賀俊梅 張紅偉

（維珂瑞（北京）環(huán)境科技有限公司 北京 100012）

引言

硅烷等有機(jī)硅屬于新型高性能材料，具有性能獨(dú)特、種類(lèi)多樣等特點(diǎn)，其廣泛涉及材料、電子、能源、信息等產(chǎn)業(yè)[1]。隨著國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)產(chǎn)品目錄的發(fā)布，新興產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，硅烷等有機(jī)硅材料作為國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)材料重要組成部分，用量也日益增長(zhǎng)。隨之帶來(lái)的就是生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的硅烷廢氣[2]。硅烷廢氣有毒且易燃易爆，為降低環(huán)境污染，保證硅烷材料產(chǎn)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展，必須經(jīng)過(guò)無(wú)害化處理方可排放。

焚燒處理技術(shù)是目前較為先進(jìn)的、徹底有效的、認(rèn)可度較高的無(wú)害化處理技術(shù)，無(wú)論在環(huán)保還是安全方面都具有很大優(yōu)勢(shì)[3]，包括直燃式焚燒爐（TO）、換熱式催化氧化爐（CO）、蓄熱式高溫焚燒爐（RTO）、蓄熱式催化氧化爐（RCO）。由于催化氧化爐中催化劑在某些特定條件下容易中毒而失去活性，運(yùn)行時(shí)設(shè)備維修成本較高，因此，在處理有機(jī)廢氣時(shí)，采用TO 和RTO 這兩種焚燒技術(shù)居多。又因RTO 在具備氧化溫度高、凈化效率高的特點(diǎn)的同時(shí)，憑借著陶瓷蓄熱體的存在，還補(bǔ)足了TO 能耗高、熱回收效率低的缺點(diǎn)，從而被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的有機(jī)廢氣治理當(dāng)中。但是在處理含有硅烷等有機(jī)硅廢氣時(shí)，逐漸暴露出RTO 技術(shù)的缺點(diǎn)。分析其原因：硅烷在高溫氧化過(guò)程中產(chǎn)物為CO2、H2O 以及SiO2，SiO2以固態(tài)形式存在，在陶瓷蓄熱體表面易形成結(jié)晶，微觀上表現(xiàn)為構(gòu)成陶瓷蓄熱體的硅鋁酸鹽與SiO2結(jié)晶具有相近性[4]，使得二者緊緊結(jié)合在一起，宏觀上表現(xiàn)為SiO2在陶瓷蓄熱體表面層層生長(zhǎng)、堆積，占據(jù)蓄熱體傳熱孔道，造成RTO 系統(tǒng)壓力增加、傳熱效果變差、排氣溫度變高等嚴(yán)重后果[5]。在RTO 處理硅烷廢氣的弊端暴露之后，行業(yè)中對(duì)于含有硅烷廢氣的處理不再建議采用RTO 焚燒技術(shù)，而是優(yōu)先選用TO 這種不易被硅粉堵塞的設(shè)備，而且有研究表明TO 法處理含硅有機(jī)廢氣的正確性與優(yōu)勢(shì)[3][6][7]。但是TO 處理技術(shù)存在能耗高的缺點(diǎn)，因此，實(shí)際應(yīng)用中設(shè)計(jì)一種無(wú)害化、資源化的處理工藝極為關(guān)鍵。

本文借助河南省某企業(yè)硅烷廢氣焚燒系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出一種防堵、高效、節(jié)能、資源化利用的處理工藝，為硅烷廢氣的優(yōu)化治理提供一種借鑒。

1 硅烷廢氣焚燒處理方案

1.1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

直燃式焚燒爐應(yīng)用形式有兩種，一種是預(yù)熱器與焚燒爐一體化形式，一種是預(yù)熱器與焚燒爐分開(kāi)獨(dú)立形式。無(wú)論哪種形式在處理硅烷廢氣中均有應(yīng)用[1][6]。但是，一體化形式不適用于含有腐蝕性較高的廢氣，原因是不僅前期設(shè)備投資高，若后期預(yù)熱器存在腐蝕，維修與更換難度很大，維修成本也非常高。因此，對(duì)于含有腐蝕性強(qiáng)的廢氣，一般建議采用預(yù)熱器與焚燒爐分開(kāi)獨(dú)立形式。

鑒于本項(xiàng)目廢氣源成分中含有腐蝕性氣體，本項(xiàng)目采用爐膛和預(yù)熱器分開(kāi)獨(dú)立形式。工藝選擇原則：先進(jìn)、穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)；利用成熟焚燒設(shè)備無(wú)害化處理；充分利用大量余熱與現(xiàn)有沼氣預(yù)熱廢氣，節(jié)約能源；資源轉(zhuǎn)化與合理化利用；全自動(dòng)化控制，安全可靠、操作方便。本文針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，在防堵塞、去除效率、節(jié)能降耗、資源化利用方面展開(kāi)研究與分析，佐證該系統(tǒng)在處理硅烷廢氣時(shí)的優(yōu)越性。

1.2 工藝流程圖

圖1 為本項(xiàng)目硅烷廢氣焚燒處理系統(tǒng)的工藝流程示意圖。

1.3 系統(tǒng)構(gòu)成與主體功能介紹

硅烷廢氣焚燒處理系統(tǒng)包含核心處理系統(tǒng)（直燃式焚燒爐TO）、余熱回收系統(tǒng)（預(yù)熱器、余熱鍋爐、省煤器）、硅粉旋風(fēng)處理系統(tǒng)、后處理系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)（風(fēng)機(jī)）、安全與控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中采用旋風(fēng)處理是最大可能降低SiO2粉塵對(duì)余熱鍋爐的影響，提高熱回收效率、提高蒸汽產(chǎn)量。

（1）TO 爐的氧化焚燒

本項(xiàng)目硅烷廢氣焚燒處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)處理能力15000Nm3/h，車(chē)間硅烷廢氣經(jīng)收集安全輸送至處理系統(tǒng)，廢氣首先利用預(yù)熱器進(jìn)行初步升溫至350-400℃，再送入TO 氧化焚燒，如此則節(jié)約燃燒機(jī)燃料消耗。進(jìn)入TO 的硅烷廢氣高溫氧化后生成含SiO2的小分子化合物，凈化效率高。TO 采用臥式，燃燒器安裝在焚燒爐爐頭，選擇天然氣和沼氣作為供熱燃料。

（2）TO 后的余熱回收

受預(yù)熱器熱傳遞效率的影響，TO 高溫排氣經(jīng)過(guò)預(yù)熱器第一次熱量回收后，氣體溫度依然很高，含有大量熱能，采用余熱鍋爐收可將大部分熱量回收，并產(chǎn)出0.8MPa 飽和蒸汽，此為系統(tǒng)第二次熱量回收。經(jīng)過(guò)余熱鍋爐的煙氣溫度由400-450℃降至約200-250℃，然后再進(jìn)入省煤器，此單元為第三次熱量回收，作用是初步加熱鍋爐給水，節(jié)省能源消耗，提高鍋爐蒸汽產(chǎn)生量，此單元后的煙氣溫度被降至120-150℃，經(jīng)后處理設(shè)備，最終由風(fēng)機(jī)排入煙囪。

（3）安全與控制系統(tǒng)

系統(tǒng)中在管道與設(shè)備單元均設(shè)置必要的溫度、壓力、可燃?xì)怏w濃度監(jiān)測(cè)儀表，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道、設(shè)備單元風(fēng)壓、溫度、濃度信息，并實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵的控制連鎖關(guān)系，確保處理系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

1.4 氣體檢測(cè)儀器和方法

（1）氣體檢測(cè)儀器

VOCs 濃度檢測(cè)采用非甲烷總烴分析儀，品牌TESTA GmbH，型號(hào)FID-2010nmHC；氣體成分分析采用氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀，品牌東西分析，型號(hào)GC-MS 3100。

（2）氣體檢測(cè)方法

《HJ 734-2014 固定污染源廢氣 揮發(fā)性有機(jī)物的測(cè)定 固相吸附－熱脫附/氣相色》；《DB 11/T 1367-2016固定污染源廢氣甲烷/總烴/非甲烷總烴的測(cè)定 便攜式氫火焰離子化檢測(cè)器法》。

2 運(yùn)行效果分析

2.1 最佳爐膛溫度與停留時(shí)間的分析

眾所周知，影響燃燒過(guò)程的因素包括溫度、停留時(shí)間、湍流度，簡(jiǎn)稱3T 因素。在爐體結(jié)構(gòu)確定的情況下，本部分只針對(duì)最佳爐膛溫度和停留時(shí)間進(jìn)行分析與探討，由于TO 爐膛截面積、長(zhǎng)度一定，停留時(shí)間可由煙氣在爐膛內(nèi)的流通量間接表示。本部分探討僅采用天然氣作為供熱燃料。

最佳爐膛溫度的分析見(jiàn)圖2，運(yùn)行條件為風(fēng)量15000Nm3/h，進(jìn)氣濃度2500mgC/m3（采用非甲烷總烴分析儀進(jìn)行檢測(cè)）、進(jìn)氣溫度30℃、爐膛內(nèi)停留時(shí)間1.5s。圖中展示出，爐膛溫度高于750℃，變化趨勢(shì)較為緩慢，達(dá)到850℃以上時(shí)，TO 去除效率基本保持不變，且850℃以后去除效率達(dá)98.5%以上?？梢?jiàn)，TO 爐膛溫度達(dá)到850-900℃時(shí)為最佳，此時(shí)去除效率較高，綜合經(jīng)濟(jì)和排放要求，則本項(xiàng)目設(shè)置爐膛長(zhǎng)期運(yùn)行溫度為850-900℃。

再取10000-25000Nm3/h 范圍內(nèi)6 點(diǎn)風(fēng)量值對(duì)最佳停留時(shí)間進(jìn)行分析，在TO 尺寸一定的前提下，通過(guò)風(fēng)量核算爐膛停留時(shí)間進(jìn)行討論。運(yùn)行中其他參數(shù)同上，爐膛溫度設(shè)定850-900℃，對(duì)應(yīng)爐膛停留時(shí)間與去除效率的變化曲線見(jiàn)圖3。圖中可見(jiàn)，停留時(shí)間和去除效率是成正比的關(guān)系，當(dāng)停留時(shí)間達(dá)到1.3s 左右時(shí)對(duì)應(yīng)風(fēng)量為16500Nm3/h，去除效率可達(dá)98%以上，當(dāng)停留時(shí)間達(dá)到1.5s 左右時(shí)對(duì)應(yīng)風(fēng)量為15000Nm3/h，去除效率可達(dá)98.5%以上。由于TO 設(shè)備設(shè)計(jì)需滿足甲方30%-110%處理負(fù)荷的要求，根據(jù)調(diào)試與試運(yùn)行結(jié)果，TO 設(shè)備運(yùn)行可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)運(yùn)行負(fù)荷下的達(dá)標(biāo)排放，且設(shè)備停留時(shí)間取值合適，設(shè)備造價(jià)設(shè)定合理。

2.2 實(shí)際應(yīng)用效果分析

實(shí)際應(yīng)用中，車(chē)間硅烷尾氣風(fēng)量共計(jì)15000Nm3/h，運(yùn)行時(shí)相關(guān)參數(shù)為：進(jìn)氣濃度2500-3000mgC/m3、進(jìn)氣溫度30℃、爐膛溫度850-900℃，爐膛內(nèi)停留時(shí)間1.5s。硅烷廢氣焚燒處理系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)采集了一系列數(shù)據(jù)，在沼氣與天然氣供熱情況下，探討系統(tǒng)VOCs 排放情況，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，直燃式焚燒爐對(duì)硅烷的去除效率較高，無(wú)論天然氣還是沼氣供熱均達(dá)到98%以上的去除效率，出氣濃度不高于60mgC/m3，滿足國(guó)家與地方的排放要求。同時(shí)，在廢氣源與燃燒產(chǎn)物檢測(cè)分析中發(fā)現(xiàn)，車(chē)間尾氣中主要由四甲基硅烷、三甲基氯硅烷、烷烴類(lèi)等其他物質(zhì)構(gòu)成，經(jīng)過(guò)氧化焚燒生成成分簡(jiǎn)單的CO2、H2O 以及SiO2和HCI，說(shuō)明本系統(tǒng)中硅烷廢氣在850-900℃爐膛內(nèi)可以被完全分解、徹底去除，實(shí)現(xiàn)了有機(jī)廢氣無(wú)害化的目標(biāo)。TO 系統(tǒng)的高效性與管道壓力的穩(wěn)定性，完全可以替代蓄熱式焚燒爐處理硅烷廢氣，避免了SiO2堵塞的問(wèn)題。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

直燃式焚燒爐在一些行業(yè)完全被蓄熱式焚燒爐取代，最重要的因素是其能耗太高，反過(guò)來(lái)在一些硅烷產(chǎn)生行業(yè)又不得不采用直燃式焚燒爐，因此，盡可能的回收熱能是直燃式焚燒爐一大急需突破的難題。本部分就是在系統(tǒng)高處理效率前提下，來(lái)討論系統(tǒng)熱量回收與資源化利用效果，證明本系統(tǒng)具有較高的熱能回收效率。見(jiàn)圖5，截取某一次系統(tǒng)運(yùn)行畫(huà)面，根據(jù)處理風(fēng)量15000Nm3/h 進(jìn)行熱量與能耗計(jì)算。

3.1 余熱回收部分熱量核算與能源節(jié)約

（1）余熱回收單元熱量核算

TO 爐排出的高溫?zé)煔庖来谓?jīng)過(guò)預(yù)熱器、余熱鍋爐、省煤器進(jìn)行熱量充分回收。根據(jù)運(yùn)行畫(huà)面圖5，預(yù)熱器將30℃的廢氣升溫至384℃，同時(shí)將TO 爐805℃的高溫排氣降至442℃，熱量回收約2130kW；余熱鍋爐采用氣液逆流換熱形式，將預(yù)熱器出來(lái)的煙氣降至204℃，熱量回收約1500kW；省煤器作為余熱鍋爐給水初步升溫，同時(shí)將余熱鍋爐出氣降至137℃，熱量回收約400kW。整個(gè)系統(tǒng)，共計(jì)回收熱值約3900kW，約85%以上的熱回收效率。

（2）燃燒機(jī)單元能源節(jié)約與余熱鍋爐熱量產(chǎn)值

預(yù)熱器的設(shè)置降低天然氣/沼氣熱能消耗約2130kW，合計(jì)節(jié)約天然氣約215m3/h；余熱鍋爐蒸汽系統(tǒng)產(chǎn)出0.8MPa 飽和蒸汽1.5t/h，該蒸汽用于車(chē)間生產(chǎn)。

3.2 實(shí)際經(jīng)濟(jì)價(jià)值分析

本項(xiàng)目廢氣中的硅烷含量為2500-3000mgC/m3，經(jīng)濟(jì)效益核算中取濃度2500mgC/m3、廢氣總量15000Nm3/h、廢氣平均熱值熱取7500kcal/kg、系統(tǒng)熱回收效率85%，經(jīng)濟(jì)價(jià)值分析時(shí)以天然氣和沼氣供熱分別核算，沼氣為廠區(qū)自產(chǎn)能源不計(jì)運(yùn)行費(fèi)用。另外，產(chǎn)生的飽和蒸汽直接用于生產(chǎn)過(guò)程中，此部分按照熱量折算。表1 中可見(jiàn)，硅烷廢氣焚燒處理系統(tǒng)，若采用天然氣供熱每年運(yùn)行費(fèi)用845 萬(wàn)元，其中天然氣為主要消耗能源占總運(yùn)行費(fèi)用的98.4%，年經(jīng)濟(jì)費(fèi)用需支出429 萬(wàn)元；若采用沼氣供熱每年運(yùn)行費(fèi)用僅為13.5萬(wàn)元，年凈收益402.5 萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益極為可觀。同時(shí)，預(yù)熱器年節(jié)約能源消耗596 萬(wàn)元，極大降低系統(tǒng)運(yùn)行成本。

表1 系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用與資源化利用價(jià)值

綜上，本項(xiàng)目所投入使用的硅烷廢氣焚燒處理系統(tǒng)，在無(wú)害化處理的前提下，先進(jìn)的工藝設(shè)計(jì)與現(xiàn)有能源的合理利用，使得系統(tǒng)具有很大的經(jīng)濟(jì)效益、產(chǎn)值可觀，適用于硅烷這種氧化產(chǎn)物易于堵塞蓄熱體的廢氣治理，本文為含硅有機(jī)廢氣的治理工藝指明優(yōu)化方向。

4 注意事項(xiàng)

采用本系統(tǒng)需要注意以下內(nèi)容：

（1）當(dāng)廢氣源中含有較多顆粒物或者酸性氣體，在進(jìn)入TO 系統(tǒng)前需進(jìn)行預(yù)處理，一般采用干式過(guò)濾器去除顆粒物，采用洗滌塔去除大部分酸性氣體，預(yù)處理后的煙氣再進(jìn)入TO 系統(tǒng)，可保證設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，降低設(shè)備投資、節(jié)約設(shè)備維護(hù)成本。

（2）當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障需要緊急停機(jī)或者停機(jī)檢修時(shí)，進(jìn)入系統(tǒng)的主管閥門(mén)需要關(guān)閉，打開(kāi)旁路管道閥門(mén)，實(shí)行應(yīng)急處理模式。TO 爐需實(shí)行對(duì)應(yīng)停機(jī)程序，待系統(tǒng)一切正常后方可開(kāi)機(jī)。

（3）TO 系統(tǒng)前端需設(shè)置阻火器、隔斷閥、可燃?xì)怏w檢測(cè)儀，TO 爐體設(shè)置泄爆閥，關(guān)鍵位置需要設(shè)置溫度儀表，控制進(jìn)入焚燒室的濃度、監(jiān)控系統(tǒng)的溫度，保護(hù)系統(tǒng)安全與穩(wěn)定。

（4）系統(tǒng)設(shè)備前后需要設(shè)置壓力儀表或者差壓變送器，監(jiān)控設(shè)備阻力信息，提示設(shè)備清灰與日常維護(hù)。關(guān)鍵位置也需設(shè)置壓力儀表與風(fēng)機(jī)連鎖，確保系統(tǒng)煙氣排放順利，并不影響生產(chǎn)車(chē)間運(yùn)行。

結(jié)語(yǔ)

對(duì)于含有硅烷的有機(jī)廢氣建議采用直燃式焚燒爐處理系統(tǒng)，具體優(yōu)勢(shì)如下：

（1）去除效率高，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放：采用TO 處理技術(shù)，在天然氣和沼氣供熱下，設(shè)定爐膛溫度850-900℃、停留時(shí)間1.5s 左右，焚燒系統(tǒng)去除效率均維持在98%以上，滿足排放要求。

（2）抗堵塞能力強(qiáng)：TO 的使用有效地替代了RTO處理方式，SiO2不會(huì)對(duì)TO 爐造成堵塞情況，解決了硅烷氧化產(chǎn)物易于堵塞設(shè)備的問(wèn)題。

（3）余熱回收效率可觀、資源化利用合理：TO 爐出口采用三次熱量回收措施，第一次為預(yù)熱器，回收的熱量直接用于預(yù)熱TO 爐進(jìn)口煙氣，降低供熱燃料消耗；第二次為余熱鍋爐，利用回收的熱量產(chǎn)生飽和蒸汽用于車(chē)間生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)資源化回收與合理化利用；第三次為省煤器，預(yù)熱鍋爐給水，節(jié)省能源消耗。系統(tǒng)多次的余熱回收，保證熱回收效率達(dá)85%以上。

（4）現(xiàn)有能源合理使用：采用沼氣等廠區(qū)現(xiàn)有能源供熱，減少天然氣等能源消耗，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益。