VOC废气处理用催化燃烧装置应用的分析与研究

胡 鹏

摘要：在信息时代下，我国社会经济持续发展，以皮革制造为主的化工行业取得了良好的发展趋势。与此同时，化工行业关于有机废气的处理问题，逐渐成为了我国绿色发展的核心问题。挥发性有机化合物废气，简称为VOC废气，是现阶段影响化工行业持续发展的主要因素。将有机废气直接排入到大气层，会对自然环境造成极为严重的污染，还会对人们的人身安全和身体健康造成一定的危害，因此需要合理地处理化工废气。本文将首先介绍VOC废气处理过程中，催化燃烧装置的基本结构和工作原理，并且结合实际情况分析催化燃烧设备在处理化工VOC废气方面的应用。同时根据现阶段化工行业的实际发展与大气标准，对催化燃烧装置在VOC废气处理方面的优势和需要改进的方面进行分析总结。

关键词：分析研究；催化燃烧装置；废气处理；VOC

引言

         VOC是挥发性的有机化合物，通常指室温下的饱和蒸汽气压超过70 Pa，沸点在50 ℃-250 ℃之间具备较强挥发性的有机化合物。VOC废气非常容易与空气中的氮氧化合物发生反应形成O₃，同时会形成光化学烟雾，不仅会污染环境，还会对化工工作人员的身体健康产生严重的威胁，所以我国开始高度重视化工废气的处理，尤其是对VOC物质的无害化处理。通常情况下VOC废气的处理分为后端氧化和前端技术两种主要的处理方式，后端氧化主要采用生化式的方法，使VOC废气分解成H₂O或者CO₂；前端技术则主要通过物理净化的方式，通过调节压力和温度，或者使用吸收剂及选择性过滤膜，将化工废气中的VOC物质分离出来，分别进行处理。

1　利用催化燃烧装置处理VOC废气的实际应用价值分析

1.1　提高催化剂的使用效率

         在众多催化剂当中，金属铂（即Pt）是最为常见的氧化性催化剂之一，尤其是在VOC废气的催化燃烧反应堆当中，能够取得最好的氧化催化效果。然而铂本身的使用成本较高，因此需要重视实际的操作过程。除此之外，还需要根据实际使用情况，合理的分析燃烧催化剂的实际使用周期，一般金属铂催化剂能够使用五年左右。在催化燃烧装置实际使用的过程当中，技术人员需要观察催化剂的实际使用情况，测定催化剂与VOC废气的接触反应情况，以及VOC废气进入催化室的实际温度和流速，并且对比废气的输入速度和最终的排出质量，合理的计算催化剂的使用效率和使用年限，从而推断催化燃烧装置能够承受的最大废气量以及最高处理效率，进而合理的控制装置的单次运行处理量，切实提高催化燃烧装置的实际使用效果。

1.2　废气回收效率相对较高

         现阶段应用较为广泛的催化燃烧装置，在皮革等化工行业生产过程中的主要作用是收集、消除并控制VOC废气当中的有毒物质含量和毒性，从而有效降低化工生产对自然环境和人员身体健康的负面影响。针对此需求，可以适当的在当前催化燃烧装置系统的基础上，从更加宏观的角度，分析提高催化燃烧装置气体回收率的有效方法，该处理模式具备以下突出优点：首先是催化燃烧反应过程中使用的氧化剂可以循环利用，这一点主要体现在催化燃烧装置的风量和风速能够根据催化氧化反应的具体情况进行调整，从而使催化剂和反应物达到最佳的比例状态，满足催化燃烧的处理需求；其次则是比较传统的化工废气处理方式，催化燃烧装置具备更强的稳定性和安全性，在一定程度上避免出现粉尘压力过大等问题引发爆炸的情况，保障工作人员的人身安全；此外催化燃烧装置通常还会配置高温系统和低温系统两套工作机制，其中低温系统由于能耗较低，因此可以被广泛的应用到VOC废气的处理过程中，并且低温处理系统的运行环境保持在200 ℃以上，完全满足VOC废气的处理需求；最后催化燃烧装置能够有效且全面的处理VOC废气，将其中的有毒物质转换为无毒物质，或者大幅度降低其毒性，处理效率能够稳定保持在95%以上。

1.3　提高催化燃烧装置整体的稳定性

         对于催化燃烧装置的使用而言，预热环节是前期处理过程的核心，也是在催化燃烧装置实际使用过程中必须要重视的安全因素。只有做好完善的预热工作，才能够提高催化燃烧装置整体的稳定性，保证其能够稳定的使用。在进行预热操作之前，需要把催化燃烧装置的气体混合物爆炸下限的参数范围调整至24.5%以下，避免催化燃烧装置出现异常爆炸或者火灾等问题。除此之外，为了尽可能的避免VOC废气在催化燃烧装置内部出现回火问题，就必须在条件范围内提高催化燃烧装置内气体管道的功能强度，从而确保v_{通入气体流速}＞v_回火，如果实际情况需要，还可以在催化燃烧装置内比较关键的节点部位配置专业的减压阀门，合理的控制催化燃烧装置内部的气体流速，将进气压力控制在额定范围之内。除此之外，还需要在催化燃烧装置的重点设备节点配备消防器材，同时还需要在容易发生各类故障问题的部位设计一套专业且标准的连锁性控制装置，如果催化燃烧装置的某一部位出现了故障问题，连锁性控制装置就会伴随自动检测技术而发出警报，提醒工作人员进行应急处理，避免故障持续发展对整个催化燃烧装置的运行产生负面影响。

1.4　VOC废气的处理效率较高

         催化燃烧装置内部的反应堆温度大部分时间保持在345 ℃左右，在此温度时催化燃烧装置的总体反应效率能够保持在95%左右，实际处理效率会伴随着内部反应物浓度和催化剂性质发生一定的浮动。并且反应物浓度和催化燃烧反应的实际效率呈现正比变化。因此，需要重点控制以下两个方面的操作模式。首先必须控制好催化室中的温度，避免因为反应炉部位的温度不在合适范围内，导致催化剂的活性受到影响，在催化燃烧装置的过滤器部位提前加入一些活性比较高的催化剂，使气体能够率先进行提纯操作；其次则需要在VOC废气进入催化反应室之前，采用相应的措施消除废气当中的S、P、N等元素，防止其与催化剂发生副反应导致催化剂中毒等问题。

2　催化燃烧装置的基本理念分析

2.1　催化燃烧装置的基本反应原理

         催化燃烧装置的基本运行结构呈现直链式状态，VOC废气从催化燃烧装置的进气口输入到装置内部，经过基本的过滤装置过滤出粉尘等大颗粒物质之后，将VOC废气输送到换热室当中，与处理后将要排出的无害化废气进行热交换处理，提高VOC废气的温度，减少后续预热操作的能耗量。在进行热交换处理之后，就可以将VOC废气输入到燃烧室，对VOC废气进行预加热，提高其温度，由于燃烧反应需要使用的氧气大多情况下为VOC废气中本身含有的空气，因此为了保证燃烧充分，也可以使用旁路风阀额外补充空气，等到加热至350 ℃左右，就可以将预热好的VOC废气通过送风机抽送到催化室当中，与催化剂充分接触进行催化氧化反应。因为VOC废气当中通常含有硫、磷和硅等元素，很容易使金属氧化剂出现催化剂中毒现象，因此在预加热之后的VOC废气需要先进行预处理，之后才可以正式输送到催化室当中进行反应。预处理之后的VOC废气进入催化室并与氧化剂进行接触的过程中，催化剂首先会将化工废气当中的VOC成分氧化并分解成H₂O和CO₂。发生催化氧化反应之后生成的无害化废气，会被输送到换热器当中，与进风口处输送进来的新VOC废气进行热交换，从而实现能源合理利用的目的。催化燃烧装置内部的风机结构在选择时一般会选择耐高温型号，并且风机结构往往设置于催化燃烧装置的下游部分，从而使上游位置能够形成负压状态，避免出现气体泄漏等问题。

2.2　催化剂的选择及使用分析

         现阶段，催化燃烧装置的催化氧化剂大多使用金属铂等贵金属型的催化材料，其最为合适的使用温度通常在350 ℃左右，而且形状大多呈现蜂窝状或者粉末状。对于达到使用年限的催化剂，可以对其进行再生处理，再生之后催化剂能够实现循环使用。与此同时，在选择催化剂的过程中，还需要根据处理的VOC废气的实际组分、各含量浓度以及废气风量进行确认，废气的组分决定了催化剂的参考种类，风量和浓度则决定了催化剂的用量，以及对于催化剂可用年限的判断。通常情况下，每种催化剂都有对应的空速比，即SV，根据相关数学分析结果，可以推算出催化剂的触媒用量参考值，计算公式为v=Q/ Ve，其中v代表催化剂的空速；Q是需要处理的废气量，Ve则是催化剂的实际用量。

2.3　催化燃烧装置的优缺点分析

         催化燃烧处理技术，自上世纪四十年代末期被提出之后，就在不断的进行技术改革和实践应用，如今催化燃烧处理装置已经被广泛的应用到化工领域的工业废气处理过程当中。经过多年的实践和优化，催化燃烧装置现阶段具备以下几项突出优点：第一是处理效率较高，催化燃烧装置对于VOC废气毒性的处理效率在99%以上，并且能够实现彻底的除臭处理；第二则是催化燃烧装置能够将绝大部分的VOC废气转换成无害物质；第三是催化燃烧装置的VOC废气分解效率能够保持在95%以上，并且不需要额外的辅助处理；第四则是能够在低温（300 ℃左右）状态对VOC废气进行高效处理，减少了燃料的能耗量；第五催化燃烧装置具备较强的安全性，不会存在粉尘爆炸等高温风险；第六催化燃烧装置的设备内部为负压状态，能够有效的避免臭气渗漏问题；第七催化燃烧装置能够将有机化合物完全氧化分解成无毒无害的H₂O和CO₂气体；第八氧化催化剂的使用寿命相对较长，并且可以根据输入口的气体风量以及VOC废气的含量合理推测催化剂的实际使用寿命，并且催化剂还能够进行再生利用。除了以上较为突出的优点，催化燃烧装置本身还具备实际应用方面的明显缺点：一方面是装置当中的催化氧化剂在碰到硅、磷、硫等元素之后，就会出现催化剂中毒现象，因此需要相应的预处理机制作为基础；另一方面则是对于VOC废气浓度较低以及风量较大的化工废气而言，应用催化燃烧装置的成本过高，需要额外配置沸石滚轮浓缩设备实现协同处理，加大了成本开销。

2.4　催化燃烧装置的安全运行机制

         由于催化氧化反应对于温度的需求较为严格，因此在VOC废气输入到催化反应室之前，通常使用明火进行废气的预热处理，因此在预热处理过程中需要考虑以下四个方面的安全措施：首先需要设置安全联锁和故障报警的同步系统控制机制，一旦发生回火等安全问题，系统警报器就会立刻发生报警指示，引导工作人员进行故障处理；其次则是对回火问题进行控制，为了最大程度上避免回火问题的出现，在设计催化燃烧装置内部管道结构时，必须通过相关计算，保证管道内的气体流速能够大于气体的回火速度，可以根据需要在管道前端的主路上设计额外的减压阀门，保证催化染色装置内部始终处于下游气体气压低于上游气体气压的状态。除此之外，还需要对化工废气当中的VOC含量进行合理控制，使其保持在爆炸下限数值的20%范围之内，尽可能避免发生火灾或者爆炸问题。最后则可以根据实际生产流程的需求，选择回火防治器或者空气稀释装置等安全装置，尽可能保证催化燃烧装置内部的安全性。

2.5　催化燃烧装置的实际运行参数

         由于催化剂进行氧化处理的最佳温度在350 ℃，因此在进入催化室进行催化氧化反应之前，需要先在燃烧室当中，对VOC废气进行升温处理，利用预加热等方式，保证VOC废气在进入催化反应时的温度满足反应需求。为了有效的控制VOC废气的温度，避免温度失衡导致催化燃烧装置出现异常问题，可以利用PLC控制盘面板对VOC废气的实际温度进行监测，并且设置基本的温度报警装置，避免温度异常导致催化剂活性不稳定等问题的发生。燃烧器当中用于加热的材料通常有液化石油气和液化天然气两种，如果化工生产地区由于消防等特殊原因无法供应以上燃料，也可以使用电加热等方式对废气进行预热处理。

3　催化燃烧装置在处理VOC废气方面的实际应用案例

         催化燃烧装置利用相应的催化剂，将化工废气中含有的VOC等物质进行催化，并在燃烧的作用下使其转化为无毒害的H₂O和CO₂。由于催化燃烧装置的操作较为简便、对于VOC废气的处理效率高，并且催化燃烧装置本身较为方便维护，且配置所需的成本较低，因此被广泛应用到化工领域的生产过程当中。

3.1　催化氧化装置的实际应用案例分析

         表1是某皮革企业生产线工作过程中，未经处理的化工废气（在催化燃烧装置入口处测得），以及催化燃烧装置处理之后，在出口位置检测到的各类气体成分的浓度对比。催化燃烧装置的处理风量是15000 m³/h，入口部位的废气检测温度始终处于常温状态，废气含量检测方法利用国家颁布的HJ734-2014标准。

3.2　催化燃烧装置的处理效果分析

         通过对比催化燃烧装置出口与入口部位的废气浓度可以得出，处理后废气中的二甲苯、甲苯、苯和VOC等测试结果都能够符合国家相应的排放标准，利用催化燃烧装置处理VOC废气的处理效率甚至能够高达99%以上，满足国家化工业废气处理标准中要求催化燃烧装置的实际处理效率不能低于95%的基本要求。

4　结语

           利用催化燃烧装置处理VOC废气的方式，具有效率高、能耗低的突出优点，并且还能够实现系统的自动化控制。现阶段对于我国化工行业的发展而言，与传统的吸附处理技术和生化处理技术相比，催化燃烧装置处理方法的处理效果更好，且需要消耗的技术成本较低，现阶段催化燃烧装置处理法在我国的化工市场占据的份额持续上涨，目前已经超过了22%，在较为发达的国家甚至能够达到29%左右。在具体的使用方面，催化燃烧装置比较适合处理风量适中并且VOC浓度较高的化工废气。如果需要处理的化工废气中VOC的含量较低，或者化工废气整体的流动速度较大，直接使用催化燃烧装置则很难取得良好的效果，在此情况下需要在催化燃烧装置的上游部分安装额外的沸石轮转设备，先将化工废气进行压缩处理，之后以适当的流速将压缩之后的化工废气再输入到催化燃烧设备中。

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