催化焚烧（CO）在VOCs治理中的应用

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H2 O，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H2 O，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H2 O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]。 

 2.1 催化焚烧炉CO简述

 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H2 O，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 H2 O。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：IP55ExdⅡBT4、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。

2.3 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 Cx Hy +O2 → CO2 +H2 O+ER（ER ：释放能量） （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。