蓄热焚烧/蓄热催化氧化焚烧双模式处理VOCs技术在工程实践中的应用研究

摘要：焚烧法作为综合性能优越的处理挥发性有机化合物(VOCs)技术,在目前国内VOCs治理形势严峻的背景下得到广泛应用。蓄热催化氧化焚烧(RCO)因其先进的工艺技术,性能、经济指标均优于其他焚烧处理方式。通过数值模拟计算,比较了燃烧器改造前与改造后炉内温度场分布情况,得出在燃烧器出口增设护火筒,并在护火筒上开一定数量规格的圆孔,可以解决前期实际工程案例中出现的催化剂高温中毒问题,并在后续工程案例中得以成功应用。设计阶段炉体设计参数按照蓄热焚烧炉(RTO)进行,可以实现在使用中RTO/RCO双模式切换,以达到不因为新技术应用风险影响上游装置正常运行的目的。

随着经济快速发展，环境承受力日益削弱，滋生出一系列诸如光化学烟雾、酸雨、雾霾等环境污染问题。工业领域中大多数装置运行时会无组织排放一些挥发性有机化合物(VolatileOrganicCom.pounds，VOCs)，对人类、环境带来直接或间接的有害影响，例如感官刺激、黏膜刺激、致癌、光化学烟雾、臭氧层破坏等，并且表现出日益严重的态势。因此，对VOCs的治理已在国内全面展开。

目前国内治理VOCs的方法主要包括焚烧法、膜分离法、吸附法、等离子体法、生物处理法等。其中焚烧法具有适应性强、处理效率高、投入成本低等优点，被广泛应用于各排放行业。国内技术已成熟的焚烧法包括直燃焚烧(ThermalOxidizer，TO)、催化氧化焚烧(CatalyticOxidizer，CO)、蓄热焚烧(RegenerativeThermalOxidizer，RTO)，根据实际工业应用时的废气量、废气中有机污染物浓度以及废气中杂质对处理方式的影响等因素，选择不同的焚烧方式处理。

一种基于催化氧化焚烧与蓄热焚烧的新型处理方法———蓄热催化氧化焚烧(RegenerativeCatalyticOxidizer，RCO)，综合了催化氧化焚烧法催化氧化反应温度低与蓄热焚烧法蓄热式回收热能等优势，相对催化氧化焚烧法以及蓄热焚烧法具有启炉速度快、反应温度低、节能效果好等特点。传统二塔RTO因存在废气短路现象无法实现较高的VOCs去除率，改进后的三塔RTO增加了反吹环节，能够避免废气短路。三塔RCO同样可以避免废气短路现象，并可以在低浓度有机废气条件下与三塔RTO在同一设备上实现双模式切换运行，2种模式均可满足处理后烟气达标排放。双模式切换运行相对于RTO单一模式运行可以避免因催化剂失效而带来连续停炉事故，在催化剂失效后可以通过调整局部结构在较短时间内应用RTO模式运行，以保证废气连续处理过程不受影响。

1蓄热焚烧与蓄热催化氧化焚烧流程

三塔RCO与三塔RTO整体流程相似，不同之处在于是否填装催化剂以及运行温度水平(RCO运行温度250～350℃;RTO运行温度850～900℃)，三塔RTO在每个蓄热室的蓄热体上部填装催化剂即转换为三塔RCO。RCO系统见图1。

初始状态废气从A室进入，催化氧化处理后通过B室排出，同时C室执行反吹动作;在一个切换周期后，废气从B室进入，催化氧化处理后通过C室排出，同时A室执行反吹动作;在下一个切换周期后，废气从C室进入，催化氧化处理后通过A室排出，同时B室执行反吹动作;下一个切换周期后循环至初始状态。催化剂床层布置于蓄热体床层上部，并通过格栅板与蓄热体分层，留有空间监测催化剂入口处温度;燃烧器布置于顶部炉膛侧墙中间位置;在蓄热催化氧化炉内部设置3组(共9支)热电偶，分别监测蓄热室底部温度、催化剂入口处温度、炉膛温度，炉膛温度参与控制、联锁，催化剂入口处温度参与联锁，在温度达到催化剂中毒温度前联锁停车。

在催化剂中毒失效或达到使用寿命失效后，将催化剂以及催化剂支撑取出并局部重新保温后即可实现从RCO切换到RTO模式运行。

2工程应用实例

20万t/aEO装置生产过程中会产生一股CO2废气，废气量8820m3/h，其中含有微量的有机污染物，非甲烷总烃质量浓度理论数据为250mg/m3，直接排放无法满足GB31571—2015《石油化学工业污染物排放标准》中对非甲烷总烃的排放要求。针对该股废气，在工程实践案例中选用蓄热催化氧化焚烧(RCO)炉型对其进行处理。选用美国Maxon专业燃烧器厂商Kinemax系列3G烧嘴用于初期升温以及运行过程中的补燃;选用陶瓷载体贵金属催化剂，提高反应速率，并在更短的停留时间内发生无焰燃烧反应。理论运行温度250～300℃，运行温度低意味着未给NOx的生成提供条件，不会因焚烧处理VOCs带来二次污染。该蓄热催化氧化炉其他设计参数均按照850℃进行，包括衬里材料以及衬里厚度的选型、蓄热体填充量的计算、炉膛容积的校核等。在催化剂达到使用寿命后，可以局部调整氧化炉内部结构，切换至RTO模式运行，包括催化剂及其支撑结构的拆除、燃烧器出口处护火筒的拆除等。

国内近几年应用RCO方式处理VOCs中出现的主要问题是由于燃烧器处火焰对催化剂的直接辐射导致催化剂容易超温中毒失效。前期经过多方考察讨论，通过数值模拟计算，得到了造成该短板的主要原因。由于三塔蓄热炉处理小风量废气时受功率的限制，只能布置单台燃烧器，考虑炉膛温度场均匀分布，燃烧器需布置于炉膛侧墙中间位置。该结构导致中间蓄热室内催化剂上方受火焰直接热辐射作用，一段时间后催化剂局部超温中毒，致其失效，造成工程应用失败。针对上述失败原因，在设计过程中，调整燃烧器出口结构并结合数值模拟结果，在燃烧器出口处增设护火筒，有助于阻隔火焰对催化剂的直接热辐射作用。燃烧器出口处增设护火筒的结构见图2。

数值模拟结果显示，使用整体护火筒时，因筒内局部温度偏高，会造成护火筒选材困难;在护火筒顶部80°范围内开设一定数量规格的圆孔有助于高温火焰扩散，降低筒内局部温度，既可以阻隔火焰的直接热辐射，同时护火筒的选材使用310不锈钢即可满足要求。2种结构护火筒的数值模拟结果见图3、图4。

对比图3和图4的温度分布可见：不开孔的护火筒内壁温度约1300K，比开孔的护火筒内壁温度(1100K)高约200K。产生上述温度差异的原因主要是在开孔的情况下，护火筒内的高温气体(约2000K)可通过护火筒上的小孔直接与炉膛内的烟气进行换热;而在不开孔的情况下，护火筒内的高温气体先与护火筒进行换热后，再经由护火筒与炉膛内的烟气进行换热，其换热速率明显低于开孔情况。因此，在选材上开孔的护火筒要求更低，且使用寿命更长，其设计更优。

护火筒开孔后的三维效果见图5。

3运行参数

实际运行过程中RCO炉内温度参数见表1。

由表1可见：3个温度取中间值即依次为53.3，254.3，285.0℃。从炉内实际温度场可以看出，废气在进蓄热体前温度为53.3℃，经过其中一个蓄热室的蓄热体后预热到254.3℃，比催化起始反应温度250℃高，进入催化剂床层开始无焰燃烧，温度升高至285℃，再经过另一个蓄热室的催化剂床层完全催化氧化处理并达标排放。实际运行结果为入炉废气温度41.3℃，排烟温度72.8℃，与蓄热体理论计算结果吻合。投入废气连续运行168h后，经环保部门取样监测，非甲烷总烃入口质量浓度为208mg/m3，焚烧处理后在烟囱取样口监测出口质量浓度为0.14mg/m3，非甲烷总烃去除率达到99%以上，未监测出NOx，满足GB31571—2015《石油化学工业污染物排放标准》中各项指标要求。

4结论

1)RCO焚烧处理方式综合了催化氧化焚烧法催化氧化反应温度低与蓄热焚烧法蓄热式回收热能等优势，具有启炉速度快、反应温度低、节能效果好等特点。

2)在燃烧器出口处增设护火筒，并在护火筒顶部80°范围内开一定数量规格的圆孔可以避免催化剂超温中毒失效，并能够实现连续稳定运行。

3)衬里材料以及衬里厚度的选型、蓄热体填充量的计算、炉膛容积的校核等均根据RTO参数设计，可以在局部调整内部结构后，实现一台炉子双模式切换运行。