催化焚烧（CO）在VOCs治理中的应用

甄贺辉

（唐山中浩化工有限公司，河北唐山 063000）

催化氧化废气焚烧系统（CO）是一种新型去除挥发性有机废气（VOCs）的设备，独特的装式设计，将设备固定在一个角钢或工字钢制成的底盘上，便于移动、就位，使设备体积及制造成本均得到了有效控制，同时，又使这一单元的热回收效率高达82%左右，在大量节省了运行费用的同时，大幅降低系统的运行成本，使VOCs 浓度最小达100 mg/m3（标），最大可达10 000 mg/m3（标），所以在流量大浓度低的VOCs净化领域具有突出的优势。

1 目前工业废气主要处理方式

VOCs 主要来源：目前河北地区来说包括石油炼制、石油化学、炼焦、医药生产、有机化工、钢铁冶炼、家具制造、木材加工、涂装、印刷包装、交通运输设备制造等行业，以及餐饮油烟、服装干洗、汽车修理等生活服务行业也是VOCs 污染源的制造者。通常，有机化合物都含有碳和氢两种元素，从结构上考虑，可将碳氢化合物看作有机化合物的母体，而将其他有机化合物看作是其他原子或基团直接或间接取代碳氢化合物分子中的氢原子后生成的衍生物，所以，该有机化合物也被称为碳氢化合物及其衍生物[1]。

1.1 直燃炉焚烧法

直燃炉焚烧法指将挥发性工业有机废气以风机等形式直接引入焚烧炉中进行高温燃烧。若工业废气能达到一定浓度，且燃烧性能较好，一般可直接自行燃烧；若废气浓度低于燃烧热值时，需引入的煤气或天然气等辅助燃料，并通过烟囱排放至空气中，其燃烧产生的热量可回收利用，如换热副产蒸汽等。

1.2 蓄热焚烧法

蓄热焚烧法（RTO），一般是在高温下将VOCs氧化分解成为CO2和H2O，使有机废气被净化，同时废气分解时所释放出来的热量被回收，该焚烧炉热回收效率达到95%以上，有机废气焚烧效率可达到99%以上。一般有机废气先预热至750℃左右后，然后进入燃烧室进行焚烧，燃烧温度可达800℃以上，VOCs 被氧化成CO2和H2O，废气排放时再经过另一个蓄热室蓄存热量后再外排，蓄存的热量用于预热新进入的有机废气，经过周期性地改变气流方向从而保持炉膛温度的稳定。基本的RTO 系统由1个公共燃烧室、两台或多台蓄热室、换向装置和相配套的控制系统组成。

蓄热焚烧炉与传统的直燃焚烧炉比较，明显优势在于高的热回收效率，使补充的天然气等燃料的使用量显著减少，从而节约了系统的运行成本。尤其对于有机物含量低、处理量大的工业气体，效果更加显著。

1.3 催化氧化焚烧法

催化氧化焚烧法一般是指VOCs 通过一种或几种催化剂的作用下，反应生成CO2和H2O 的一种方法。催化剂可以降低有机废气的燃烧温度，同时缩短反应时间，催化焚烧的温度一般在350~400℃。目前，有贵金属催化剂和非贵金属催化剂，用于处理工业废气。

与直接燃烧法和蓄热焚烧法相比，催化燃烧法除具备蓄热焚烧所有优点外，最主要是其要求较低的燃烧温度，极大降低了能耗，在这种低温条件下，还避免了氮气或有机废气中的氮与氧发生较强的氧化反应，进而产生二次气态污染物——氮氧化物。催化焚烧缺点是投资相对较贵。但由于目前环保管控较为严格，氮氧化物超标排放可能会导致企业被关停。故催发焚烧工业废气处理市场占有量逐年加大。

RCO 法具有工艺简单，操作安全方便，维修、维护量少等优点。在污染物排放方面RCO 法具有明显优势，由于RTO 的燃烧温度在850℃左右，而RCO 的操作温度低，在350~400℃，其氮氧化物的排放在20~35 mg/m3，不仅能满足现行河北省有机化工行业A 级企业《重污染天气应急减排措施》要求的排放标准与特别限值要求，同时能适应未来可能更加严格的排放标准。目前部分企业，如天然气生产企业，经焚烧处理的有机废气在排放前，还需增设脱硫处理工艺，消除硫化氢对人身安全造成的隐患，降低了操作风险，降低检修时发生硫化亚铁自燃的风险[2]。

2 催化焚烧炉CO简述

2.1 焚烧原理

催化氧化是活性氧参与的深度氧化反应，是一种典型的气、固相催化反应。催化氧化反应期间，催化剂表面具有吸附作用，降低了活化能，即提高了反应速率。在催化剂的作用下，VOCs 可以在较低的温度条件下进行无焰氧化燃烧，有机废气被充分氧化分解为CO2和H2O，同时伴随着大量热放出，从而达到废气被充分分解净化的方法。低温氧化条件，避免了直接燃烧由于高温而产生的二次污染，如高温使空气中的氮气或有机废气中的氮与氧发生较强的氧化反应，产生新的二次气态污染物——氮氧化物，符合国内越来越严格的环保法规要求。一般催化氧化的主要设备包括：催化氧化反应器、鼓风机、尾气预热器、热交换器、电加热器、余热回收系统等。

2.2 主要设备描述

2.2.1 反应器

一般催化焚烧选用耐腐蚀的材质SUS304。

保温：硅酸铝针刺毯（容重≥120 kg/m3），保温保护层为铝合金（厚度≥0.6 mm）

催化氧化反应器属于固定床反应器。反应器设计为矩形截面，可布置在钢结构上，可更好地适应现有场地布置。反应器进出口各设置一温度点，催化剂床层前后设置多点温度计，更好监控反应器内温度状况。优良的烟道换热器设计、选用和布置，热回收效率可高达75%~82%。为防止发生腐蚀，CO 反应器材质采用 304。反应器是废气氧化的场所，温度450℃，换热器预热后的废气在这里发生氧化反应，生成CO2和H2O。本项目CO 提供一套电加热来维持CO 氧化室的设计温度。

反应器设计工作温度280~650℃。

2.2.2 鼓风机

一般防护及防爆等级：IP55Exd ⅡBT4、F 级绝缘，B 级温升。

设备性能指标：满足装置运行要求，运行噪声≤85 dB。

设备描述。

（1）包括：风机本体、电机、风机及电机整体支座及减振器、进口过滤网、进出口防爆挠性接头、现场防爆操作箱（柱）、进出口配对法兰及附件、地脚螺栓等安装材料等。

（2）风机轴承采用SKF 轴承或相当品牌。

（3）风机壳体材质：Q235B。

（4）动平衡精度等级：2.5级。

（5）风机主轴材质：45#优质锻钢及以上。

（6）轴承座：铸钢。

（7）距机壳（加装包敷层后）1 m 处的噪声≤85 dB

2.3 反应机理

催化氧化反应是一种放热反应，有机物的种类及其含量决定放热量的大小。维持催化氧化过程持续进行的最经济的操作方法是有机废气的分解过程中放出足够的反应热，而氧化过程的放热量、催化剂的起燃温度、热量回收率、废气的初始温度是能否以自热维持体系正常反应的关键因素。

（1）反应机理

（2）连续操作，无须追加燃料

使用催化焚烧设备，氧化反应温度为400℃。其中，80%热量回收，20%的热量损失。

2.4 安全基础措施及保障方案

2.4.1 安全基础措施

（1）系统设定压力和温度测量。为确保温度和压力维持在正常范围，一般通过调整流量和电流来实现控制。

（2）废气中的有机物含量远低于爆炸极限的25%，净化后的有机物含量极低，更远低于爆炸极限。因此废气在处理过程中不存在爆炸危险，并且入口设置温度连锁到入口温度高高时则可能切换系统跑料，则系统报警、停车。由于燃料为易燃易爆物品，相应设备为防爆设备。

（3）装置正常运行时，除放空的空气中含有微量危险物料外，其他均处于密闭系统中。在设计时，设备和管道材料的选型充分考虑物料的性质，以避免腐蚀和管道等级选择不当造成的危险物料泄漏。

（4）为防止任何可能发生的超温和低温状况等不安全状况，同时确保催化床运行温度的精确控制，使系统维持在最佳的操作条件，该系统设置了温度调节旁路装置作为保障。

（5）为防止任何可能残存的可燃物的存在，启动系统时，同时启动鼓风机送风，以不低于系统体积4倍的风量进行吹扫。

（6）当运行温度高于系统设定的高高限时，紧急关闭废气的入口阀、报警、联锁有关阀门，切断有机物的来源，同时开启空气风机对装置进行吹扫降温，直至故障排除。

（7）装置出现问题时，废气通过紧急旁路，进入烟囱排放。

（8）在气体可能泄漏处设置可燃气体检测报警装置，报警控制器装在控制室内。

（9）设置“紧急停车”按钮。在紧急状况下，按下此按钮可以立刻切断电源，停止设备运行。

2.4.2 安全保障方案

（1）为了保障系统的电加热、烟道换热器、反应器及各个管线内无残留的燃料和可燃废气，防止点火时发生爆炸，该系统在开机时设置了一个系统“吹扫”过程。同时，在催化氧化炉体上装有防爆膜，即使特殊情况发生爆炸，可最大限度降低爆炸损失。

（2）联锁及温度报警。该系统设置了低低、低、高、高高四个等级的温度报警。所有的温度监测点都可以设置相应的报警，在工控位机或触摸屏上都可以设置相应的报警参数。当温度产生报警时，工控机或触摸屏上均显示产生的报警信息。当焚烧炉温度低低或高高报警时，焚烧炉将自动脱机，系统将停止电加热的动作。

（3）反应器温度下限报警

升温过程结束后，尾气切入CO，同时氧化室温度低低报警，当氧化室温度低低报警时，CO 脱机。

（4）实时数据库中可以长期存储所有的报警信息，可以通过此信息分析、判断系统的运行情况，来调整工艺参数，以保证系统的稳定和高效运行。

（5）在反应器进出口有压力变送器。在反应器进出口装有差压变送器，用来观测催化剂床层的工作情况，是否有堵塞或者破损。

（6）CO 系统内，除温度外，压力也可以设置相应的报警值，可以根据实际工艺需求进行设置。系统内的报警信息都可长期保存在硬盘或U 盘上。同时，对重要工艺参数都以历史趋热曲线形式供用户查询，数据可长期保存。

（7）系统主要的报警点：反应器进出口床压差；CO 入口、出口温度；催化剂床层温度。

2.5 装置特点

催化燃烧系统装置净化装置的特点：

（1）催化燃烧炉通常采用优质金属钯，镀铂在蜂窝陶瓷载体上作为催化剂，催化效率高达95%以上，阻力小，气体流量大，可再生，寿命长。

（2）耗能低：一般工作时只消耗风机功率，预热期间为全功率加热，当被处理的废气浓度低于某一个设定值时，该系统可以自动加热以保证反应温度要求。

（3）安全保障设施齐全：温度压力连锁报警、泄压防爆孔、防火除尘器等保护设施。

（4）节能余热回收利用：余热可返回干燥路径进行干燥，减少原干燥路径的功率消耗；也可作为工厂其他方面的热源（如副产蒸汽、浴室、散热器等）。

（5）催化燃烧炉（CO）可选用天然气、焦炉煤气或电加热等加热方式进行加热。

2.6 对VOCs焚烧效果

在长期接触种类繁多的有害工业化学品时，将会对企业员工的身心健康造成一定威胁。化工产品生产过程中，有毒有害物质多以气态、蒸汽态、气溶胶等形式存在工作环境中 一旦吸入过量毒物，将会对职工的生命健康安全带来危险[3]。创造一个良好的环境对企业员工意义重大。

经过CO 处理后的有机废气可达到如下排放效果，见表1。

表1 河北省工业有机废物排放标准[4]

3 结论

1）VOCs 经过该催化焚烧系统（CO）处理过后，符合国家排放标准要求，二氧化硫和氮氧化物等均可达标排放，避免企业因VOCs 的超标排放而被停限产。

2）与直接燃烧和蓄热焚烧相比，催化焚烧操作安全方便，维修、维护量少，其氮氧化物排放在20~35 mg/m3，能适应未来可能更加严格的排放标准。

3）催化焚烧炉（CO），由于安全、节能、高效、环保标准高等优点，受到了化工生产企业的认可和好评，并逐渐被广泛应用，保卫了我们的绿色家园。