小風(fēng)量高濃度VOCs廢氣治理
摘要:通過一個(gè)工程實(shí)例介紹了催化燃燒技術(shù)在小風(fēng)量高濃度VOCs廢氣治理方面的有效應(yīng)用，并說明其特點(diǎn)以及注意事項(xiàng)。
關(guān)鍵詞:催化燃燒,VOCs,廢氣治理,蜂窩狀催化劑
1 概述
VOCs（Volatile Organic Compounds）是指沸點(diǎn)在50℃～260℃，室溫下飽和蒸氣壓超過133.3Pa的易揮發(fā)性有機(jī)化合物[1]。主要來自涂裝、印刷、家電、電線電機(jī)制造、絕緣材料、造漆等行業(yè)在生產(chǎn)過程中排放的污染物。其廢氣凈化處理已愈來愈引起人們的重視。
VOCs廢氣的排放隨生產(chǎn)行業(yè)、工業(yè)條件的不同，其組成、濃度也各不相同，因此對(duì)其治理技術(shù)的選用取決于各行業(yè)有機(jī)污染物的性質(zhì)、濃度、凈化要求及經(jīng)濟(jì)性等因素。對(duì)VOCs廢氣的常規(guī)處理方法有吸收法、吸附法、膜分離法、冷凝法、燃燒法、生物法、脈沖電暈法和高級(jí)氧化法等[2]。而對(duì)于小風(fēng)量（＜5000m3/h）、高濃度（2000～8000mg/m3）且排放穩(wěn)定的有機(jī)廢氣來說，目前最成熟、最徹底的治理技術(shù)是直接燃燒法和催化燃燒法。
直接燃燒法亦稱為熱力氧化法或熱力燃燒法，是利用石油氣或柴油等輔助燃料燃燒放出的熱量，使有機(jī)廢氣在500℃～800℃和停留時(shí)間為0.3～0.5s的條件下直接燃燒而轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害的H2O和CO2。但因采用該方法的起燃溫度高，對(duì)設(shè)備材質(zhì)要求也相對(duì)較高，而且需要添加輔助燃料加熱，能耗大、運(yùn)行費(fèi)用高，因此在實(shí)際應(yīng)用中受到限制。
催化燃燒法是目前世界上有機(jī)廢氣處理技術(shù)研究領(lǐng)域中最為活躍的一個(gè)方法[2]，其工作原理是在鉑（Pt）、鈀（Pd）等貴金屬催化劑的作用下，使廢氣中的有機(jī)污染物在較低的溫度下（通常為220℃～300℃）和較短的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)（0.05～0.2s）轉(zhuǎn)化成無害的H2O和CO2氣體。其反應(yīng)方程式如下：
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與直接燃燒法相比，催化燃燒法由于溫度降低，允許使用標(biāo)準(zhǔn)材料（如Q235-A）來代替昂貴的特殊材料，因此可大大降低設(shè)備費(fèi)用，同時(shí)由于起燃溫度降低，可節(jié)約預(yù)熱能量，減少運(yùn)行操作費(fèi)用。
2 催化燃燒廢氣治理技術(shù)
催化燃燒廢氣治理系統(tǒng)主要由阻火器、熱交換器、加熱室、催化床、引風(fēng)機(jī)、電控柜及安全報(bào)警裝置等組成。
以廣東某烘漆廢氣治理工程為例：
廣東某精密制造有限公司是一家中日合資大型企業(yè)，專業(yè)生產(chǎn)空調(diào)、電冰箱使用的制冷壓縮機(jī)。在加工過程中，外殼等部件經(jīng)電泳浸漆后入烘房烘干，烘房在工作時(shí)溶劑蒸氣不斷揮發(fā)，為保證其溶劑蒸氣濃度處在安全范圍內(nèi)，必須進(jìn)行排風(fēng)，并補(bǔ)充部分新鮮空氣，排出的廢氣中含有濃度高的有機(jī)溶劑，通常為苯、甲苯、二甲苯等有害物質(zhì)，因而必須經(jīng)處理后方可排入大氣。該企業(yè)的廢氣排放量為3000m3/h，入口廢氣濃度為3000～4000mg/m3。采用催化燃燒凈化工藝處理，可取得顯著效果。
廢氣治理工藝流程如下圖所示。
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工作原理：系統(tǒng)正常工作后，溫度約為50℃的噴漆廢氣經(jīng)阻火器進(jìn)入催化凈化裝置，在板式熱交換器內(nèi)與高溫尾氣進(jìn)行熱量交換，經(jīng)預(yù)熱的廢氣進(jìn)入加熱室（內(nèi)設(shè)有電加熱管）進(jìn)一步升溫至250℃左右，達(dá)到起燃溫度的廢氣繼續(xù)進(jìn)入催化床內(nèi)，在貴金屬Pt、Pd催化劑的作用下，使有機(jī)溶劑完全氧化分解為H2O和CO2，并釋放出大量反應(yīng)熱，可維持催化燃燒所需的起燃溫度，達(dá)到熱平衡。所排放的高溫尾氣可達(dá)300℃以上，通過板式熱交換器將高溫尾氣與進(jìn)口低溫廢氣進(jìn)行熱量交換，部分熱量得以回收，減少了預(yù)熱能耗。經(jīng)回收部分熱量的高溫尾氣在引風(fēng)機(jī)抽力的作用下通過排氣筒達(dá)標(biāo)排放。系統(tǒng)達(dá)到熱平衡后自動(dòng)關(guān)閉電加熱裝置，此后，催化燃燒系統(tǒng)就靠廢氣中的有機(jī)溶劑燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱能，在無須外加能源的基礎(chǔ)上使催化燃燒繼續(xù)進(jìn)行直至結(jié)束。
考慮到凈化裝置需要維修，在過濾阻火器前設(shè)置旁路管和旁路閥。主要設(shè)備配置如下：
（1）催化凈化裝置
型號(hào)：HC-Ⅲ，1臺(tái)；風(fēng)量：3000m3/h；功率：72kW；外形尺寸：1160×1410×2300（mm）。
（2）引風(fēng)機(jī)
型號(hào)：YX9-35NO6.3C，1臺(tái)；風(fēng)量：6984m3/h； 全壓：188mmH2O；功率：7.5kW。
（3）自控系統(tǒng)
外形尺寸：460×800×1800（mm），1套；具有超溫報(bào)警功能。
3 運(yùn)行情況
該系統(tǒng)自投產(chǎn)使用以來，運(yùn)行安全可靠，性能穩(wěn)定，難聞氣味得到了有效去除，凈化效率在98%以上。其溫度控制方面情況如下：
（1）當(dāng)加熱室溫度＜246℃時(shí)，兩組電加熱管同時(shí)工作；
（2）當(dāng)加熱室溫度在246℃～251℃時(shí)，只有一組加熱管工作；
（3）當(dāng)加熱室溫度＞251℃時(shí)，兩組電加熱管同時(shí)停止加熱，同時(shí)引風(fēng)機(jī)自動(dòng)投入運(yùn)行；
（4）催化床反應(yīng)溫度控制在300℃左右；
（5）當(dāng)催化床溫度＞350℃時(shí)，設(shè)備會(huì)自動(dòng)聲光同時(shí)報(bào)警。
4 工藝特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)
（1）催化凈化裝置為整體結(jié)構(gòu)，主要由板式熱交換器、加熱室和催化床三部分組成，另附有兩個(gè)熱電偶，分別用來測(cè)量加熱室溫度和催化床溫度。
（2）為了充分利用催化燃燒過程中產(chǎn)生的大量熱量，在裝置中設(shè)置了板式換熱器，并將其熱量用于加熱進(jìn)入催化床的有機(jī)廢氣，以減少能耗。
（3）在有機(jī)廢氣進(jìn)入催化凈化裝置前，加裝旁路管和旁路閥。在凈化設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，該旁路閥處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)凈化設(shè)備需要維修時(shí)，該閥開啟，不會(huì)因凈化裝置故障而影響車間的正常生產(chǎn)。
（4）采用優(yōu)質(zhì)金屬Pt、Pd鍍?cè)诜涓C陶瓷載體上作催化劑，氣體流動(dòng)阻力小、反應(yīng)起始溫度低、催化劑活性高、空速適應(yīng)范圍寬。當(dāng)烴類等有機(jī)物濃度在2000～8000mg/m3范圍內(nèi)，空速10,000～30,000h-1、反應(yīng)氣入口溫度180℃～300℃的條件下，凈化效率≥98%。耐熱性能好，可耐受900℃高溫的短時(shí)期沖擊。使用壽命長(zhǎng)，一般不少于7200h。
（5）起燃溫度低。有機(jī)廢氣在通過催化床時(shí)，碳?xì)浞肿雍脱醴肿臃謩e被吸附在催化劑表面并被活化，因而能在較低溫度下迅速完全氧化分解成H2O和CO2，且在達(dá)到起燃溫度后，在無需外界供熱的條件下，裝置僅靠廢氣中有機(jī)溶劑燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱能，即可維持催化燃燒所需的溫度。與直接燃燒法相比，其起燃溫度約低一半，因而能耗少得多。
（6）預(yù)熱15～35min全功率加熱，工作時(shí)只消耗風(fēng)機(jī)功率即可。廢氣濃度較低時(shí)，自動(dòng)間歇補(bǔ)償加熱。
（7）安全設(shè)施完備：有阻火器、泄壓孔，超溫報(bào)警等保護(hù)設(shè)施。
（8）不會(huì)造成二次污染。由于凈化率一般都在98%以上，加之溫度低，能大大減少NOx生成[3]。
5 注意事項(xiàng)
（1）選用蜂窩狀催化劑
催化劑有顆粒狀和蜂窩狀。顆粒狀催化劑壓降大，而且因與載體間相互摩擦，會(huì)造成活性組分磨耗損失，因此建議不采用。蜂窩狀催化劑是比較理想的催化劑，其具有較高的比表面，壓降小，機(jī)械強(qiáng)度高，耐磨、耐熱沖擊。
（2）防止催化劑中毒
催化劑中毒是指催化劑由于某些物質(zhì)的作用而使催化活性衰退或喪失的現(xiàn)象，可分為暫時(shí)性中毒和永久性中毒[4]。如果遇到由于催化床溫度過低，或廢氣中可燃物濃度過高，或突然停電等原因造成催化劑表面結(jié)炭會(huì)引起暫時(shí)性中毒，可在再次開機(jī)時(shí)將催化床前的預(yù)熱溫度提升到500℃左右并通新鮮空氣1～2h，即可恢復(fù)或部分恢復(fù)催化劑活性。但某些化學(xué)物質(zhì)（如含S、Pb等有機(jī)或無機(jī)物）對(duì)催化劑的破壞作用很強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致催化劑的永久性失活，無法恢復(fù)，因而需要特別注意。
（3）設(shè)置補(bǔ)鮮風(fēng)閥
在催化凈化裝置前要設(shè)置補(bǔ)鮮風(fēng)閥，當(dāng)催化床溫度高于某一設(shè)定值時(shí)，打開此閥，補(bǔ)充冷空氣，將催化床溫度控制在一定范圍內(nèi)，可延長(zhǎng)設(shè)備和催化劑的使用壽命。
6 結(jié)論
（1）實(shí)踐證明，采用催化燃燒技術(shù)治理小風(fēng)量高濃度VOCs廢氣是成功有效的。該技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單、操作方便、起燃溫度低、節(jié)約能源、處理效率高、不會(huì)造成二次污染、設(shè)備體積小、占地面積少、運(yùn)行安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。
（2）催化劑建議選用蜂窩狀催化劑，在使用過程中要注意防止催化劑中毒以延長(zhǎng)催化劑的使用壽命。
參考文獻(xiàn)：
[1] 沈迪新，胡成南.揮發(fā)性有機(jī)化合物污染的凈化技術(shù)[J].中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè),2002 （12）:33-35.
[2] 王剛，李苑彬.有機(jī)廢氣治理技術(shù)進(jìn)展[J].廣東環(huán)保產(chǎn)業(yè),2003（5）:41-43.
[3] 曾勝學(xué)，黃炳根，張立奎. 苯類有機(jī)廢氣的吸附及催化燃燒[J].廣東環(huán)保產(chǎn)業(yè), 2004,（3）:62-64.
[4] 劉忠生，陳玉香 林大泉，等.催化燃燒處理有機(jī)廢氣及催化劑中毒的防止[J]. 化工環(huán)保, 2000（3）:27-30.
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