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VOCs有机废气治理催化燃烧装置基本概念和实例

文章出处:未知 人气:发表时间:2019-10-16

      从2016年逐渐开始,我国大力加强了对挥发性有机物(VOCs)的排放,陆续实行了《京津冀及周边地区2017年大气污染治理工作方案》、《重点行业挥发性有机物削减实施规划》等措施,以深入推进石油化工、医药企业、汽车、包装印刷厂等行业挥发性有机物(VOCs)的综合整治。催化燃烧装置技术作为一种高效率净化技术,愈来愈受到环保行业的重视,使得催化燃烧装置设备的使用愈来愈普及,带动了催化燃烧装置技术的核心部件催化剂的发展。

     目前为止在机械、化工、家电等行业的各种烘道、表面喷涂工艺等工序常产生大量的挥发性有机物(苯、酮、醇、醚、脂、烷等),这些气体严重影响人体健康,因此必须进行有效的净化后方能排入大气。 传统的有机VOCs废气治理方法如吸附法和直接燃烧法,均有欠缺,如容易产生二次污染,受挥发性有机物浓度、温度限制等。挥发性有机物的催化燃烧法则是近几年来逐渐由科学试验阶段走向工程实践的一种全新的处理方法,但因其选型、工艺流程复杂,再加上进入市场时间较短,很多人对其欠缺全面的了解和认识,以致阻碍了它的应用推广。为了加快挥发性有机物催化燃烧法的应用推广,本文广东大辰小编介绍催化燃烧法的机理、工艺流程及操作控制、并提供了工程应用实例以供同行在实际工作中参考。

1.VOCs催化燃烧基本原理:
催化燃烧的本质就是燃烧,从化学角度来说燃烧反应就是深度氧化反应,燃烧反应发生的化学反应与深度氧化反应是一样,VOCs经过燃烧(或催化燃烧)生成二氧化碳和水,燃烧过程放出的热量和深度氧化反应是一样的。基本反应如下:VOCs + O2 == CO2+ H2O + Q  
 
2.催化剂的定义:
催化剂是一种加快化学反应速率,本身的质量和化学性质在反应前后都没有发生变化的物质。催化剂不改变化学反应的热力学,只改变化学反应的动力学,其本质就是降低化学反应的活化能,加快化学反应的发生。在VOCs氧化反应中就是降低反应温度。这也是热力燃烧(TO、RTO)需要800 oC甚至更高的温度,而催化燃烧通常只要350 oC左右的科学道理。


 

3.VOCs催化剂:
     催化剂性能通俗的说就是降低反应温度的幅度,在实际工业使用中,催化剂性能体现在使用温度,使用寿命、和抗中毒性能。由于这些问题在早期的文章中已有介绍,这里就不展开了。

 
     但是,这里需要说明的是,催化剂是高科技产品,开发一个催化剂需要大量的科研投入的。比如一个实验室性能非常好的催化剂,很有可能无法产业化。讲一个非常简单的例子,搞催化研究的都知道,上世纪八十年代日本的Haruta教授发现的负载金催化剂对一氧化碳(CO)氧化超高活性,实验室可以在第一冰点(0 oC)将CO高效氧化成二氧化碳(CO2)。然而,早些年,燃气热水器市场中有一款消除CO的燃气热水器,烟道气排出口处装了一块催化剂模块,烟道气温度大约在120 oC左右,“测试初期一氧化碳浓度为0,持续了大概10分钟浓度到达6ppm,浓度最高的时候达到26ppm。”说明催化剂的活性下降很快。这就是实验室催化剂和现实应用中的差距。

 

有人说,VOCs反应就是燃烧反应,只要用上催化剂就可以了,事实上由于VOCs的化学成分不一样,要求催化剂性能会有天壤之别。比如丙烷催化燃烧,普通的贵金属催化剂在实验室条件下400 oC很难有效催化,而丙烯200 oC就能完全消除了。当然,催化燃烧也不是万能的,在实际应用中需针对适合催化燃烧场合。


4.催化燃烧设备案例:

催化燃烧设备的性能是发挥催化剂性能的关键,催化燃烧设备看起来简单,但是里面也涉及很多科学问题,比如气流分布、温度分布、热量回用。更为重要的是如何与业主的工况相匹配。

 

 

下面讲一个减排节能的案例:某电气配件有限公司是燃气热水器配件生产厂,生产车间配有1台浸绝缘漆机和1台电热烘箱。浸漆机废气排放量为2534m3/h,电热烘箱废气排放量为635m3/h,装卸区外溢废气排放量为4736m3/h,取其废气排放总量为7500m3/h。根据厂方提供监测数据,处理前的“三苯类”污染物浓度为:苯≤0.2mg/m3甲苯≤223mg/m3二甲苯≤1.0mg/m3针对浸漆机废气和烘箱废气的特点,应业主的要求并结合企业现状认为采用活性炭纤维吸附-催化燃烧法来处理“三苯”等有机废气比较合理。

 


装置的工艺流程及特点:

1.工艺流程
 
      图1是采用FTX型有机废气净化装置处理有机废气的流程。有机废气由装置上部进风口进入预处理器,经过多层不锈钢丝网组成的粗效过滤元件去除废气中的灰尘等颗粒物,由装置下部总通道进入组合吸附床(两行并列6格)。每个吸附床均带有一套气动切换阀,该切换阀可将吸附床转换成吸附/脱附状态。吸附床的纵剖面由下向上分别为进气总管、吸附室、净气室、出气总管,其中吸附室与净气室之间由花板分隔,花板下吊装着若干吸附筒,进入吸附室的废气经由吸附筒外壁穿过吸附层,VOCs分子被吸附剂的大量微孔表面吸附,废气被净化后向上经花板孔进入净气室,然后经切换阀进入出气总管经风机排出装置。

      6个吸附室中必有一个处于脱附状态,其余5个处于吸附状态。通常脱附时间12分钟,即在每小时内,负责吸附工作的吸附床均可脱附再生一次,装置这种工作流程正切合该发明专利的名称—一种分室离线脱附袋式吸附设备,其过程原理与脉冲反吹分室离线袋式除尘器一样,只不过本装置净化工艺是“物理吸附”,而袋式除尘器净化工艺为“物理过滤”。
 
       吸附床的脱附工质为热空气,热空气由催化燃烧装置提供,通常热空气的温度≤150℃,由不同VOCs的沸点及脱附温度时的饱和蒸气分压来决定。
 
2.净化装置特点
 
第一、采用吸附浓缩—催化燃烧工艺处理VOCs废气,每套装置由预滤器、吸附器(由6个吸附单元组成)、引风机、催化燃烧装置、脱附风机、补冷风机、控制箱、自动阀门和统一底座等组合成一台一体化装置,方便运输和安装。
 
第二、采用性能优异的新型吸附剂—活性炭纤维对VOCs分子团进行快速、高效吸附,废气得以净化达标排放。
 
第三、吸附器的6个吸附单元循环进行吸附、脱附和再生过程。将大风量低浓度VOCs废气净化的同时,脱附气体中的VOCs被浓缩为高浓度小风量的VOCs废气,大量节约催化燃烧净化的能源。
 
第四、采用可编程控制器(PLC)及触摸屏进行中央控制,模拟显示设备运转,运行状况可以一目了然。全自动控制,无人值守,可靠性强,操作简单,便于维护。
 
第五、设备体积小,重量轻,节省投资。
 
第六、由于活性炭纤维热稳定性好(着火温度≥500℃,而颗粒活性炭着火温度为300℃),吸附/脱附周期短,每一吸附床装填的吸附剂质量少,吸附层薄(一般为30mm),且活性炭纤维的热容量低,故脱附时不会形成吸附床升温过高的问题,加上装置配备的自动控制系统的保障,净化装置的安全性能优于“活性炭吸附浓缩—催化燃烧装置”。
 
第七、固废产生量(即废弃活性炭纤维、催化剂等)少,只有传统的“活性炭吸附浓缩—催化燃烧装置”1/20~1/30。
 
实际应用效果
 
     所谓的FTX型有机废气净化装置从2010年年末开始在某电气配件有限公司正式投入运行,经过多次的自动吸附-脱附循环操作,使用了1年多后,对净化系统的废气治理效果再次进行检测。连续测试两天,设备的废气处理结果列于表1。

 

 

污染物 甲苯 二甲苯 非甲烷总烃
排放浓度1mg/m3 7 19 36 58
排放浓度2mg/m3 5.7 25 42 68

表1:(某电器配件有限公司浸漆机和烘箱废气排放浓度监测数据)

      表1结果表明,经本净化装置处理后的废气浓度符合广东地方标准《大气污染物排放值》DB44/27-2001第二时段二级标准。检测结果表明,本FTX型有机废气净化装置对有机废气的治理取得了预期的良好效果。


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