有機(jī)廢氣(VOCs)處理熱氧化法
對(duì)于有毒、有害、不須回收的 VOC, 熱氧化法是一種較徹底的處理方法。它的基本原理是 VOC與 O2 發(fā)生氧化反應(yīng), 生成CO2 和 H20, 化學(xué)方程式如下:
aCxHyOz+bO2→cCO2+dH2O
這種氧化反應(yīng)很像化學(xué)上的燃燒過(guò)程, 只不過(guò)由于 VOC 的濃度太低, 所以反應(yīng)中不會(huì)產(chǎn)生可見(jiàn)的火焰。氧化法一般通過(guò)以下兩種方法使氧化反應(yīng)能夠順利進(jìn)行:一是加熱, 使含 VOC 的廢氣達(dá)到氧化反應(yīng)所需的溫度; 二是使用催化劑, 氧化反應(yīng)在較低的溫度下在催化劑表面進(jìn)行。本文主要介紹熱氧化法。
熱氧化法可分為三種: 熱力燃燒式、間壁式和蓄熱式。它們的主要區(qū)別在于熱量回收方式的不同。三種方法都可以和催化法結(jié)合起來(lái)以降低反應(yīng)溫度。
a. 熱力燃燒式熱氧化器。熱力燃燒式熱氧化器一般指的是氣體焚燒爐。它由助燃劑、混合區(qū)和燃燒室組成。助燃劑 (天然氣、 石油等) 作為輔助燃料, 燃燒產(chǎn)生的熱在混合區(qū)對(duì) VOC 廢氣進(jìn)行預(yù)熱, 燃燒室為預(yù)熱后的廢氣提供足夠大的空間和足夠長(zhǎng)的時(shí)間以完成最終的氧化反應(yīng)。
在供氧充足的前提條件下, 氧化反應(yīng)的程度(影響最終的VOC 去處率)取決于“三 T條件” : 反應(yīng)溫度(Temperature)、駐留時(shí)間(Time)、湍流混合情況(Turbulence)。這 “三 T 條件”是互相聯(lián)系的, 在一定范圍內(nèi)改善一個(gè)條件可使另外兩個(gè)條件降低。熱
力燃燒式熱氧化器的一個(gè)最大缺點(diǎn)是輔助燃料價(jià)格太高, 致使裝置的操作費(fèi)用很高。
b. 間壁式熱氧化器。間壁式熱氧化是指在熱氧化裝置中加入間壁式熱交換器, 熱交換器把從燃燒室排出的高溫氣體所帶的熱量傳遞給氧化裝置進(jìn)口處的低溫氣體, 預(yù)熱后發(fā)生氧化反應(yīng)。
由于目前的間壁式熱交換器最高可獲得 85%的熱回收率,所以極大地降低了輔助燃料的消耗。
間壁式熱交換器通常設(shè)計(jì)成管式、殼式或板式。由于通常的熱氧化溫度要保持在 800℃—1000℃, 所以間壁式熱交換器必須由耐熱、耐腐蝕的不銹鋼或合金材料制成。這就使得間壁式熱交換器的造價(jià)很高, 這是間壁式熱氧化器的一個(gè)缺點(diǎn)。同時(shí)材料的熱應(yīng)力也不易消除, 這是間壁式熱氧化器的另一個(gè)缺點(diǎn)。
c. 蓄熱式熱氧化器。蓄熱式熱氧化器(Regenerative Thermal Oxidizer , 以下簡(jiǎn)稱(chēng)RTO), 是在熱氧化裝置中加入蓄熱式熱交換器, 預(yù)熱 VOC 廢氣, 再進(jìn)行氧化反應(yīng)。
隨著蓄熱材料的發(fā)展, 目前蓄熱式熱交換器的熱回收率已能達(dá)到95%以上, 而且占用空間越來(lái)越小。這樣輔助燃料的消耗很少(甚至不用輔助燃料, 且當(dāng) VOC 的濃度達(dá)到一定值以上時(shí), 還可從 RTO 輸出熱量)。同時(shí), 由于目前的蓄熱材料都選用陶瓷填料, 所以可處理腐蝕性或含有顆粒物的 VOC 廢氣。
RTO 裝置又可分為閥門(mén)切換式和旋轉(zhuǎn)式。
閥門(mén)切換式 RTO 是最常見(jiàn)的一種 RTO。其由兩個(gè)或多個(gè)陶瓷填充床, 通過(guò)閥門(mén)的切換, 改變氣流的方向, 從而達(dá)到預(yù)熱VOC 廢氣的目的。圖 1 是典型的兩床式 RTO 示意圖及工作原理。
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兩床式 RTO 主體結(jié)構(gòu)由燃燒室、兩個(gè)陶瓷填料蓄熱床和兩個(gè)切換閥組成。當(dāng) VOC 廢氣由引風(fēng)機(jī)送入蓄熱床1后, 該床放熱, VOC 廢氣被加熱, 在燃燒室氧化燃燒, 氣體通過(guò)蓄熱床 2, 該床吸熱, 燃燒后的潔凈氣被冷卻, 通過(guò)切換閥后排放。在達(dá)到規(guī)定的切換時(shí)間后, 閥切換, VOC 廢氣從蓄熱床 2 進(jìn)入, 蓄熱床 2放熱, VOC 廢氣被氧化燃燒, 氣體通過(guò)蓄熱床 1, 該床吸熱, 燃燒后的潔凈氣被冷卻, 通過(guò)切換閥后排放。如此周期性切換, 就可連續(xù)處理 VOC 廢氣。
近年來(lái), 國(guó)外又研制開(kāi)發(fā)出旋轉(zhuǎn)式 RTO。該裝置由一個(gè)燃燒室、一個(gè)圓柱形分成幾瓣獨(dú)立區(qū)域的陶瓷蓄熱床和一個(gè)旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)向器組成。通過(guò)旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)向器的旋轉(zhuǎn), 就可改變陶瓷蓄熱床不同區(qū)域的氣流方向, 從而連續(xù)地預(yù)熱 VOC 廢氣, 在燃燒室氧化燃燒后就可去除 VOC。
相對(duì)于閥門(mén)切換式 RTO, 旋轉(zhuǎn)式RTO由于只有一個(gè)活動(dòng)部件(旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)向器) , 所以運(yùn)行更可靠, 維護(hù)費(fèi)用更低, 但缺點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)向器不易密封, 泄露量大, 影響 VOC 的凈化率。
4 RTO 裝置的國(guó)內(nèi)外情況
熱力燃燒式熱氧化器 (氣體焚燒爐) 的使用可以追溯到十九世紀(jì), 后來(lái)隨著能源危機(jī), 在氧化裝置中普遍開(kāi)始使用能量回收系統(tǒng)。
間壁式熱交換器是熱氧化器的第一代熱回收系統(tǒng), 其熱回收率最高可達(dá) 85% , 在 1980 年之前間壁式熱交換器是最先進(jìn)的熱回收系統(tǒng)。
二十世紀(jì) 70 年代初, 蓄熱式熱交換器也在熱氧化器上開(kāi)始了應(yīng)用。 但由于最初的蓄熱式熱交換器使用格子磚等蓄熱填料不僅結(jié)構(gòu)龐大, 而且熱回收率也趕不上間壁式熱交換器。其后由于不斷有新的蓄熱填料應(yīng)用于蓄熱式熱交換器, 使其得到了不斷的發(fā)展。目前, RTO 的熱回收率已能達(dá)到 95%以上。
1990 年以后, 隨著發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì) VOC 控制的立法, RTO 得到了迅猛的發(fā)展。發(fā)展最快的是美國(guó)。1990 年, Reeco、 SmithSalem、 Huntington 四家公司的 RTO 產(chǎn)值都超過(guò)了 1 000 萬(wàn)美元。
歐洲以德國(guó)發(fā)展最快, Durr 公司已成為全世界最大的 RTO制造商。1995 年之后, 日本、意大利、瑞典等國(guó)也開(kāi)始了 RTO 的研制、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn), 出現(xiàn)了許多 RTO 生產(chǎn)公司。
目前國(guó)內(nèi)已有上百套國(guó)外進(jìn)口的 RTO 裝置在運(yùn)行, 如美國(guó)SMITH 公司在廣州松下電路板生產(chǎn)線上建立了一套, 美國(guó)MONSANTO 公司在鋁箔生產(chǎn)線上建立了一套, 美國(guó) Megtec公司在江蘇昆山建立了 3 套。
天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院瑞瑪公司聯(lián)合廣東森洋環(huán)境保護(hù)工程設(shè)備有限公司在國(guó)內(nèi)首家研制成功 RTO。公司的RTO 技術(shù)是 2002 年國(guó)家重點(diǎn)環(huán)境保護(hù)實(shí)用技術(shù), 2002 年國(guó)家火炬計(jì)劃項(xiàng)目, 2002 年國(guó)家重點(diǎn)新產(chǎn)品, 2002 年獲得國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利授權(quán)(ZL01208840.4) 。已在日本積水化學(xué)公司廊坊工廠、芬蘭太爾膠粘劑(廣東) 有限公司、樂(lè)凱集團(tuán)、中石化鎮(zhèn)海煉油股份有限公司等十幾家公司尾氣處理中得到成功應(yīng)用。
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