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        淺析蓄熱式熱力氧化技術(shù)處理揮發(fā)性有機(jī)廢氣

        2014-03-10 04:41:28張建萍
        浙江化工 2014年3期
        關(guān)鍵詞:燃燒室廢氣凈化

        張建萍,項(xiàng) 菲

        (浙江環(huán)科環(huán)境咨詢有限公司,浙江 杭州 310007)

        0 前言

        人類的生產(chǎn)活動(dòng)是造成環(huán)境污染的主要原因,特別在工業(yè)化生產(chǎn)之后情況更為嚴(yán)重。在工業(yè)生產(chǎn)中,在生產(chǎn)所期望的產(chǎn)品的同時(shí),常常伴隨著大量的廢棄物和殘留物。在空氣中的氣態(tài)有害物質(zhì),有一部分為揮發(fā)性有機(jī)物(縮寫為VOC或VOCs),主要來自溶劑生產(chǎn)或使用過程,涉及行業(yè)眾多。一個(gè)工業(yè)化國家每年排入大氣中的VOC數(shù)量達(dá)數(shù)百萬噸之多,因此,治理工業(yè)VOC 廢氣污染已成為當(dāng)前環(huán)境保護(hù)工作的一個(gè)重要組成部分。

        1 VOC 概述

        1.1 VOC 的定義和來源

        VOC 通常是指在環(huán)境條件下容易蒸發(fā)或揮發(fā)的有機(jī)化合物,基于該類物質(zhì)高蒸氣壓或低沸點(diǎn)而容易揮發(fā),如烴類、鹵代烴、氮烴、含氧烴、硫烴、脂肪烴、芳香烴等。由于目前大部分的有機(jī)溶劑均以揮發(fā)物的形式排放,因此常將有機(jī)溶劑和VOC 聯(lián)系在一起。目前VOC 尚無統(tǒng)一的定義,國內(nèi)外文獻(xiàn)的報(bào)道也不一致,但通常是根據(jù)其沸點(diǎn)和一定溫度下的蒸氣壓等參數(shù)來進(jìn)行分類限定的。如我國《煉油與石油化工工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB11/447-2007) 中對(duì)VOC 下的定義是:在20 ℃條件下,蒸汽壓大于或等于0.1 kPa,或者在特定條件下具有相應(yīng)揮發(fā)性的全部有機(jī)化合物的總稱。從廣義來講,任何液體或固體在常溫常壓下能自然揮發(fā)出的有機(jī)化合物均可屬于VOC。

        VOC 種類繁多,來源廣泛,溶劑使用部門(涂裝、印刷、石油和化工行業(yè))和交通運(yùn)輸部門(汽車、加油站等)所排放的VOC 占絕大部分。許多VOC 具有神經(jīng)毒性、腎臟和肝臟毒性,甚至具有致癌作用,能損害血液成分和心血管系統(tǒng),引起胃腸道紊亂,誘發(fā)免疫系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)及造血系統(tǒng)疾病,造成代謝缺陷[1]。

        1.2 VOC 廢氣處理現(xiàn)狀

        由于VOC 的危險(xiǎn)性,許多國家頒布法令對(duì)VOC 的排放進(jìn)行了嚴(yán)格控制,規(guī)定了排放的界限值,而且越來越嚴(yán)格。歐美國家于20 世紀(jì)90 年代前后,對(duì)所有使用有機(jī)溶劑的地方都規(guī)定了排放要求;美國1990 年提高了廢氣排放標(biāo)準(zhǔn),將工業(yè)生產(chǎn)中的189 種污染物列為有毒污染物,其中大部分為VOC;我國頒布的《大氣污染防治法》要求對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的有毒氣體進(jìn)行凈化處理,對(duì)可燃性氣體要回收利用;在《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB16297-1996)規(guī)定了33 種揮發(fā)性有機(jī)物的排放標(biāo)準(zhǔn);目前環(huán)保部正在制定石化等重點(diǎn)行業(yè)的VOC 排放標(biāo)準(zhǔn)。

        解決VOC 的污染問題,從根本上講是要提倡不用或者少用有機(jī)溶劑,或者將溶劑回收再利用。由于在大多數(shù)情況下,VOC 往往是多組分的,很難回收,或者想要達(dá)到能再利用的純度,在經(jīng)濟(jì)上幾乎無法承受,因此在多數(shù)情況下,只好采用破壞方法,將VOC 轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)再排入大氣。因此對(duì)于企業(yè)來講,如何做到環(huán)保節(jié)能,經(jīng)濟(jì)合理已成為當(dāng)前有機(jī)廢氣凈化技術(shù)的發(fā)展方向。迄今為止,在工業(yè)上已獲得成功應(yīng)用的有機(jī)廢氣凈化方法主要有吸附法、冷卻法、吸收法、生物膜法、燃燒法等。

        在有機(jī)廢氣凈化諸方法中,蓄熱燃燒法是目前一種很有發(fā)展前景的VOC 廢氣治理方法,其所用的裝置蓄熱式熱力氧化器“Regenerative Thermal Oxidizer”簡稱為“RTO”。在充分滿足燃燒過程的必要條件下,燃燒法可以使有害物質(zhì)達(dá)到完全燃燒氧化。RTO 由于過程的熱效率很高(>95%以上),通常只需補(bǔ)充少量的輔助燃料,當(dāng)廢氣中有機(jī)物濃度達(dá)到一定值時(shí)即可實(shí)現(xiàn)自供熱操作。在歐美發(fā)達(dá)國家,RTO 已在整個(gè)VOC 廢氣凈化范圍內(nèi)起到主導(dǎo)地位[2-4]。

        2 RTO 裝置的工作原理和系統(tǒng)組成

        有機(jī)廢氣凈化的燃燒法是基于廢氣中有機(jī)化合物可以燃燒氧化的特性,將廢氣中可氧化的組分轉(zhuǎn)為無害物質(zhì)。RTO 的工作原理即將VOC廢氣經(jīng)預(yù)熱室吸熱升溫后,進(jìn)入燃燒室高溫焚燒,使有機(jī)物氧化成二氧化碳和水,再經(jīng)過另一個(gè)蓄熱室蓄存熱量后排放,蓄存的熱量用于預(yù)熱新進(jìn)入的有機(jī)廢氣,經(jīng)過周期性地改變氣流方向從而保持爐膛溫度的穩(wěn)定。

        基本的RTO 系統(tǒng)由1 個(gè)公共燃燒室、2 臺(tái)或多臺(tái)蓄熱室、l 套換向裝置和相配套的控制系統(tǒng)組成。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同,典型的RTO 裝置可分為以下幾種。

        2.1 兩室RTO

        兩室RTO 裝置主要由兩臺(tái)蓄熱室和頂部相連通的燃燒室組成,其中蓄熱室內(nèi)部通常采用具有良好耐高溫性能的陶瓷材料作為蓄熱體。燃燒室設(shè)有輔助燃燒器,可用油或天然氣作為燃料。輔助燃燒器的作用主要為了在開車時(shí)將蓄熱體加熱到一定溫度,或當(dāng)廢氣中可燃物的濃度較低時(shí),需要補(bǔ)充燃料來維持燃燒室所要求達(dá)到的反應(yīng)溫度。蓄熱室和燃燒室均砌有耐火磚,并用陶瓷纖維保溫,使燃燒室保持均勻的溫度分布。兩室RTO 典型結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

        圖1 兩室RTO 的典型結(jié)構(gòu)

        兩室RTO 的操作過程如下:在開車時(shí)先用新鮮空氣代替VOC,借燃燒器將蓄熱室加熱到一定溫度。正常操作時(shí),風(fēng)機(jī)將VOC 氣體送入進(jìn)氣管,經(jīng)進(jìn)口處的氣體切換閥通過填滿陶瓷填料的蓄熱體A,蓄熱體A 在前一個(gè)循環(huán)中儲(chǔ)存了熱量,VOC 經(jīng)底部通過蓄熱體床層時(shí),熱量從填料中被吸收出來,而蓄熱體A 同時(shí)逐漸被冷卻。預(yù)熱后的廢氣進(jìn)入頂部燃燒室,在燃燒室中VOC 被氧化后,作為高溫凈化氣進(jìn)入蓄熱體B,此時(shí)凈化氣中夾帶的熱量被蓄熱體B 中的陶瓷填料吸收并儲(chǔ)存起來,蓄熱體B 床層逐漸被加熱,而凈化氣則被冷卻排出。在下一個(gè)循環(huán)中氣流逆轉(zhuǎn),VOC 氣體首先進(jìn)入已被加熱過的蓄熱體B 進(jìn)行預(yù)熱,再依次進(jìn)入燃燒室氧化,在另一個(gè)蓄熱體A 填料床釋放熱,最后排出RTO 系統(tǒng)。

        這個(gè)過程不斷循環(huán)操作,每個(gè)蓄熱填料床都是在輸入廢氣與排出凈化氣的模式間交替轉(zhuǎn)換,從而實(shí)現(xiàn)廢氣的凈化和熱量的充分利用。典型的循環(huán)時(shí)間(即切換時(shí)間)大約為30~120 s。

        二室RTO 是實(shí)現(xiàn)蓄熱式熱量回收的最基本結(jié)構(gòu),熱量回收率超過95%。在換向以后穩(wěn)定作業(yè)結(jié)算,廢氣中VOC 的凈化率可達(dá)99%以上。但采用二室RTO 也有一定缺點(diǎn):在切換氣流流動(dòng)方向的時(shí)候,留在蓄熱體和管道中部分未經(jīng)處理的VOC 會(huì)與凈化氣一起排入大氣;其次入口閥和出口閥在極短時(shí)間內(nèi)同時(shí)啟動(dòng),有可能造成進(jìn)入的VOC 直接走短路而與凈化氣一起排出?;谝陨显?,裝置出口排氣有可能出現(xiàn)瞬間不合格的峰值。目前應(yīng)用二室RTO 比較普遍,一方面是由于廢氣中VOC 濃度較低,經(jīng)凈化處理后尾氣可達(dá)標(biāo),另一方面是有些設(shè)備采用了新型、快速的切換閥,其換向動(dòng)作時(shí)間小于0.5 s。

        2.2 三室和多室RTO

        若VOC 廢氣的凈化率要求很高,則可采用兩種方法:一種是延長循環(huán)時(shí)間的操作時(shí)間,但這樣會(huì)使熱效率降低;另一種常用的方法是增加一個(gè)蓄熱室用于吹掃系統(tǒng),即采用三室RTO 裝置。其裝置典型結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

        圖2 三室RTO 的典型結(jié)構(gòu)

        三室RTO 的操作原理是在一個(gè)蓄熱室進(jìn)氣、一個(gè)蓄熱室排氣的同時(shí),一個(gè)蓄熱室處于吹掃狀態(tài)。在一個(gè)循環(huán)后,廢氣始終進(jìn)入到在上一循環(huán)時(shí)排出凈化氣的蓄熱室,而原來進(jìn)入廢氣的蓄熱室則用凈化氣或空氣沖洗。蓄熱室在進(jìn)氣以后用于排氣之前均可得到吹掃,從而解決了二室RTO換向時(shí)VOC 直接排放問題,提高了VOC 的平均破壞去除率。

        三室RTO 可用于小到中等的廢氣流量,一般當(dāng)廢氣量大于60000 Nm3/h 時(shí),為保證氣流的均勻分布和傳熱效率,應(yīng)過渡到五室RTO,即兩個(gè)三室并聯(lián)加上一個(gè)沖洗室。同樣,當(dāng)處理量更大時(shí),可用七室,以此類推。

        3 RTO 的特點(diǎn)

        RTO 宜用于處理2~8 g/m3濃度的有機(jī)廢氣,對(duì)于低熱值氣體(如乙酸乙酯等)濃度可達(dá)12 g/m3,特別適用于難分解組分的焚化,且凈化率較高(一般三室>99%,兩室95%~98%)。其次,RTO 可以適應(yīng)廢氣中VOC 的組成和濃度的變化波動(dòng),且對(duì)廢氣中夾帶少量灰塵、固體顆粒不敏感。相對(duì)于其他處理技術(shù)(例如換熱式熱氧化),RTO 的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于熱回收率高,高的熱回收率使補(bǔ)充燃料的使用量顯著減少,從而節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。尤其是處理量大、有機(jī)物含量低的工業(yè)氣體,效果更加顯著。

        4 國內(nèi)RTO 應(yīng)用現(xiàn)狀

        RTO 在1998 年前在我國尚未見應(yīng)用。國內(nèi)對(duì)于低濃度VOC 廢氣的處理,大都采用落后的熱力焚燒裝置,由于處理費(fèi)用偏高,少數(shù)企業(yè)甚至將未經(jīng)處理的VOC 直接排放。近年來,隨著國外先進(jìn)廢氣處理技術(shù)的引進(jìn)和研究,RTO 已在一些領(lǐng)域有所應(yīng)用。國內(nèi)一些汽車制造商引進(jìn)的車身油漆線和集裝箱涂裝生產(chǎn)線烘干工藝中均應(yīng)用了RTO 技術(shù),獲得了良好的凈化效果[5-7];采用RTO 技術(shù)替代傳統(tǒng)的直接燃燒排放法用于處理膠粘劑涂布中產(chǎn)生的VOC 廢氣可達(dá)到節(jié)能、凈化環(huán)境等目的[8];一些大型化工企業(yè)已嘗試將RTO 應(yīng)用于化工有機(jī)廢氣的治理,以處理順酐裝置尾氣為例,三室RTO 裝置對(duì)于VOC 凈化率達(dá)99.9%,熱效率為99.5%,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了余熱回收利用和尾氣達(dá)標(biāo)排放的要求[9];廈門翔鷺石化采用RTO 系統(tǒng)用于處理PTA 裝置高壓洗滌塔的尾氣,膨脹機(jī)能量回收后,換熱效率可達(dá)95%,節(jié)省了大量的燃料,且不用昂貴的催化劑,運(yùn)行費(fèi)用較低[10]。國內(nèi)研究人員在現(xiàn)有RTO 系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),北京科技大學(xué)自主研發(fā)了多蓄熱室旋轉(zhuǎn)換向蓄熱式有機(jī)廢氣焚燒爐系統(tǒng),并成功用于研磨帶涂布生產(chǎn)過程產(chǎn)生的有機(jī)廢氣的處理。該系統(tǒng)各個(gè)蓄熱室不是同時(shí)換向,減少了換向時(shí)爐膛內(nèi)壓力波動(dòng),易于實(shí)現(xiàn)RTO系統(tǒng)小型化[11]。另外RTO 技術(shù)在醫(yī)化企業(yè)有機(jī)廢氣治理中也進(jìn)行了一定推廣,但由于行業(yè)特點(diǎn)決定其產(chǎn)生的廢氣量和VOC 濃度的不穩(wěn)定,裝置運(yùn)行管理難度較大,還不能從根本上解決廢氣污染問題,需要進(jìn)一步的探索優(yōu)化。

        5 結(jié)論

        蓄熱式熱氧化處理技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的焚燒處理技術(shù)有明顯的優(yōu)勢,該技術(shù)在國外已經(jīng)很成熟,而在國內(nèi)的研究應(yīng)用尚處于起步階段,特別是提高VOC 破壞去除效率、擴(kuò)大適用范圍和降低運(yùn)行費(fèi)用等方面還有待探索。從綠色環(huán)保角度出發(fā),以資源化循環(huán)利用為目的的RTO 技術(shù)將是VOC 處理技術(shù)發(fā)展趨勢之一。在當(dāng)前能源價(jià)格飆升的背景下,組織力量研究開發(fā)并推廣使用該項(xiàng)技術(shù),不僅能夠節(jié)約能源和減少環(huán)境污染,還可獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益和顯著的杜會(huì)效益。

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