溫排氣經過預熱器第一次熱量回收后，氣體溫度依然很高，含有大量熱能，采用余熱鍋爐收可將大部分熱量回收，并產出0.8MPa 飽和蒸汽，此為系統第二次熱量回收。經過余熱鍋爐的煙氣溫度由400-450℃降至約200-250℃，然后再進入省煤器，此單元為第三次熱量回收，作用是初步加熱鍋爐給水，節省能源消耗，提高鍋爐蒸汽產生量，此單元后的煙氣溫度被降至120-150℃，經后處理設備，最終由風機排入煙囪。

（3）安全與控制系統

系統中在管道與設備單元均設置必要的溫度、壓力、可燃氣體濃度監測儀表，實時監測管道、設備單元風壓、溫度、濃度信息，并實現關鍵的控制連鎖關系，確保處理系統穩定、可靠運行。

1.4 氣體檢測儀器和方法

（1）氣體檢測儀器

VOCs 濃度檢測采用非甲烷總烴分析儀，品牌TESTA GmbH，型號FID-2010nmHC；氣體成分分析采用氣相色譜－質譜聯用儀，品牌東西分析，型號GC-MS 3100。

（2）氣體檢測方法

《HJ 734-2014 固定污染源廢氣 揮發性有機物的測定 固相吸附－熱脫附/氣相色》；《DB 11/T 1367-2016固定污染源廢氣甲烷/總烴/非甲烷總烴的測定 便攜式氫火焰離子化檢測器法》。

2 運行效果分析

2.1 最佳爐膛溫度與停留時間的分析

眾所周知，影響燃燒過程的因素包括溫度、停留時間、湍流度，簡稱3T 因素。在爐體結構確定的情況下，本部分只針對最佳爐膛溫度和停留時間進行分析與探討，由于TO 爐膛截面積、長度一定，停留時間可由煙氣在爐膛內的流通量間接表示。本部分探討僅采用天然氣作為供熱燃料。

最佳爐膛溫度的分析見圖2，運行條件為風量15000Nm3/h，進氣濃度2500mgC/m3（采用非甲烷總烴分析儀進行檢測）、進氣溫度30℃、爐膛內停留時間1.5s。圖中展示出，爐膛溫度高于750℃，變化趨勢較為緩慢，達到850℃以上時，TO 去除效率基本保持不變，且850℃以后去除效率達98.5%以上。可見，TO 爐膛溫度達到850-900℃時為最佳，此時去除效率較高，綜合經濟和排放要求，則本項目設置爐膛長期運行溫度為850-900℃。

再取10000-25000Nm3/h 范圍內6 點風量值對最佳停留時間進行分析，在TO 尺寸一定的前提下，通過風量核算爐膛停留時間進行討論。運行中其他參數同上，爐膛溫度設定850-900℃，對應爐膛停留時間與去除效率的變化曲線見圖3。圖中可見，停留時間和去除效率是成正比的關系，當停留時間達到1.3s 左右時對應風量為16500Nm3/h，去除效率可達98%以上，當停留時間達到1.5s 左右時對應風量為15000Nm3/h，去除效率可達98.5%以上。由于TO 設備設計需滿足甲方30%-110%處理負荷的要求，根據調試與試運行結果，TO 設備運行可實現設計運行負荷下的達標排放，且設備停留時間取值合適，設備造價設定合理。

2.2 實際應用效果分析

實際應用中，車間硅烷尾氣風量共計15000Nm3/h，運行時相關參數為：進氣濃度2500-3000mgC/m3、進氣溫度30℃、爐膛溫度850-900℃，爐膛內停留時間1.5s。硅烷廢氣焚燒處理系統在運行時采集了一系列數據，在沼氣與天然氣供熱情況下，探討系統VOCs 排放情況，檢測結果見圖4。根據數據顯示，直燃式焚燒爐對硅烷的去除效率較高，無論天然氣還是沼氣供熱均達到98%以上的去除效率，出氣濃度不高于60mgC/m3，滿足國家與地方的排放要求。同時，在廢氣源與燃燒產物檢測分析中發現，車間尾氣中主要由四甲基硅烷、三甲基氯硅烷、烷烴類等其他物質構成，經過氧化焚燒生成成分簡單的CO2、H2O 以及SiO2和HCI，說明本系統中硅烷廢氣在850-900℃爐膛內可以被完全分解、徹底去除，實現了有機廢氣無害化的目標。TO 系統的高效性與管道壓力的穩定性，完全可以替代蓄熱式焚燒爐處理硅烷廢氣，避免了SiO2堵塞的問題。

3 經濟效益分析

直燃式焚燒爐在一些行業完全被蓄熱式焚燒爐取代，最重要的因素是其能耗太高，反過來在一些硅烷產生行業又不得不采用直燃式焚燒爐，因此，盡可能的回收熱能是直燃式焚燒爐一大急需突破的難題。本部分就是在系統高處理效率前提下，來討論系統熱量回收與資源化利用效果，證明本系統具有較高的熱能回收效率。見圖5，截取某一次系統運行畫面，根據處理風量15000Nm3/h 進行熱量與能耗計算。

3.1 余熱回收部分熱量核算與能源節約

（1）余熱回收單元熱量核算

TO 爐排出的高溫煙氣依次經過預熱器、余熱鍋爐、省煤器進行熱量充分回收。根據運行畫面圖5，預熱器將30℃的廢氣升溫至384℃，同時將TO 爐805℃的高溫排氣降至442℃，熱量回收約2130kW；余熱鍋爐采用氣液逆流換熱形式，將預熱器出來的煙氣降至204℃，熱量回收約1500kW；省煤器作為余熱鍋爐給水初步升溫，同時將余熱鍋爐出氣降至137℃，熱量回收約400kW。整個系統，共計回收熱值約3900kW，約85%以上的熱回收效率。

（2）燃燒機單元能源節約與余熱鍋爐熱量產值

預熱器的設置降低天然氣/沼氣熱能消耗約2130kW，合計節約天然氣約215m3/h；余熱鍋爐蒸汽系統產出0.8MPa 飽和蒸汽1.5t/h，該蒸汽用于車間生產。

3.2 實際經濟價值分析

本項目廢氣中的硅烷含量為2500-3000mgC/m3，經濟效益核算中取濃度2500mgC/m3、廢氣總量15000Nm3/h、廢氣平均熱值熱取7500kcal/kg、系統熱回收效率85%，經濟價值分析時以天然氣和沼氣供熱分別核算，沼氣為廠區自產能源不計運行費用。另外，產生的飽和蒸汽直接用于生產過程中，此部分按照熱量折算。表1 中可見，硅烷廢氣焚燒處理系統，若采用天然氣供熱每年運行費用845 萬元，其中天然氣為主要消耗能源占總運行費用的98.4%，年經濟費用需支出429 萬元；若采用沼氣供熱每年運行費用僅為13.5萬元，年凈收益402.5 萬元，經濟效益極為可觀。同時，預熱器年節約能源消耗596 萬元，極大降低系統運行成本。

表1 系統運行費用與資源化利用價值

綜上，本項目所投入使用的硅烷廢氣焚燒處理系統，在無害化處理的前提下，先進的工藝設計與現有能源的合理利用，使得系統具有很大的經濟效益、產值可觀，適用于硅烷這種氧化產物易于堵塞蓄熱體的廢氣治理，本文為含硅有機廢氣的治理工藝指明優化方向。

4 注意事項

采用本系統需要注意以下內容：

（1）當廢氣源中含有較多顆粒物或者酸性氣體，在進入TO 系統前需進行預處理，一般采用干式過濾器去除顆粒物，采用洗滌塔去除大部分酸性氣體，預處理后的煙氣再進入TO 系統，可保證設備長期穩定運行，降低設備投資、節約設備維護成本。

（2）當系統發生故障需要緊急停機或者停機檢修時，進入系統的主管閥門需要關閉，打開旁路管道閥門，實行應急處理模式。TO 爐需實行對應停機程序，待系統一切正常后方可開機。

（3）TO 系統前端需設置阻火器、隔斷閥、可燃氣體檢測儀，TO 爐體設置泄爆閥，關鍵位置需要設置溫度儀表，控制進入焚燒室的濃度、監控系統的溫度，保護系統安全與穩定。

（4）系統設備前后需要設置壓力儀表或者差壓變送器，監控設備阻力信息，提示設備清灰與日常維護。關鍵位置也需設置壓力儀表與風機連鎖，確保系統煙氣排放順利，并不影響生產車間運行。

結語

對于含有硅烷的有機廢氣建議采用直燃式焚燒爐處理系統，具體優勢如下：

（1）去除效率高，實現達標排放：采用TO 處理技術，在天然氣和沼氣供熱下，設定爐膛溫度850-900℃、停留時間1.5s 左右，焚燒系統去除效率均維持在98%以上，滿足排放要求。

（2）抗堵塞能力強：TO 的使用有效地替代了RTO處理方式，SiO2不會對TO 爐造成堵塞情況，解決了硅烷氧化產物易于堵塞設備的問題。

（3）余熱回收效率可觀、資源化利用合理：TO 爐出口采用三次熱量回收措施，第一次為預熱器，回收的熱量直接用于預熱TO 爐進口煙氣，降低供熱燃料消耗；第二次為余熱鍋爐，利用回收的熱量產生飽和蒸汽用于車間生產，實現資源化回收與合理化利用；第三次為省煤器，預熱鍋爐給水，節省能源消耗。系統多次的余熱回收，保證熱回收效率達85%以上。

（4）現有能源合理使用：采用沼氣等廠區現有能源供熱，減少天然氣等能源消耗，降低系統運行成本，提高系統經濟效益。