VOC廢氣處理用催化燃燒裝置應用的分析與研究

胡 鵬

摘要：在信息時代下，我國社會經濟持續發展，以皮革制造爲主的化工行業取得瞭良好的發展趨勢。與此同時，化工行業關於有機廢氣的處理問題，逐漸成爲瞭我國綠色發展的核心問題。揮發性有機化合物廢氣，簡稱爲VOC廢氣，是現階段影響化工行業持續發展的主要因素。将有機廢氣直接排入到大氣層，會對自然環境造成極爲嚴重的污染，還會對人們的人身安全和身體健康造成一定的危害，因此需要合理地處理化工廢氣。本文将首先介紹VOC廢氣處理過程中，催化燃燒裝置的基本結構和工作原理，並且結合實際情況分析催化燃燒設備在處理化工VOC廢氣方面的應用。同時根據現階段化工行業的實際發展與大氣标準，對催化燃燒裝置在VOC廢氣處理方面的優勢和需要改進的方面進行分析總結。

關鍵詞：分析研究；催化燃燒裝置；廢氣處理；VOC

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産生嚴重的威脅，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廢氣的處理分爲後端氧化和前端技術兩種主要的處理方式，後端氧化主要採用生化式的方法，使VOC廢氣分解成H₂O或者CO₂；前端技術則主要通過物理淨化的方式，通過調節壓力和溫度，或者使用吸收劑及選擇性過濾膜，将化工廢氣中的VOC物質分離出來，分别進行處理。

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

         在衆多催化劑當中，金屬鉑(bó)（即Pt）是最爲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(bó)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(bó)催化劑能夠使用五年左右。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，並(bìng)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

         現階段應用較爲廣泛的催化燃燒裝置，在皮革等化工行業生産過程中的主要作用是收集、消除並(bìng)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産對自然環境和人員身體健康的負面影響。針對此需求，可以适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态，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，其中低溫系統由於(yú)能耗較低，因此可以被廣泛的應用到VOC廢氣的處理過程中，並(bìng)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；最後催化燃燒裝置能夠有效且全面的處理VOC廢氣，将其中的有毒物質轉換爲無毒物質，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

         對於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。隻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範圍調整至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，爲瞭盡可能的避免VOC廢氣在催化燃燒裝置内部出現回火問題，就必須在條件範圍内提高催化燃燒裝置内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内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内部的氣體流速，将進氣壓力控制在額定範圍之内。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标準的連鎖性控制裝置，如果催化燃燒裝置的某一部位出現瞭故障問題，連鎖性控制裝置就會伴随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産生負面影響。

1.4　VOC廢氣的處理效率較高

         催化燃燒裝置内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，實際處理效率會伴随著内部反應物濃度和催化劑性質發生一定的浮動。並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，避免因爲反應爐部位的溫度不在合适範圍内，導緻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，採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緻催化劑中毒等問題。

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态，VOC廢氣從催化燃燒裝置的進氣口輸入到裝置内部，經過基本的過濾裝置過濾出粉塵等大顆粒物質之後，将VOC廢氣輸送到換熱室當中，與處理後将要排出的無害化廢氣進行熱交換處理，提高VOC廢氣的溫度，減少後續預熱操作的能耗量。在進行熱交換處理之後，就可以将VOC廢氣輸入到燃燒室，對VOC廢氣進行預加熱，提高其溫度，由於燃燒反應需要使用的氧氣大多情況下爲VOC廢氣中本身含有的空氣，因此爲瞭保證燃燒充分，也可以使用旁路風閥額外補充空氣，等到加熱至350 ℃左右，就可以将預熱好的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。因爲VOC廢氣當中通常含有硫、磷和矽等元素，很容易使金屬氧化劑出現催化劑中毒現象，因此在預加熱之後的VOC廢氣需要先進行預處理，之後才可以正式輸送到催化室當中進行反應。預處理之後的VOC廢氣進入催化室並與氧化劑進行接觸的過程中，催化劑首先會将化工廢氣當中的VOC成分氧化並分解成H₂O和CO₂。發生催化氧化反應之後生成的無害化廢氣，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。催化燃燒裝置内部的風機結構在選擇時一般會選擇耐高溫型号，並且風機結構往往設置於催化燃燒裝置的下遊部分，從而使上遊位置能夠形成負壓狀态，避免出現氣體洩漏等問題。

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，其最爲合适的使用溫度通常在350 ℃左右，而且形狀大多呈現蜂窩狀或者粉末狀。對於達到使用年限的催化劑，可以對其進行再生處理，再生之後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，廢氣的組分決定瞭催化劑的參考種類，風量和濃度則決定瞭催化劑的用量，以及對於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，計算公式爲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後，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。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，催化燃燒裝置對於VOC廢氣毒性的處理效率在99%以上，並且能夠實現徹底的除臭處理；第二則是催化燃燒裝置能夠将絕大部分的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，並且不需要額外的輔助處理；第四則是能夠在低溫（300 ℃左右）狀态對VOC廢氣進行高效處理，減少瞭燃料的能耗量；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内部爲負壓狀态，能夠有效的避免臭氣滲漏問題；第七催化燃燒裝置能夠将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，並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，並且催化劑還能夠進行再生利用。除瞭以上較爲突出的優點，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矽、磷、硫等元素之後，就會出現催化劑中毒現象，因此需要相應的預處理機制作爲基礎；另一方面則是對於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，加大瞭成本開銷。

2.4　催化燃燒裝置的安全運行機制

         由於催化氧化反應對於溫度的需求較爲嚴格，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，爲瞭最大程度上避免回火問題的出現，在設計催化燃燒裝置内部管道結構時，必須通過相關計算，保證管道内的氣體流速能夠大於氣體的回火速度，可以根據需要在管道前端的主路上設計額外的減壓閥門，保證催化染色裝置内部始終處於下遊氣體氣壓低於上遊氣體氣壓的狀态。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%範圍之内，盡可能避免發生火災或者爆炸問題。最後則可以根據實際生産流程的需求，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内部的安全性。

2.5　催化燃燒裝置的實際運行參數

         由於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。爲瞭有效的控制VOC廢氣的溫度，避免溫度失衡導緻催化燃燒裝置出現異常問題，可以利用PLC控制盤面闆對VOC廢氣的實際溫度進行監測，並且設置基本的溫度報警裝置，避免溫度異常導緻催化劑活性不穩定等問題的發生。燃燒器當中用於加熱的材料通常有液化石油氣和液化天然氣兩種，如果化工生産地區由於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，将化工廢氣中含有的VOC等物質進行催化，並在燃燒的作用下使其轉化爲無毒害的H₂O和CO₂。由於催化燃燒裝置的操作較爲簡便、對於VOC廢氣的處理效率高，並且催化燃燒裝置本身較爲方便維護，且配置所需的成本較低，因此被廣泛應用到化工領域的生産過程當中。

3.1　催化氧化裝置的實際應用案例分析

         表1是某皮革企業生産線工作過程中，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後，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15000 m³/h，入口部位的廢氣檢測溫度始終處於常溫狀态，廢氣含量檢測方法利用國家頒布的HJ734-2014标準。

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，處理後廢氣中的二甲苯、甲苯、苯和VOC等測試結果都能夠符合國家相應的排放标準，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标準中要求催化燃燒裝置的實際處理效率不能低於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，並且還能夠實現系統的自動化控制。現階段對於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，目前已經超過瞭22%，在較爲發達的國家甚至能夠達到29%左右。在具體的使用方面，催化燃燒裝置比較适合處理風量适中並且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遊部分安裝額外的沸石輪轉設備，先将化工廢氣進行壓縮處理，之後以适當的流速将壓縮之後的化工廢氣再輸入到催化燃燒設備中。

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