VOCs 废气处理用催化燃烧装置应用分析与研究

VOCs 废气处理用催化燃烧装置应用分析与研究韦征北极星VOCs在线

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（L ＮG）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