唐山廢氣燃燒設(shè)備_VOCs蓄熱催化燃燒采用傳統(tǒng)VOCs蓄熱催化燃燒裝置可以實現(xiàn)蓄換熱、VOCs催化燃燒的目的,但該裝備存在著不能*連續(xù)化、電控要求高、制造成本高、占地面積大等缺點。為解決上述問題,研制出連續(xù)式催化燃燒裝備。本文先對裝備背景進行講述,重點討論連續(xù)催化燃燒裝備原理、結(jié)構(gòu)以及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)技術(shù)。
1 改進VOCs 催化燃燒裝備的原因
揮發(fā)性有機物（Volatile Organic Compounds， 簡稱VOCs），是國家大氣污染控制的重要對象，近幾年針對VOCs 排放出臺多項環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)工業(yè)VOCs凈化行業(yè)目前處于漸熱狀態(tài)，在有機揮發(fā)性廢氣催化燃燒裝備中，多數(shù)環(huán)保企業(yè)采用蓄熱式催化燃燒裝置，該技術(shù)方法采取兩室、三室及以上的蓄熱催化燃燒器，使VOCs 氣體發(fā)生催化氧化反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量存儲于蓄熱載體中，通過頻繁切換閥體（切變氣體流動管路），達(dá)到冷、熱流體熱量交換的目的。
蓄熱式催化燃燒裝備可以實現(xiàn)自給供熱，具有比較好的應(yīng)用效果。然而，裝備本身存在著運行操作不能*連續(xù)化、設(shè)備制造成本較高、裝備使用時占用體積較大、安裝調(diào)試中對電氣控制要求較高等缺點，對此，需要設(shè)計一種操作簡單、可實現(xiàn)連續(xù)化運作、高效低成本的一體化VOCs 廢氣凈化裝備。
2 改進后的VOCs 連續(xù)催化燃燒裝備
本公司結(jié)合生產(chǎn)、施工的相關(guān)經(jīng)驗，對過程裝備進行改進，改進后的裝備簡圖如圖1 所示。結(jié)構(gòu)中包括以下幾個部分：①有機廢氣進口管、出口管；②廢氣進口濃度檢測控制器、催化劑床層進口溫度檢測控制器；③廢氣換熱器、電加熱棒、處理器上蓋板、氣流隔板；④催化劑床層、催化劑支撐板。
改進后的催化燃燒器可以進行連續(xù)化操作，有機廢氣進（冷氣）和出口（熱氣）均經(jīng)過廢氣換熱器的進出端，冷側(cè)流體與熱側(cè)流體在換熱器中進行連續(xù)熱交換，利用熱量傳遞性質(zhì)，熱流體的熱量經(jīng)過壁傳熱、對流傳熱過程傳遞至冷流體中；廢氣換熱器的冷側(cè)出口氣，經(jīng)過電加熱棒區(qū)域，對含VOCs 廢氣進行加熱升溫；經(jīng)加熱的廢氣順著壓力梯度會越過氣流隔板進入催化劑床層，廢氣在VOCs 催化劑表面發(fā)生催化氧化作用，可以實現(xiàn)在較低溫度下廢氣催化燃燒，放出氧化反應(yīng)熱。氣流順著催化劑宏觀孔道流動，經(jīng)支撐板后進入廢氣換熱器，與冷流體間接接觸換熱，從廢氣換熱器的熱側(cè)出口流出，繼而完成終排放。
3唐山廢氣燃燒設(shè)備_VOCs蓄熱催化燃燒 新型VOCs 連續(xù)催化燃燒裝備技術(shù)淺析
3.1 廢氣熱交換器技術(shù)分析
廢氣熱交換器的結(jié)構(gòu)設(shè)計是裝置的首要關(guān)鍵點，直接影響著裝備運行的穩(wěn)定性和處理效率。在設(shè)計和安裝調(diào)試中需要考慮到以下幾個因素。
（1）氣體流動情況與運行成本。氣體流動湍流程度越高，換熱效率就越高。湍流程度增加，意味著操作費用上也會隨之增加。在設(shè)計過程中既要考慮到運行效果，也要考慮設(shè)備制造成本和操作費用，因此需要對換熱器流體狀態(tài)方面進行優(yōu)化。
（2）換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)與材料的選擇。換熱器管壁兩側(cè)均為氣相流體，前后進出口氣量基本接近，根據(jù)換熱器傳熱計算公式，為了增加熱交換效率，需要提高兩側(cè)氣體的傳熱系數(shù)。在實際應(yīng)用中，在熱交換管內(nèi)外安裝耐溫翅熱片，換熱效果會明顯增加。另外熱交換進出口兩側(cè)分別為高、低溫，氣體溫差較大，對材料抗熱應(yīng)力性能要求較高，因此生產(chǎn)制造中需要采用抗熱應(yīng)力材料。
（3）換熱器的布置與運行的穩(wěn)定性。對于換熱器的整體布置，一般情況下，立式或者臥式布置。本設(shè)計中為節(jié)省裝備的占用面積，熱交換器采用相對水平方向45 度排布。但應(yīng)注意的是，進、出氣流會對換熱器管壁產(chǎn)生沖卸力，兩種沖卸力對換熱器共同作用，形成扭矩，*的影響了換熱器的穩(wěn)定運行，因此需要對換熱器四角和側(cè)壁進行牢固焊接。
（4）密封性。進口氣體中含一定濃度的VOCs，出口氣體中基本不含有VOCs，熱交換器不進行密封處理，會出現(xiàn)“串氣”現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備出口氣體不能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。對此，將換熱器冷端進口處與換熱器氣體進口之間、熱端出口與裝備出口之間用金屬直角擋板進行密封焊接。
3.2 電加熱器區(qū)域結(jié)構(gòu)技術(shù)分析
唐山廢氣燃燒設(shè)備_VOCs蓄熱催化燃燒電加熱器結(jié)構(gòu)的設(shè)計會影響后續(xù)的催化燃燒工序，是該裝置設(shè)計的第二關(guān)鍵點。氣體經(jīng)加熱后進入催化劑床層時，對氣體流動和溫度要求較高，具體如下：其一，氣體溫度需均勻，若溫度存在差異，經(jīng)加熱的氣體進入催化床層反應(yīng)后，導(dǎo)致催化床層溫度出現(xiàn)不均勻。催化氧化反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，繼而更容易出現(xiàn)床層溫度超出設(shè)計溫度的情況，影響催化劑的壽命。其二，氣體流動盡量均勻，對于催化劑，較理想的情況是每個催化劑活性位都能與VOCs 分子同一停留時間接觸反應(yīng)。若流動狀態(tài)不均勻，VOCs 分子停留時間上會出現(xiàn)差異，繼而會影響到催化劑的使用效率和使用成本。
本方案中加熱區(qū)域位于熱交換器、隔離板之間，形成“梯形”結(jié)構(gòu)，換熱器出口氣流會與器壁存在碰撞，會損失部分能量，氣體流動也不均勻，對此保證氣體能夠均通、均勻加熱是設(shè)計中必須要考慮到的。
為了達(dá)到以上目的，本方案在“梯形”區(qū)域下部加熱區(qū)域要求加熱功率要低并設(shè)置非均一孔金屬網(wǎng)，靠近設(shè)備壁處設(shè)置小孔（孔徑接近整體式催化劑孔徑），目的是增加部分阻力，抵擋住拐角氣流的沖力，均勻氣流。在靠近擋板處網(wǎng)孔設(shè)置大孔，方便氣流的正常通過。另外在加熱棒之間參插大孔徑的金屬網(wǎng)塊，一方面加熱棒表面會產(chǎn)生高溫?zé)彷椛?，輻射至金屬網(wǎng)塊表面，加速了金屬網(wǎng)塊的加熱過程，除此之外，金屬網(wǎng)塊會進行快速熱傳導(dǎo)，擴大了加熱范圍，提高了氣- 固傳熱接觸面積。但在實際制造中還需要對加熱棒和網(wǎng)塊之間進行絕緣處理，或者在加熱棒外部套入隔網(wǎng)，防止觸碰導(dǎo)電。經(jīng)過試驗測試，在氣量3000m3/h，氣體出口溫度測量截面點溫度相差5%，整體加熱區(qū)域氣體阻力大約30~50Pa，氣流均勻性較好。
3.3 唐山廢氣燃燒設(shè)備_VOCs蓄熱催化燃燒催化燃燒催化劑技術(shù)分析
對于氣流在催化劑中的相關(guān)狀態(tài)和要求，在上述（二）中已部分介紹。除前述外，對催化劑設(shè)計和改造上還需要考慮以下重要的環(huán)節(jié)。
（1）處理廢氣量應(yīng)減少。廢氣量增大，若要達(dá)到規(guī)定去除率，在催化劑去除能力不變的情況下，需要增加催化劑的用量，但目前市場來看，效果較好的催化燃燒催化劑單價（元/m3）均在十幾萬元，會增加設(shè)備的成本。在實際操作中，可以先對廢氣的VOCs 進行濃縮預(yù)處理（濃縮操作需要低于爆炸極限），再通過脫附操作將VOCs 脫附出來（脫附濃度也需要低于爆炸極限），以降低裝置的使用投資成本和操作。
（2）在催化劑用量計算上，需要綜合考慮到催化劑的類型、VOCs 的組成、反應(yīng)溫度等因素，不能只參照某一因素考慮。
（3）催化劑選擇應(yīng)嚴(yán)謹(jǐn)。比如催化劑對含鹵素氣體要求較高，需優(yōu)先對該種廢氣進行預(yù)處理，然而這樣會大大增加處理成本，因此要在工藝優(yōu)化、成本綜合計算之后才能確定催化劑。對于可能會導(dǎo)致催化劑中毒的物質(zhì)，需要對中毒物質(zhì)進行預(yù)先去除。
（4）催化劑使用過程中，需要保持表面潔凈，即定期對催化劑進行清洗工作?？梢圆捎脡嚎s空氣、過熱蒸汽、洗滌劑等方式進行清洗。對于廢氣中含有少量的有機顆粒，在低于設(shè)計溫度下運行操作時，不*燃燒易導(dǎo)致催化劑表面結(jié)碳，堵塞催化劑活性位，降低了催化劑使用效率，此時通入高溫蒸汽可以通過重整反應(yīng)，去除積碳，可以還原催化劑的活性。
（5）唐山廢氣燃燒設(shè)備_VOCs蓄熱催化燃燒在催化劑材質(zhì)上，選用導(dǎo)熱性能高的材料，比如整體式催化劑采用鋁金屬基（如圖2 所示），由于鋁金屬材料本身導(dǎo)熱性能高，加熱后的氣體經(jīng)過金屬催化劑床層，催化劑活性組分可以迅速被起燃，催化效率很高。經(jīng)測試，在裝置實際調(diào)試運行期間，催化劑被起燃的時間可以縮短50%~60%（與堇青石整體式蜂窩催化劑進行對比），另外金屬材質(zhì)蓄熱能力低，這樣催化劑出口氣體的溫度會得到一定的提升，在一定的程度上熱量可以得到更好的回收利用。
（6）唐山廢氣燃燒設(shè)備_VOCs蓄熱催化燃燒催化劑的裝填也會對氣體的流動分布和催化劑床層溫度分布產(chǎn)生影響。在裝填中需要考慮到催化劑的密實性，裝填中要求均勻裝填，緊密*，無空隙，催化劑床層邊壁保溫。在整體式催化劑層與層間以及催化劑床層邊緣處可以適當(dāng)?shù)奶砣攵嗫啄透邷鼐d，既可以避免由于層間孔道的錯位、邊緣空隙導(dǎo)致的氣流上的不均勻性和壁效應(yīng)導(dǎo)致的氣體溝流、短流等現(xiàn)象，同時邊壁添入耐高溫綿之后會對設(shè)備起到一定的保溫效果。另外整體催化劑裝填前需要檢測，檢測結(jié)果上需要符合相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)。
唐山廢氣燃燒設(shè)備_VOCs蓄熱催化燃燒蜂窩孔道截面形狀、孔徑、孔密度等參數(shù)的設(shè)計也很重要，這關(guān)系到氣阻，氣流均布性、氣體的停留時間、轉(zhuǎn)化效率等重要參數(shù)?？讖竭x擇越小，氣阻越大，停留時間越短，轉(zhuǎn)化效率較低，但廢氣處理量大。
綜上所述，改造后的連續(xù)催化燃燒器與傳統(tǒng)的蓄熱RCO 相比，具有占地面積小、運行連續(xù)、電控要求低等優(yōu)點。由于設(shè)備詳細(xì)結(jié)構(gòu)較多，本文中從流體動力學(xué)工程、催化工程、傳熱工程等多角度，對重要的廢熱交換器、加熱結(jié)構(gòu)、催化燃燒催化劑技術(shù)進行淺層的分析?？梢钥闯觯诩?xì)節(jié)設(shè)計上，都需要對過程因素進行優(yōu)化，既要考慮到設(shè)備的高效運行，又要考慮到制造企業(yè)的生產(chǎn)成本和被實施企業(yè)方實際的運行成本。在技術(shù)快速發(fā)展的今天，我們可以利用現(xiàn)代計算機技術(shù)進行輔助模擬設(shè)計優(yōu)化設(shè)備參數(shù)，在一定程度上可以節(jié)省時間，提升優(yōu)化效果。
