蓄熱焚燒/蓄熱催化氧化焚燒雙模式處理VOCs技術(shù)在工程實(shí)踐中的應(yīng)用研究

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，環(huán)境承受力日益削弱，滋生出一系列諸如光化學(xué)煙霧、酸雨、霧霾等環(huán)境污染問(wèn)題。工業(yè)領(lǐng)域中大多數(shù)裝置運(yùn)行時(shí)會(huì)無(wú)組織排放一些揮發(fā)性有機(jī)化合物(VolatileOrganicCom.pounds，VOCs)，對(duì)人類、環(huán)境帶來(lái)直接或間接的有害影響，例如感官刺激、黏膜刺激、致癌、光化學(xué)煙霧、臭氧層破壞等，并且表現(xiàn)出日益嚴(yán)重的態(tài)勢(shì)。因此，對(duì)VOCs的治理已在國(guó)內(nèi)全面展開(kāi)。
目前國(guó)內(nèi)治理VOCs的方法主要包括焚燒法、膜分離法、吸附法、等離子體法、生物處理法等。其中焚燒法具有適應(yīng)性強(qiáng)、處理效率高、投入成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各排放行業(yè)。國(guó)內(nèi)技術(shù)已成熟的焚燒法包括直燃焚燒(ThermalOxidizer，TO)、催化氧化焚燒(CatalyticOxidizer，CO)、蓄熱焚燒(RegenerativeThermalOxidizer，RTO)，根據(jù)實(shí)際工業(yè)應(yīng)用時(shí)的廢氣量、廢氣中有機(jī)污染物濃度以及廢氣中雜質(zhì)對(duì)處理方式的影響等因素，選擇不同的焚燒方式處理。
一種基于催化氧化焚燒與蓄熱焚燒的新型處理方法———蓄熱催化氧化焚燒(RegenerativeCatalyticOxidizer，RCO)，綜合了催化氧化焚燒法催化氧化反應(yīng)溫度低與蓄熱焚燒法蓄熱式回收熱能等優(yōu)勢(shì)，相對(duì)催化氧化焚燒法以及蓄熱焚燒法具有啟爐速度快、反應(yīng)溫度低、節(jié)能效果好等特點(diǎn)。傳統(tǒng)二塔RTO因存在廢氣短路現(xiàn)象無(wú)法實(shí)現(xiàn)較高的VOCs去除率，改進(jìn)后的三塔RTO增加了反吹環(huán)節(jié)，能夠避免廢氣短路。三塔RCO同樣可以避免廢氣短路現(xiàn)象，并可以在低濃度有機(jī)廢氣條件下與三塔RTO在同一設(shè)備上實(shí)現(xiàn)雙模式切換運(yùn)行，2種模式均可滿足處理后煙氣達(dá)標(biāo)排放。雙模式切換運(yùn)行相對(duì)于RTO單一模式運(yùn)行可以避免因催化劑失效而帶來(lái)連續(xù)停爐事故，在催化劑失效后可以通過(guò)調(diào)整局部結(jié)構(gòu)在較短時(shí)間內(nèi)應(yīng)用RTO模式運(yùn)行，以保證廢氣連續(xù)處理過(guò)程不受影響。
一、蓄熱焚燒與蓄熱催化氧化焚燒流程
三塔RCO與三塔RTO整體流程相似，不同之處在于是否填裝催化劑以及運(yùn)行溫度水平(RCO運(yùn)行溫度250～350℃;RTO運(yùn)行溫度850～900℃)，三塔RTO在每個(gè)蓄熱室的蓄熱體上部填裝催化劑即轉(zhuǎn)換為三塔RCO。RCO系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

初始狀態(tài)廢氣從A室進(jìn)入，催化氧化處理后通過(guò)B室排出，同時(shí)C室執(zhí)行反吹動(dòng)作;在一個(gè)切換周期后，廢氣從B室進(jìn)入，催化氧化處理后通過(guò)C室排出，同時(shí)A室執(zhí)行反吹動(dòng)作;在下一個(gè)切換周期后，廢氣從C室進(jìn)入，催化氧化處理后通過(guò)A室排出，同時(shí)B室執(zhí)行反吹動(dòng)作;下一個(gè)切換周期后循環(huán)至初始狀態(tài)。催化劑床層布置于蓄熱體床層上部，并通過(guò)格柵板與蓄熱體分層，留有空間監(jiān)測(cè)催化劑入口處溫度;燃燒器布置于頂部爐膛側(cè)墻中間位置;在蓄熱催化氧化爐內(nèi)部設(shè)置3組(共9支)熱電偶，分別監(jiān)測(cè)蓄熱室底部溫度、催化劑入口處溫度、爐膛溫度，爐膛溫度參與控制、聯(lián)鎖，催化劑入口處溫度參與聯(lián)鎖，在溫度達(dá)到催化劑中毒溫度前聯(lián)鎖停車。
在催化劑中毒失效或達(dá)到使用壽命失效后，將催化劑以及催化劑支撐取出并局部重新保溫后即可實(shí)現(xiàn)從RCO切換到RTO模式運(yùn)行。
二、工程應(yīng)用實(shí)例
20萬(wàn)t/aEO裝置生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一股CO2廢氣，廢氣量8820m3/h，其中含有微量的有機(jī)污染物，非甲烷總烴質(zhì)量濃度理論數(shù)據(jù)為250mg/m3，直接排放無(wú)法滿足GB31571—2015《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)非甲烷總烴的排放要求。針對(duì)該股廢氣，在工程實(shí)踐案例中選用蓄熱催化氧化焚燒(RCO)爐型對(duì)其進(jìn)行處理。選用燒嘴用于初期升溫以及運(yùn)行過(guò)程中的補(bǔ)燃;選用陶瓷載體貴金屬催化劑，提高反應(yīng)速率，并在更短的停留時(shí)間內(nèi)發(fā)生無(wú)焰燃燒反應(yīng)。理論運(yùn)行溫度250～300℃，運(yùn)行溫度低意味著未給NOx的生成提供條件，不會(huì)因焚燒處理VOCs帶來(lái)二次污染。該蓄熱催化氧化爐其他設(shè)計(jì)參數(shù)均按照850℃進(jìn)行，包括襯里材料以及襯里厚度的選型、蓄熱體填充量的計(jì)算、爐膛容積的校核等。在催化劑達(dá)到使用壽命后，可以局部調(diào)整氧化爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)，切換至RTO模式運(yùn)行，包括催化劑及其支撐結(jié)構(gòu)的拆除、燃燒器出口處護(hù)火筒的拆除等。
國(guó)內(nèi)近幾年應(yīng)用RCO方式處理VOCs中出現(xiàn)的主要問(wèn)題是由于燃燒器處火焰對(duì)催化劑的直接輻射導(dǎo)致催化劑容易超溫中毒失效。前期經(jīng)過(guò)多方考察討論，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，得到了造成該短板的主要原因。由于三塔蓄熱爐處理小風(fēng)量廢氣時(shí)受功率的限制，只能布置單臺(tái)燃燒器，考慮爐膛溫度場(chǎng)均勻分布，燃燒器需布置于爐膛側(cè)墻中間位置。該結(jié)構(gòu)導(dǎo)致中間蓄熱室內(nèi)催化劑上方受火焰直接熱輻射作用，一段時(shí)間后催化劑局部超溫中毒，致其失效，造成工程應(yīng)用失敗。針對(duì)上述失敗原因，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，調(diào)整燃燒器出口結(jié)構(gòu)并結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，在燃燒器出口處增設(shè)護(hù)火筒，有助于阻隔火焰對(duì)催化劑的直接熱輻射作用。燃燒器出口處增設(shè)護(hù)火筒的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

數(shù)值模擬結(jié)果顯示，使用整體護(hù)火筒時(shí)，因筒內(nèi)局部溫度偏高，會(huì)造成護(hù)火筒選材困難;在護(hù)火筒頂部80°范圍內(nèi)開(kāi)設(shè)一定數(shù)量規(guī)格的圓孔有助于高溫火焰擴(kuò)散，降低筒內(nèi)局部溫度，既可以阻隔火焰的直接熱輻射，同時(shí)護(hù)火筒的選材使用310不銹鋼即可滿足要求。2種結(jié)構(gòu)護(hù)火筒的數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4。

對(duì)比圖3和圖4的溫度分布可見(jiàn)：不開(kāi)孔的護(hù)火筒內(nèi)壁溫度約1300K，比開(kāi)孔的護(hù)火筒內(nèi)壁溫度(1100K)高約200K。產(chǎn)生上述溫度差異的原因主要是在開(kāi)孔的情況下，護(hù)火筒內(nèi)的高溫氣體(約2000K)可通過(guò)護(hù)火筒上的小孔直接與爐膛內(nèi)的煙氣進(jìn)行換熱;而在不開(kāi)孔的情況下，護(hù)火筒內(nèi)的高溫氣體先與護(hù)火筒進(jìn)行換熱后，再經(jīng)由護(hù)火筒與爐膛內(nèi)的煙氣進(jìn)行換熱，其換熱速率明顯低于開(kāi)孔情況。因此，在選材上開(kāi)孔的護(hù)火筒要求更低，且使用壽命更長(zhǎng)，其設(shè)計(jì)更優(yōu)。
護(hù)火筒開(kāi)孔后的三維效果見(jiàn)圖5。

三、運(yùn)行參數(shù)
實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中RCO爐內(nèi)溫度參數(shù)見(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn)：3個(gè)溫度取中間值即依次為53.3，254.3，285.0℃。從爐內(nèi)實(shí)際溫度場(chǎng)可以看出，廢氣在進(jìn)蓄熱體前溫度為53.3℃，經(jīng)過(guò)其中一個(gè)蓄熱室的蓄熱體后預(yù)熱到254.3℃，比催化起始反應(yīng)溫度250℃高，進(jìn)入催化劑床層開(kāi)始無(wú)焰燃燒，溫度升高至285℃，再經(jīng)過(guò)另一個(gè)蓄熱室的催化劑床層完全催化氧化處理并達(dá)標(biāo)排放。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果為入爐廢氣溫度41.3℃，排煙溫度72.8℃，與蓄熱體理論計(jì)算結(jié)果吻合。投入廢氣連續(xù)運(yùn)行168h后，經(jīng)環(huán)保部門取樣監(jiān)測(cè)，非甲烷總烴入口質(zhì)量濃度為208mg/m3，焚燒處理后在煙囪取樣口監(jiān)測(cè)出口質(zhì)量濃度為0.14mg/m3，非甲烷總烴去除率達(dá)到99%以上，未監(jiān)測(cè)出NOx，滿足GB31571—2015《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中各項(xiàng)指標(biāo)要求。
四、結(jié)論
1)RCO焚燒處理方式綜合了催化氧化焚燒法催化氧化反應(yīng)溫度低與蓄熱焚燒法蓄熱式回收熱能等優(yōu)勢(shì)，具有啟爐速度快、反應(yīng)溫度低、節(jié)能效果好等特點(diǎn)。
2)在燃燒器出口處增設(shè)護(hù)火筒，并在護(hù)火筒頂部80°范圍內(nèi)開(kāi)一定數(shù)量規(guī)格的圓孔可以避免催化劑超溫中毒失效，并能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。
3)襯里材料以及襯里厚度的選型、蓄熱體填充量的計(jì)算、爐膛容積的校核等均根據(jù)RTO參數(shù)設(shè)計(jì)，可以在局部調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)爐子雙模式切換運(yùn)行。
來(lái)源：《能源化工》