VOCs的热氧化处理工艺

对于有毒、有害、无须回收的VOCs，热氧化是一种较彻底的处理方法。根据燃烧温度不同，热氧化法可分为三种：热力燃烧、蓄热燃烧和催化氧化。

热力燃烧

热力燃烧（thermal oxidizer，TO）一般指的是气体焚烧炉，它由助燃剂、混合区和燃烧室组成。助燃剂（天然气、石油等）作为辅助燃料，燃烧产生的热量在混合区对VOCs废气进行预热，燃烧室为预热后的废气提供足够大的空间和足够长的时间以完成最终的氧化反应。该氧化器的一个最大缺点是辅助燃料价格太高，致使装置的操作费用很高。

燃烧温度一般大于1000℃，为实现热能回收，在燃烧炉后端或出口加装间接热交换器，把从燃烧室排出的高温气体所带的热量传递给氧化装置进口处的低温气体或其他热载体。热回收率最高可达85%，显著降低了辅助燃料的消耗。

蓄热燃烧

蓄热燃烧（regenerative thermal oxidizer，RTO）是在热氧化装置中加入蓄热体，预热VOCs废气，再进行氧化反应。热氧化温度一般在700～900℃，蓄热式热交换器占用空间小，热回收率可达95%以上，辅助燃料消耗少（甚至不用辅助燃料）。RTO不能处理含有颗粒或黏性物质的VOCs废气。

RTO装置可分为阀门切换式和旋转式。阀门切换式RTO有2个或多个陶瓷填充床，通过阀门切换改变气流的方向，从而达到预热VOCs废气的目的。图9-5是典型的两床式RTO示意图，其主体结构由燃烧室、两个陶瓷蓄热床和两个切换阀组成。当VOCs废气由引风机送入蓄热床层1，被该床层加热后，在燃烧室氧化燃烧，燃烧后的高温烟气通过蓄热床层2，降温后的烟气通过切换阀排放；当蓄热床层2温度升高后，VOCs废气经切换阀从蓄热床层2进入，被该床层加热后，在燃烧室氧化燃烧，燃烧后的高温烟气通过蓄热床层1，降温后的烟气通过切换阀排放。如此周期性切换，实现VOCs废气连续处理。

近年来，学者们又研发了旋转式RTO。该装置由一个燃烧室、一个分成几瓣独立区域的圆柱形陶瓷蓄热床和一个旋转式转向器组成。通过旋转式转向器的旋转，就可改变陶瓷蓄热床不同区域的气流方向，从而连续地预热、氧化燃烧VOCs废气。相对于阀门切换式RTO，旋转式RTO只有旋转式转向器一个活动部件，运行更可靠，维护费用更低，缺点是旋转式转向器不易密封，泄漏量大，影响VOCs的净化效率。

催化氧化

催化氧化（catalytic oxidizer，CO）是用催化剂使废气中可燃物质在较低温度下氧化分解的净化方法，又称催化燃烧。大多数碳氢化合物在催化剂作用下完全氧化温度为300～450℃。与热力燃烧相比，催化氧化所需辅助燃料少，能量消耗低，设备体积小。但是，催化剂中毒、催化床层更换和清洁等问题，影响了这种方法在实际过程中的推广。

催化氧化装置主要由热交换器、燃烧室、催化反应器、热回收系统和净化烟气的排气筒等部分组成。其净化过程是：含VOCs废气在进入燃烧室以前，先经过热交换器被预热后送至燃烧室，在燃烧室内达到所要求的反应温度，氧化反应在催化反应器中进行，净化后烟气经热交换器释放出部分热量，再由排气筒排入大气。

催化燃烧装置设计时应考虑的问题有：

a.气流和温度均匀分布；

b.便于清洗和更换；

c.辅助燃料和助燃；

d.催化剂活性和使用寿命，包括热稳定性和结构强度。

热氧化设备在设计上需要考虑的重点：

热氧化温度

（1）自燃温度法：以前，热氧化炉设计或运行由于缺乏详细的数据，其温度控制是很粗糙的。罗斯（1977）建议，设计温度可取“高于VOCs自燃温度几百度”。自燃温度是在无火花或火焰的空气中VOCs自行燃烧的温度。过高的温度会导致热氧化炉高投资费和运行费用，因此，预测温度高于实际需要的温度，可能会影响热氧化炉的选用。

（2）统计模型法：一种更精确的统计模型来预测动力学数据和设计温度。模型依赖于大量VOCs的性质，其中最重要的是自燃温度、停留时间、氢原子与碳原子在分子中的比率。这个方法有更高的相关系数，预测温度的标准偏差约20°F。

（3）反应速率常数法：Cooper、Alley和 Overcamp 在1982年结合碰撞理论与经验数据，根据分子量和HC的类型，提出了碳氢化合物在940～1140 K范围内热氧化的一个“有效”一级速率常数k的预测方法。

热氧化炉设计

（1）物质和能量平衡。通过对VOCs热氧化过程物料和能量平衡，可以计算在给定物料下完成氧化燃烧所需要的燃气流量。

（2）设备尺寸。热氧化室需要通过湍流确保足够的混合和推流状态。一般地，建议燃烧室进口流速为6.0～12m/s，整个装置主体的平均流速为3～6m/s。停留时间与反应温度等相关，通常0.4～0.9s停留时间是足够的。

热氧化催化剂

（1）压降是催化氧化炉设计的一个关键。一般地，催化剂是将贵金属（如钯或铂），也有铬、锰、铜、钴和镍等，沉积在氧化铝载体上，以形成最小的压力降。蜂窝结构催化剂压力降为0.05～0.5mH2O/m（以催化床层高计），是颗粒结构催化床层的1/20。除了高活性和低压降外，催化剂必须能够抵抗磨损（破碎、破损或其他机械磨损），经受高温冲击，并且具有较长的使用寿命。

（2）催化燃烧炉所处理的气体流必须不含颗粒或黏性物质。此外，气流不应该含有相当浓度的使催化剂中毒的化合物，如硫、氯、铅等元素。除中毒和堵塞外，催化剂机械磨损、热老化、热烧结和炭黑掩蔽（PM与气体或重烃氧化后表面形成的烟尘颗粒）等也是操作过程经常遇到的问题。因此，所有催化剂使用一定时间后必须更换（通常是3～5年）。

热回收

热回收是VOCs热氧化工艺设计另一个需要重点考虑的内容。回收热能的一种非常普遍的方法是安装热交换器。如前面所述的间壁式燃烧处理器，换热器是用来预热进口废气。除了预热燃烧前废气外，VOCs热氧化产生的热能还可以加热水制得蒸汽，用于预热液体流或与新鲜空气混合以提供热风干燥流。

安全问题

浓度、氧含量、操作模式（连续或间歇）等是热氧化工艺非常关键的因素。为使成本最小化，通常将VOCs废气控制较高的浓度。然而，VOCs存在爆炸极限。为保险起见，设计进氧化室的VOCs最大浓度为25%的VOCs爆炸下限（LEL）。实际工程中，废气中VOCs浓度仅为LEL浓度的5%或更低。如果能从5%聚集到25%的LEL，被焚烧的总量将下降80%。

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