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，為使尾氣達標排放，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    文獻標識碼：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  當前形勢需要VOCs治理

保護環(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，保護環(huán)境依然是全世界面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。隨著國家保護環(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的達標排放提供了經(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)機的作用下由進氣口進入前置過濾箱體中，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入過濾裝置前用水汽分離裝置進行除水處理，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)定的目標溫度。此階段需要設(shè)置的參數(shù)如圖3所示，當目標溫度（催化后溫度）達到設(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CO預(yù)熱設(shè)定的目標溫度后，進入炭層預(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），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

當炭層溫度到達設(shè)定溫度時，進入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，當目標溫度（催化后溫度）達到設(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

當催化后溫度到達設(shè)定值時，進入燃燒階段，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溫度，補冷閥根據(jù)管道溫度進行調(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）。當炭層溫度達到目標溫度后，進入保溫狀態(tài)，此時管道溫度將保持設(shè)定的溫度，炭層進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，當保溫狀態(tài)達到設(shè)定時間時，進行下一個階段。燃燒階段的保護：①加熱溫度上限保護，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

當燃燒階段執(zhí)行完畢后，進入降溫階段，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，打開脫附進出口閥，當3個炭層溫度全部低于設(shè)定的目標值時，打開爐新風(fēng)閥，開始重點給燃燒爐降溫，當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)約電能及達到節(jié)能運行。當脫附氣體中的廢氣濃度達到一定濃度后，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）保護裝置，異常情況進行噴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，當催化燃燒室溫度達到設(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）當催化燃燒室超過設(shè)定最高值時，脫附進氣閥關(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，進而控制脫附氣的濃度，進而保證了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標準型風(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)過程進行詳細研究的基礎(chǔ)上，正確認識生產(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

［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）