一種催化燃燒新控制工藝分析

張躍斌，李榮鐸

(河南雙誠(chéng)環(huán)境科技有限公司，河南新鄉(xiāng)  453000）

摘  要：隨著我國(guó)醫(yī)藥、化工等行業(yè)在治理VOCs的力度不斷提高，為使尾氣達(dá)標(biāo)排放，應(yīng)用一種尾氣適合低溫（350°C左右）廢氣催化燃燒的新工藝。詳細(xì)分析VOCs的危害，介紹一種處理有機(jī)尾氣的催化燃燒工藝、催化燃燒設(shè)備特點(diǎn)及催化燃燒設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用時(shí)所采取的安全措施。

關(guān)鍵詞：CO焚燒爐；催化燃燒；環(huán)保設(shè)備；廢氣處理；安全

中圖分類號(hào)：X511    文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B    DOI：10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2022.11.

0  引言

催化燃燒反應(yīng)是典型的氣—固相催化反應(yīng)，其實(shí)質(zhì)是在一定溫度下，在催化劑的參與下，吸附于催化劑表面的揮發(fā)性有機(jī)物（Volatile Organic Compounds，VOCs），與來(lái)自空氣中的氧發(fā)生催化氧化反應(yīng)，徹底氧化分解成無(wú)害的CO₂和H₂O，并釋放反應(yīng)熱的過(guò)程。借助催化劑可大幅降低有機(jī)物的起燃溫度，從而降低電加熱的預(yù)熱能耗。本技術(shù)通常用于醫(yī)藥和化學(xué)等生產(chǎn)企業(yè)有機(jī)廢物處理，希望對(duì)相關(guān)人員處理VOCs有所幫助。

1  當(dāng)前形勢(shì)需要VOCs治理

保護(hù)環(huán)境已經(jīng)成為全世界普遍關(guān)注的焦點(diǎn)，日益受到國(guó)家和人民大眾的高度重視，保護(hù)環(huán)境依然是全世界面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。隨著國(guó)家保護(hù)環(huán)境和治理VOCs力度加大，要求越來(lái)越高，收集或集中處理廢氣已成為很多化工企業(yè)的選擇。催化燃燒法（Catalytic Oxidizer，CO）屬于熱力破壞法，其原理是在催化劑的作用下不需要很高的溫度就能氧化和熱裂解、熱分解廢氣中的有機(jī)成分，使其轉(zhuǎn)化成無(wú)毒的CO₂和H₂O。催化燃燒技術(shù)為VOCs的達(dá)標(biāo)排放提供了經(jīng)濟(jì)有效的解決辦法，有機(jī)廢氣采用催化燃燒法處理具有能耗低、無(wú)二次污染、凈化效率高等優(yōu)點(diǎn)。催化燃燒法適合低濃度、小流量有機(jī)廢氣通過(guò)吸附后再脫附為高濃度、低流量的氣體進(jìn)行催化燃燒，其凈化效率一般都在97%以上，作為一種實(shí)用技術(shù)，本工藝和設(shè)備可廣泛用于石油、化工、印刷等行業(yè)中產(chǎn)生的低濃度有機(jī)廢氣的凈化處理等。

2  CO設(shè)備工藝簡(jiǎn)介

工藝流程：吸附、脫附。脫附過(guò)程：吸附時(shí)間到→CO爐預(yù)熱→碳層預(yù)熱→CO爐再加熱→燃燒→碳箱降溫→脫附完成（圖1）。

圖1  廢氣收集、焚燒流程

吸附階段，低濃度有機(jī)廢氣在吸附風(fēng)機(jī)的作用下由進(jìn)氣口進(jìn)入前置過(guò)濾箱體中，前置過(guò)濾器將廢氣中的顆粒物過(guò)濾、阻截，避免顆粒物進(jìn)入吸附層堵塞活性炭微孔，影響凈化效果。

對(duì)尾氣做預(yù)處理，對(duì)于含水量較大尾氣需要在尾氣進(jìn)入過(guò)濾裝置前用水汽分離裝置進(jìn)行除水處理，否則會(huì)大大降低發(fā)熱管的使用壽命。含酸尾氣也要進(jìn)行除酸處理，因?yàn)樗釙?huì)腐蝕加熱管造成加熱管損壞。本案例共3個(gè)活性炭箱，依據(jù)時(shí)間設(shè)定（圖2）1號(hào)箱吸附時(shí)間到，如果2號(hào)、3號(hào)不在脫附階段就開(kāi)始脫附，1號(hào)箱脫附時(shí)，2號(hào)、3號(hào)吸附，1號(hào)箱脫附完成后就進(jìn)行吸附；2號(hào)箱吸附時(shí)間到如果1號(hào)、3號(hào)不在脫附階段就開(kāi)始脫附，2號(hào)箱脫附時(shí)，1號(hào)、3號(hào)吸附，2號(hào)箱脫附完成后就進(jìn)行吸附；3號(hào)箱吸附時(shí)間到如果1號(hào)、2號(hào)不在脫附階段就開(kāi)始脫附3號(hào)箱脫附時(shí)，1號(hào)、2號(hào)吸附，3號(hào)箱脫附完成后就進(jìn)行吸附，即3個(gè)箱輪流脫附。如果3個(gè)箱時(shí)間設(shè)定相同，首次通電如果3個(gè)箱吸附時(shí)間同時(shí)到達(dá)設(shè)定值，優(yōu)先脫附順序?yàn)?號(hào)、2號(hào)、3號(hào)。

圖2  吸附時(shí)間設(shè)定

脫附啟動(dòng)后首先進(jìn)入CO爐預(yù)熱階段，此階段會(huì)啟動(dòng)脫附風(fēng)機(jī)，打開(kāi)管道閥2，打開(kāi)預(yù)熱閥，3組加熱器全部啟動(dòng)（脫附風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，依次延時(shí)10 s開(kāi)啟，避免與風(fēng)機(jī)同時(shí)啟動(dòng)電流過(guò)大）?？焖賹⒋呋鬁囟壬猎O(shè)定的目標(biāo)溫度。此階段需要設(shè)置的參數(shù)如圖3所示，當(dāng)目標(biāo)溫度（催化后溫度）達(dá)到設(shè)定值后CO預(yù)熱階段結(jié)束。

圖3  CO爐預(yù)熱參數(shù)設(shè)置

催化后溫度到達(dá)CO預(yù)熱設(shè)定的目標(biāo)溫度后，進(jìn)入炭層預(yù)熱階段，此階段脫附風(fēng)機(jī)仍然保持運(yùn)行，可以給風(fēng)機(jī)設(shè)定一個(gè)固定頻率，打開(kāi)管道閥1，打開(kāi)管道閥2，打開(kāi)炭箱的2個(gè)脫附閥，設(shè)定管道溫度（檢測(cè)溫度為混風(fēng)箱后熱電偶溫度值），設(shè)定碳箱上層溫度（檢測(cè)溫度為碳箱上層熱電偶溫度值）。補(bǔ)冷閥根據(jù)管道溫度進(jìn)行比例調(diào)節(jié)，補(bǔ)冷風(fēng)機(jī)根據(jù)需要自動(dòng)開(kāi)啟（補(bǔ)風(fēng)閥開(kāi)度≥2%時(shí)），同時(shí)打開(kāi)排放閥2。三組加熱器分別設(shè)定不同的溫度值，當(dāng)催化后溫度低于設(shè)定值時(shí)，加熱器開(kāi)啟。注：碳層預(yù)熱階段不可以打開(kāi)排放閥1（排放閥1連接排放煙筒，有可能打開(kāi)后造成濃度超標(biāo)），如果碳箱或管道溫度高于設(shè)定溫度后這時(shí)需要從排放閥2排出。此階段需要設(shè)置的參數(shù)如圖4所示。

圖4  炭層預(yù)熱參數(shù)設(shè)置

當(dāng)炭層溫度到達(dá)設(shè)定溫度時(shí)，進(jìn)入CO再加熱階段，此階段與CO預(yù)熱階段的控制幾乎一樣，可參照CO預(yù)熱階段。此階段需要設(shè)置的參數(shù)如圖5所示，當(dāng)目標(biāo)溫度（催化后溫度）達(dá)到設(shè)定值后CO再加熱階段結(jié)束。

圖5  CO再加熱階段參數(shù)設(shè)置

當(dāng)催化后溫度到達(dá)設(shè)定值時(shí)，進(jìn)入燃燒階段，此階段脫附風(fēng)機(jī)保持運(yùn)行，此階段打開(kāi)管道閥1和2，排放閥1打開(kāi)固定開(kāi)度，打開(kāi)炭箱的2個(gè)脫附閥，每個(gè)燃燒階段可以設(shè)定不同的管道溫度和炭層目標(biāo)溫度，補(bǔ)冷閥根據(jù)管道溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，補(bǔ)冷風(fēng)機(jī)根據(jù)需要自動(dòng)開(kāi)啟（補(bǔ)風(fēng)閥開(kāi)度≥2%時(shí)），3組加熱器分別設(shè)定不同的溫度值，當(dāng)催化前溫度低于設(shè)定值時(shí)，加熱器開(kāi)啟（排放閥1關(guān)閉）。當(dāng)炭層溫度達(dá)到目標(biāo)溫度后，進(jìn)入保溫狀態(tài)，此時(shí)管道溫度將保持設(shè)定的溫度，炭層進(jìn)行緩慢升溫或者不升溫的狀態(tài)，使VOCs能夠平穩(wěn)的揮發(fā)出來(lái)，當(dāng)保溫狀態(tài)達(dá)到設(shè)定時(shí)間時(shí)，進(jìn)行下一個(gè)階段。燃燒階段的保護(hù)：①加熱溫度上限保護(hù)，無(wú)論是催化前還在催化后溫度均不能超過(guò)加熱上限，超過(guò)后加熱器關(guān)閉，直到溫度降低到加熱溫度下限以下；②催化后溫度與爐新風(fēng)閥連鎖，設(shè)定3個(gè)溫度值，對(duì)應(yīng)設(shè)定3個(gè)爐新風(fēng)閥開(kāi)度值，當(dāng)廢氣濃度較高，催化后溫度超溫時(shí)，此時(shí)通過(guò)新風(fēng)閥來(lái)調(diào)節(jié)廢氣濃度和溫度。此階段需要設(shè)置的參數(shù)如圖6所示。

圖6  燃燒階段參數(shù)設(shè)置

當(dāng)燃燒階段執(zhí)行完畢后，進(jìn)入降溫階段，此階段脫附風(fēng)機(jī)全速運(yùn)行，3組加熱器全部停止工作，打開(kāi)補(bǔ)冷閥、啟動(dòng)補(bǔ)冷風(fēng)機(jī)，打開(kāi)排放閥2，打開(kāi)脫附進(jìn)出口閥，當(dāng)3個(gè)炭層溫度全部低于設(shè)定的目標(biāo)值時(shí)，打開(kāi)爐新風(fēng)閥，開(kāi)始重點(diǎn)給燃燒爐降溫，當(dāng)催化前和催化后溫度全部低于設(shè)定值時(shí)，降溫結(jié)束，脫附完成。此階段需要設(shè)置的參數(shù)如圖7所示。

圖7  降溫參數(shù)設(shè)置

3  CO催化燃燒設(shè)備特點(diǎn)

脫附燃燒后的小風(fēng)量、高濃度有機(jī)廢氣進(jìn)入催化燃燒床，在催化劑的作用下，高溫裂解成CO₂和H₂O，有機(jī)成分得到凈化，同時(shí)有機(jī)廢氣裂解釋放出熱量使氣體溫度進(jìn)一步升高，加熱碳層繼續(xù)脫附。

催化燃燒的廢氣加熱采用電加熱方式，無(wú)污染、運(yùn)行穩(wěn)定，電熱管分成多組，采用PLC系統(tǒng)依溫度條件精密控制，當(dāng)廢氣溫度低于設(shè)定溫度下限時(shí)電熱管會(huì)自動(dòng)接通電源給廢氣加熱，當(dāng)廢氣溫度高于設(shè)定溫度上限時(shí)電熱管會(huì)按照設(shè)定條件自動(dòng)斷開(kāi)依次第一組加熱、第二組加熱，直至斷開(kāi)全部電源以節(jié)約電能及達(dá)到節(jié)能運(yùn)行。當(dāng)脫附氣體中的廢氣濃度達(dá)到一定濃度后，基本可以實(shí)現(xiàn)熱量的自動(dòng)平衡，不需要開(kāi)啟電加熱，達(dá)到節(jié)約用電的目的。

4  CO設(shè)備所采取的安全措施

為確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，本凈化系統(tǒng)在設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)值選取及監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置上進(jìn)行優(yōu)化，其中安全措施有：

（1）活性炭吸附裝置設(shè)置N₂（或消防水噴淋）保護(hù)裝置，異常情況進(jìn)行噴N₂滅火（或消防水噴淋）。

（2）催化燃燒室設(shè)置內(nèi)保溫，脫附風(fēng)管、換熱器等設(shè)置外保溫，保溫采用陶瓷纖維或者巖棉保溫，保溫效果好，保證設(shè)備外表溫度不超過(guò)60 ℃。

（3）催化燃燒裝置設(shè)置稀釋（補(bǔ)冷）閥，稀釋（補(bǔ)冷）閥由SMART200系列PLC控制電動(dòng)比例閥，當(dāng)催化燃燒室溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)（此時(shí)電加熱全關(guān)），稀釋閥會(huì)按比例自動(dòng)打開(kāi)閥門(mén)，補(bǔ)充冷空氣降低廢氣濃度，保證安全運(yùn)行。

（4）當(dāng)催化燃燒室超過(guò)設(shè)定最高值時(shí)，脫附進(jìn)氣閥關(guān)閉，補(bǔ)冷閥全開(kāi)，啟動(dòng)應(yīng)急降溫程序，保證催化床不超溫運(yùn)行。

（5）可以通過(guò)調(diào)節(jié)脫附風(fēng)機(jī)的頻率調(diào)節(jié)脫附風(fēng)量，以及脫附的溫度，進(jìn)而控制脫附氣的濃度，進(jìn)而保證了VOCs濃度低于爆炸下限1/4。

（6）催化燃燒床設(shè)有泄爆口，確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。

（7）針對(duì)風(fēng)機(jī)故障、氣動(dòng)/電動(dòng)閥門(mén)執(zhí)行器不動(dòng)作、閥門(mén)不動(dòng)作、閥門(mén)到位超時(shí)、熱電偶故障、N₂（或消防水噴淋）壓力不足、溫度異常超溫等設(shè)置了故障報(bào)警系統(tǒng)以及相關(guān)連鎖動(dòng)作。

5  CO設(shè)備技術(shù)特點(diǎn)

CO設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、故障率低、易于維護(hù)保養(yǎng)、運(yùn)行費(fèi)用低。注重安全性，在設(shè)計(jì)中采取多種安全措施，杜絕安全事故發(fā)生。設(shè)備自動(dòng)化程度較高，操作強(qiáng)度低。采用優(yōu)質(zhì)蜂窩活性炭，阻力小、吸附脫附效果好、使用壽命長(zhǎng)。系統(tǒng)預(yù)熱時(shí)間短（30 min內(nèi)），可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)開(kāi)機(jī)停機(jī)操作，適應(yīng)生產(chǎn)情況的變化。采用質(zhì)輕的陶瓷纖維材料作為內(nèi)保溫材料，保溫性能好。

6  閥門(mén)選型

可參照本案例開(kāi)關(guān)閥選用向某公司定制的DF-A-I風(fēng)閥控制器，功耗7 W，扭矩16 Nm，電源AC/DC 24 V，開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間均為50 s，除正、反轉(zhuǎn)信號(hào)外還具有開(kāi)到位、關(guān)到位反饋信號(hào)，性能穩(wěn)定、成本低。

可參照調(diào)節(jié)閥選用向某公司定制的HSM-10Nm-24V標(biāo)準(zhǔn)型風(fēng)閥執(zhí)行器，功耗4.5 W，扭矩10 Nm，電源AC/DC 24 V，輸入輸出信號(hào)可通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)定為0（2）~10 V DC或0（4）~20 mA，最大旋轉(zhuǎn)角度95°，從開(kāi)度0%到100%最大動(dòng)作時(shí)間40 s，可通過(guò)單獨(dú)撥碼開(kāi)關(guān)調(diào)整轉(zhuǎn)向，方便控制。

7  結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)研究的基礎(chǔ)上，正確認(rèn)識(shí)生產(chǎn)過(guò)程中有機(jī)廢氣的排放特性，確保CO爐引入的有機(jī)物濃度低于爆炸下限的25%，對(duì)CO爐的安全有效使用具有十分重要的意義，是化工企業(yè)有機(jī)廢氣處理的關(guān)鍵。

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〔編輯  張  韻〕

以上論文發(fā)表于《設(shè)備管理與維修》雜志2022年第11期（上）