一種催化燃燒新控制工藝分析

張躍斌，李榮鐸

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

摘  要：隨著我國醫(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，介紹一種處理有機尾氣的催化燃燒工藝、催化燃燒設(shè)備特點及催化燃燒設(shè)備在實際應(yīng)用時所采取的安全措施。

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：X511    文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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)性有機物（Volatile Organic Compounds，VOCs），與來自空氣中的氧發(fā)生催化氧化反應(yīng)，徹底氧化分解成無害的CO₂和H₂O，并釋放反應(yīng)熱的過程。借助催化劑可大幅降低有機物的起燃溫度，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)有機廢物處理，希望對相關(guān)人員處理VOCs有所幫助。

1  當(dāng)前形勢需要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，日益受到國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)。隨著國家保護(hù)環(huán)境和治理VOCs力度加大，要求越來越高，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成分，使其轉(zhuǎn)化成無毒的CO₂和H₂O。催化燃燒技術(shù)為VOCs的達(dá)標(biāo)排放提供了經(jīng)濟有效的解決辦法，有機廢氣采用催化燃燒法處理具有能耗低、無二次污染、凈化效率高等優(yōu)點。催化燃燒法適合低濃度、小流量有機廢氣通過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)生的低濃度有機廢氣的凈化處理等。

2  CO設(shè)備工藝簡介

工藝流程：吸附、脫附。脫附過程：吸附時間到→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，低濃度有機廢氣在吸附風(fēng)機的作用下由進(jìn)氣口進(jìn)入前置過濾箱體中，前置過濾器將廢氣中的顆粒物過濾、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。

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

圖2  吸附時間設(shè)定

脫附啟動后首先進(jìn)入CO爐預(yù)熱階段，此階段會啟動脫附風(fēng)機，打開管道閥2，打開預(yù)熱閥，3組加熱器全部啟動（脫附風(fēng)機啟動后，依次延時10 s開啟，避免與風(fēng)機同時啟動電流過大）?？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)機仍然保持運行，可以給風(fēng)機設(shè)定一個固定頻率，打開管道閥1，打開管道閥2，打開炭箱的2個脫附閥，設(shè)定管道溫度（檢測溫度為混風(fēng)箱后熱電偶溫度值），設(shè)定碳箱上層溫度（檢測溫度為碳箱上層熱電偶溫度值）。補冷閥根據(jù)管道溫度進(jìn)行比例調(diào)節(jié)，補冷風(fēng)機根據(jù)需要自動開啟（補風(fēng)閥開度≥2%時），同時打開排放閥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，加熱器開啟。注：碳層預(yù)熱階段不可以打開排放閥1（排放閥1連接排放煙筒，有可能打開后造成濃度超標(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，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，進(jìn)入燃燒階段，此階段脫附風(fēng)機保持運行，此階段打開管道閥1和2，排放閥1打開固定開度，打開炭箱的2個脫附閥，每個燃燒階段可以設(shè)定不同的管道溫度和炭層目標(biāo)溫度，補冷閥根據(jù)管道溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，補冷風(fēng)機根據(jù)需要自動開啟（補風(fēng)閥開度≥2%時），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，加熱器開啟（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，當(dāng)保溫狀態(tài)達(dá)到設(shè)定時間時，進(jìn)行下一個階段。燃燒階段的保護(hù)：①加熱溫度上限保護(hù)，無論是催化前還在催化后溫度均不能超過加熱上限，超過后加熱器關(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個溫度值，對應(yīng)設(shè)定3個爐新風(fēng)閥開度值，當(dāng)廢氣濃度較高，催化后溫度超溫時，此時通過新風(fēng)閥來調(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)機全速運行，3組加熱器全部停止工作，打開補冷閥、啟動補冷風(fēng)機，打開排放閥2，打開脫附進(jìn)出口閥，當(dāng)3個炭層溫度全部低于設(shè)定的目標(biāo)值時，打開爐新風(fēng)閥，開始重點給燃燒爐降溫，當(dāng)催化前和催化后溫度全部低于設(shè)定值時，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

脫附燃燒后的小風(fēng)量、高濃度有機廢氣進(jìn)入催化燃燒床，在催化劑的作用下，高溫裂解成CO₂和H₂O，有機成分得到凈化，同時有機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，無污染、運行穩(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)定溫度下限時電熱管會自動接通電源給廢氣加熱，當(dāng)廢氣溫度高于設(shè)定溫度上限時電熱管會按照設(shè)定條件自動斷開依次第一組加熱、第二組加熱，直至斷開全部電源以節(jié)約電能及達(dá)到節(jié)能運行。當(dāng)脫附氣體中的廢氣濃度達(dá)到一定濃度后，基本可以實現(xiàn)熱量的自動平衡，不需要開啟電加熱，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)定運行，本凈化系統(tǒng)在設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝參數(shù)值選取及監(jiān)測點的布置上進(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60 ℃。

（3）催化燃燒裝置設(shè)置稀釋（補冷）閥，稀釋（補冷）閥由SMART200系列PLC控制電動比例閥，當(dāng)催化燃燒室溫度達(dá)到設(shè)定值時（此時電加熱全關(guān)），稀釋閥會按比例自動打開閥門，補充冷空氣降低廢氣濃度，保證安全運行。

（4）當(dāng)催化燃燒室超過設(shè)定最高值時，脫附進(jìn)氣閥關(guān)閉，補冷閥全開，啟動應(yīng)急降溫程序，保證催化床不超溫運行。

（5）可以通過調(diào)節(jié)脫附風(fēng)機的頻率調(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)安全運行。

（7）針對風(fēng)機故障、氣動/電動閥門執(zhí)行器不動作、閥門不動作、閥門到位超時、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)置了故障報警系統(tǒng)以及相關(guān)連鎖動作。

5  CO設(shè)備技術(shù)特點

CO設(shè)備運行穩(wěn)定、故障率低、易于維護(hù)保養(yǎng)、運行費用低。注重安全性，在設(shè)計中采取多種安全措施，杜絕安全事故發(fā)生。設(shè)備自動化程度較高，操作強度低。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。系統(tǒng)預(yù)熱時間短（30 min內(nèi)），可以實現(xiàn)隨時開機停機操作，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  閥門選型

可參照本案例開關(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，開關(guān)動作時間均為50 s，除正、反轉(zhuǎn)信號外還具有開到位、關(guān)到位反饋信號，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，輸入輸出信號可通過撥碼開關(guān)設(shè)定為0（2）~10 V DC或0（4）~20 mA，最大旋轉(zhuǎn)角度95°，從開度0%到100%最大動作時間40 s，可通過單獨撥碼開關(guān)調(diào)整轉(zhuǎn)向，方便控制。

7  結(jié)束語

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

參考文獻(xiàn)

［1］ SIEMENS S7 S7200-SMART系統(tǒng)手冊11/2016［Z］.

［2］ TPC7062TD/TX/Ti TPC1061TD/Ti用戶手冊［Z］.

［3］ 楊利嫻.我國工業(yè)源VOCs排放時空分布特征與控制策略研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2012.

［4］ 王祥云，譚念華，俞鐘敏，等.混合氣體中揮發(fā)性有機物的回收技術(shù)［J］.石油化工，2003，32（S）：745-747.

［5］ 田鵬輝，丁淼，趙芷訢，等.CuO-CeO/HZSM-5催化劑催化燃燒甲苯性能及動力學(xué)研究［J］.山東化工，2017，246（19）：32-34.

〔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）