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燃燒法用于VOCs末端治理的研究進(jìn)展

2020-03-30 09:18周玉香曲順利
山東化工 2020年4期
關(guān)鍵詞:熱力火炬廢氣

吳 桐,周玉香,王 芳,曲順利

(中海油石化工程有限公司,山東 濟(jì)南 250100)

所謂VOCs,就是揮發(fā)性有機(jī)化合物Volatile Organic Compounds的英文縮寫,不同的國家或者機(jī)構(gòu)對它的定義有所不同。根據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)定義,VOCs指的是在常壓下沸點(diǎn)50℃至260℃之間的各類有機(jī)物。在我國,對VOCs的定義是常溫下飽和蒸氣壓大于70Pa、常壓下沸點(diǎn)在小于260℃的有機(jī)物,或在20℃溫度下,蒸氣壓≥10Pa且具備揮發(fā)性的所有有機(jī)化合物。研究發(fā)現(xiàn),霧霾的形成特別是PM2.5與揮發(fā)性有機(jī)物有直接的關(guān)系,尤其在近年來大氣污染防治工作的嚴(yán)峻形勢下,給VOCs的治理造成了巨大壓力[1]。

VOCs防治技術(shù)大體分成源頭治理和末端治理兩大類[2]。源頭治理主要是從生產(chǎn)工藝中的排放源頭出發(fā),通過改良工藝流程或者生產(chǎn)方法來減輕甚至消除含VOCs廢氣的產(chǎn)生。而末端治理技術(shù)按處理途徑劃分主要包括回收法、燃燒法和其他技術(shù)等。其中燃燒法作為可以有效處理VOCs排放的主流末端治理技術(shù)的一種,正在發(fā)揮著日益重要的作用。

1 燃燒法簡介

燃燒法的原理是通過把含VOCs廢氣加熱到760℃以上,使VOCs與氧氣反應(yīng)分解成CO2和H2O[2],實(shí)際上就是VOCs在高溫下的燃燒反應(yīng),同時(shí)放出反應(yīng)熱。目前,對于采用回收法比較困難的的VOCs及其混合物,燃燒法是比較常用的方法。在VOCs污染控制方面主要應(yīng)用的有直接燃燒、熱力燃燒、蓄熱燃燒(RTO)、催化燃燒、蓄熱催化燃燒(RCO)等。

燃燒法處理VOCs時(shí)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)主要是氧化和高溫下的熱解。所以只能用在處理那些可燃燒或者高溫下能夠分解的VOCs,燃燒法廣泛用于石油化工、噴涂、絕緣材料、包裝印刷等行業(yè)排放的VOCs的治理,還可以用來消除惡臭。由于VOCs氧化分解后的主要產(chǎn)物是CO2和H2O,因而使用這種方法不能做到對其中的有效化合物進(jìn)行回收利用,但可以實(shí)現(xiàn)燃燒熱的部分利用。

2 直接燃燒法

直接燃燒是將VOCs當(dāng)做燃料直接進(jìn)行燃燒處理方法,也被稱為火焰燃燒。通常能夠進(jìn)行直接燃燒處理的VOCs,其中的可燃組分含量比較高,或者是氧化反應(yīng)釋放的熱量較高,能夠保持持續(xù)燃燒的氣體混合物。典型代表就是煉油化工行業(yè)常見的火炬?;鹁媸且环N敞開式的直接燃燒設(shè)備,它適用于只需要補(bǔ)充空氣、無需補(bǔ)充燃料的工業(yè)有機(jī)廢氣的處理?;鹁娴母叨瘸30凑窄h(huán)境保護(hù)與安全的要求進(jìn)行設(shè)計(jì),由工廠各處排出的可燃有機(jī)廢氣,進(jìn)過分離器、阻火器、水封罐等阻火設(shè)備后導(dǎo)入火炬頂部燃燒排放?;鹁嫜b置在石油化工行業(yè)應(yīng)用廣泛,目前設(shè)計(jì)、研究成熟,但存在燃燒熱量不能有效利用的缺點(diǎn)。

3 熱力燃燒法

熱力燃燒是把可燃的VOCs氣體組分溫度提高到可以發(fā)生反應(yīng)的溫度,使其與氧發(fā)生反應(yīng)分解成CO2和H2O的處理方式。這里所說的以熱力燃燒凈化有害氣體時(shí)并無火焰,而是依靠熱力,即用提高溫度的方法,把廢氣中可燃的VOCs組分氧化分解掉。目前直接熱力燃燒爐已經(jīng)很少使用[3],逐漸被其他熱力燃燒設(shè)備所取代,如蓄熱式熱力燃燒爐(RTO)。

3.1 蓄熱式熱力燃燒爐(RTO)

RTO是在設(shè)備中的蓄熱室內(nèi)將含VOCs廢氣升溫到760℃之上,使VOCs氧化分解為CO2和H2O。處理后的高溫廢氣流經(jīng)蓄熱室,使得其內(nèi)部的特制陶瓷蓄熱體被加熱升溫,由此蓄積熱量,可以用來預(yù)熱隨后進(jìn)入的新鮮待處理廢氣,從而達(dá)到回收反應(yīng)熱以及節(jié)省燃料消耗的目的。陶瓷蓄熱體應(yīng)分為至少兩個(gè)以上的區(qū)或室,每個(gè)蓄熱室都會(huì)次序經(jīng)歷蓄熱、放熱到清掃的程序,不間斷工作,循環(huán)往復(fù)[4]。最后的清掃步驟是指放熱達(dá)到指定溫度之后,引入一部分已經(jīng)處理完畢廢氣對放熱完的蓄熱室進(jìn)行吹掃,以保證VOCs沒有殘留達(dá)到一個(gè)較高的去除率,只有待清掃程序完成后才能再次開始蓄熱。它的特點(diǎn)是:運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用省,有機(jī)廢氣的處理效果好,在國內(nèi)外得到了普遍的應(yīng)用。

早期的RTO僅有兩個(gè)蓄熱室,由于對含VOCs廢氣凈化效率的要求日益提高,目前兩室RTO已經(jīng)逐漸被淘汰,目前市場上以三室RTO和旋轉(zhuǎn)式RTO為主,見表1。其中旋轉(zhuǎn)式RTO一般含有12個(gè)蓄熱室[5],占地面積小,凈化效率高,是現(xiàn)階段較為先進(jìn)的熱力燃燒設(shè)備。

表1 不同型式RTO性能對比

3.2 催化燃燒

與普通熱力燃燒相比,催化燃燒在設(shè)備結(jié)構(gòu)沒有太大的不同,主要是通過催化劑的應(yīng)用,降低了反應(yīng)溫度,從而減少了熱損失,具有反應(yīng)溫度低且能量利用效率高的優(yōu)點(diǎn)。催化燃燒系統(tǒng)處理效率較高的關(guān)鍵在于使用的專用的、浸漬在鞍狀或是蜂窩狀陶瓷上的催化劑,氧化溫度由760℃以上降低至在250~500℃之間的相對低溫,減少了燃料的消耗的同時(shí)又降低了燃燒設(shè)備制造成本。將催化劑應(yīng)用與RTO相結(jié)合即為蓄熱式催化燃燒(regenerative catalytic oxidation,RCO),RCO一般將催化劑置于蓄熱材料的頂部,來使VOCs去除效果最優(yōu),RCO的熱回收率能夠達(dá)到95%。RCO與RTO設(shè)備簡圖見圖1。

目前主要的催化劑種類有貴金屬催化劑如負(fù)載型Pt/BN催化劑和非貴金屬如負(fù)載型稀土基催化劑等。像稀土基催化劑以及過渡金屬催化劑等由于其相對低的成本逐漸成為環(huán)境催化領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

圖1 RCO與RTO設(shè)備簡圖

3.3 存在主要問題

直接燃燒裝置如火炬應(yīng)用成熟、廣泛,主要是存在燃燒熱量不能有效利用的缺點(diǎn)。RTO系統(tǒng)在設(shè)計(jì)操作過程要尤其注意安全問題,近幾年來出現(xiàn)了若干起RTO爆炸事故,是制約其進(jìn)一步推廣應(yīng)用的一大掣肘。這就需要在制定VOCs廢氣處理方案前充分了解業(yè)主方廢氣排放的工藝,明確其廢氣排放的特點(diǎn)、濃度組分和溫度、壓力、流量的波動(dòng)性,以及排放過程中可能存在突發(fā)因素。同時(shí)嚴(yán)格控制RTO設(shè)備進(jìn)口處的VOCs濃度,使其穩(wěn)定在一個(gè)安全的范圍內(nèi),這是預(yù)防出現(xiàn)爆炸等嚴(yán)重事故的一個(gè)重要措施。建議不光從一個(gè)設(shè)備的角度來設(shè)計(jì)RTO裝置,要以流程工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度,引入如HAZOP分析等手段,從工藝和連鎖控制等方面提高RTO裝置安全冗余度。同時(shí)RTO設(shè)備關(guān)鍵部件之一的其切換閥切換頻繁,切換速度一般均在0.5s/次左右,也就等于每年要切換成千上萬次,為此一定要選擇耐磨、壽命長、密封性好的切換閥。RCO等催化燃燒方法目前需要著力解決的問題主要是進(jìn)一步降低催化劑的使用成本同時(shí)提高催化劑強(qiáng)度、壽命,同時(shí)提高催化效率以盡可能減少燃燒爐中可能產(chǎn)生的二噁英等二次污染物。

4 結(jié)語

燃燒法包括催化燃燒在內(nèi)在國內(nèi)的含VOCs廢氣處理領(lǐng)域約占28%的比重[6],相較于國外大約40%的比重仍有繼續(xù)提高的空間。總的來說燃燒法處理VOCs適合于哪些中、高濃度VOCs同時(shí)連續(xù)排放的場合,因此在石油化工等流程工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用潛力較大。燃燒法中的直接燃燒法除火炬外已基本被RTO或RCO等熱力燃燒法所取代,RTO和RCO熱回收效率高,同時(shí)對廢氣中VOCs濃度及流量的適應(yīng)性較強(qiáng),具有廣泛的應(yīng)用前景,相信隨著連鎖控制、強(qiáng)化預(yù)處理以及科學(xué)調(diào)試等手段的運(yùn)用,RTO設(shè)備的安全性可以得到大幅度的提高。近年來,多種工藝組合處理含VOCs廢氣日益成為大多數(shù)工程化項(xiàng)目的選擇[7-9]??梢越⒁环N系統(tǒng)的觀念,從全廠角度出發(fā),綜合考慮不同裝置的尾氣回收或處理需求,或分別處理或匯合后一同處理,將各個(gè)適合的處理技術(shù)視為全廠性環(huán)保系統(tǒng)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn),進(jìn)行優(yōu)化組合,形成一個(gè)大的整體方案,或許是我們可以努力的方向。

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