催化燃燒法在 VOCs 治理應(yīng)用中的安全問題及防范
本文針對(duì)催化燃燒法處理VOCs的過程中存在的活性炭吸附—脫附—催化燃燒法中活性碳起火的現(xiàn)象、催化氧化爐爆炸問題、整個(gè)催化燃燒治理裝置起火爆炸問題等安全隱患，提出相應(yīng)解決方案。
VOCs（揮發(fā)性有機(jī)化合物） 是指在常壓下沸點(diǎn)在50~260 ℃、常溫下飽和蒸汽壓大于 133.32 Pa的有機(jī)化合物， 或者在常溫常壓下任何能揮發(fā)的有機(jī)液體和固體[1]。VOCs 類目復(fù)雜，主要包含烯烴、烷烴、醇類、芳香烴、芳烴類、醛類、鹵代烴等，主要產(chǎn)生于制藥、制鞋、石油煉化和噴漆等行業(yè)[2]。某些VOCs對(duì)臭氧層有破壞作用，如含氫氯氟烴 (HCFCls)和氯氟烴 (CFCs)；VOCs 也是形成霧霾的重要前物，是有毒有害氣體的重要來源，環(huán)保部已將其列為細(xì)顆粒物之外大的空氣污染元兇[3]。隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，VOCs 引起的健康與環(huán)境問題引來越來越多的關(guān)注，VOCs的處理也已迫在眉睫。
一、 催化燃燒法在VOCs治理中的重要地位
VOCs 治理有較多措施， 其治理方法包括源頭減量、中間控制和末端處理等[4]。目前，我國(guó)以末端治理為主。末端治理技術(shù)一般分為破壞性處理和回收性處理。破壞性處理主要包括催化燃燒法和焚燒處理法?；厥招蕴幚戆ㄎ辗?、冷凝法、吸附法和膜分離法等[5]。回收性處理因其技術(shù)手段還不成熟，成本較高，目前沒有大規(guī)模應(yīng)用。焚燒法是直接將 VOCs 通入焚燒爐中，在爐內(nèi)充分燃燒，產(chǎn)生二氧化碳和水[6]。該方法成本較低，運(yùn)用范圍較廣，技術(shù)線路也比較成熟。
催化燃燒法是在廢氣燃燒的時(shí)候加入某種催化劑，降低 VOCs 的燃點(diǎn), 使 VOCs 能夠充分燃燒, 終生成二氧化碳和水，實(shí)現(xiàn)直排。當(dāng)前常用催化劑種類有 Cu、Fe、Ti 等非貴金屬與 Pd、Au、Pt等貴金屬兩大類。焚燒處理法和催化燃燒法在 VOCs 治理中占據(jù)核心地位，因其分解氧化徹底、治理效率高而得到廣泛應(yīng)用，其中催化燃燒法因無明火、節(jié)能、氧化溫度低而得到廣泛應(yīng)用。
催化燃燒是一種涉及氣—固兩相的化學(xué)反應(yīng)，其本質(zhì)機(jī)理為在有活性氧參與的條件下發(fā)生的深度氧化反應(yīng)[7]。在反應(yīng)過程中，加入催化劑可以顯著降低反應(yīng)所需的活化能，VOCs 富集在催化劑表面，在較低燃燒溫度下發(fā)生無焰燃燒，終分解為二氧化碳和水，同時(shí)釋放出大量的熱。其化學(xué)反應(yīng)方程式如下：
CnHm+ (n+m/4) O2→ n CO2+m/2 H2O + 能量
在催化劑的作用下，VOCs 可以在較低溫度下充分燃燒，生成二氧化碳和水，去除率高達(dá) 90%。催化燃燒法具有能耗低、運(yùn)行可靠穩(wěn)定、無二次污染等突出優(yōu)點(diǎn)，在歐美國(guó)家已得到廣泛推廣應(yīng)用。在我國(guó)，催化燃燒法也是處理 VOCs 的主要手段，其應(yīng)用比例約為 55%。目前，催化燃燒法已經(jīng)成為處理 VOCs 的主流。
二、催化燃燒法的常見安全問題及防范措施
催化燃燒法處理 VOCs 的過程中， 存在如下幾種安全隱患：活性炭吸附—脫附—催化燃燒法中有活性碳起火的現(xiàn)象、催化氧化爐爆炸問題、整個(gè)催化燃燒治理裝置起火爆炸問題。
1.活性碳起火現(xiàn)象及防范措施在前期的 VOCs 富集過程中， 由于活性炭著火點(diǎn)較低而脫附溫度過高，當(dāng)對(duì)吸附飽和的活性炭進(jìn)行脫附處理時(shí)，會(huì)由于脫附箱體內(nèi)溫度過高導(dǎo)致活性炭著火。解決該問題可以從兩個(gè)方面著手：一是采用著火點(diǎn)高的活性炭；二是嚴(yán)格控制脫附溫度，使其遠(yuǎn)低于活性炭著火點(diǎn)。因此可采取如下措施：嚴(yán)格控制脫附溫度，選擇質(zhì)量好的脫附溫度傳感器，盡可能在活性炭吸附箱合適位置安裝兩個(gè)溫度傳感器；在 PLC 編程中加入脫附溫度超溫時(shí)停止脫附程序；同時(shí)要防患于未然，在活性炭吸附箱上方增加消防水管并連結(jié)煙氣報(bào)警及自動(dòng)噴淋裝置，以防意外失火。
2.催化氧化爐爆炸問題及防范措施在處理高濃度 VOCs 時(shí)，由于爐內(nèi)含有大量氧氣，當(dāng)廢氣濃度達(dá)到廢氣組份中大部分有機(jī)廢氣的爆炸極限時(shí)，就會(huì)有爆炸的危險(xiǎn)。 因此，要時(shí)刻監(jiān)測(cè)爐內(nèi) VOCs濃度， 在進(jìn)入催化氧化爐的廢氣管道上安裝濃度稀釋裝置，將高濃度廢氣稀釋到爆炸極限下。 同時(shí)在催化氧化爐上增加壓力排氣閥，在壓力過高時(shí)自動(dòng)打開閥門進(jìn)行減壓排氣，以防爐內(nèi)溫度壓力過高引起爆炸（因廢氣在熱氧化過程中迅速釋放大量熱能導(dǎo)致爐內(nèi)熱空氣壓力過大）。
3.整個(gè)催化燃燒治理裝置起火爆炸及防范措施整個(gè)催化燃燒治理裝置起火爆炸多發(fā)生在只有一套吸附裝置的系統(tǒng)中，因管道壁及設(shè)備內(nèi)聚集大量高濃度有機(jī)廢氣顆粒物，管道風(fēng)閥閉會(huì)間隙過大，在脫附催化燃燒過程中沒有停止生產(chǎn)， 車間進(jìn)氣閥不能關(guān)閉，整個(gè)管路是全通的，此時(shí)脫附催化燃燒極可能在高溫作用下引起整個(gè)系統(tǒng)起火爆炸。 針對(duì)上述情況應(yīng)該采取如下措施：安裝高質(zhì)量風(fēng)閥，經(jīng)常檢查漏氣情況，單套吸附的裝置系統(tǒng)中在脫附催化燃燒過程中應(yīng)停產(chǎn)處理等。
三、催化燃燒法的整體安全措施
使用催化燃燒法應(yīng)嚴(yán)格按工程技術(shù)規(guī)范進(jìn)行消防措施處理，工程裝置應(yīng)盡可能地放置在室外，并且按安全生產(chǎn)規(guī)范要求留足安全距離及設(shè)置安全防護(hù)欄和相關(guān)顏色，氣流走向，閥門開關(guān)方向，電源標(biāo)識(shí)，操作規(guī)范等安全警示措施。
四、結(jié)論
隨著工業(yè)化與現(xiàn)代化的持續(xù)發(fā)展和不斷提升，VOCs引起的健康與環(huán)境問題將引起越來越多的關(guān)注，VOCs的處理也已迫在眉睫。 催化燃燒因其催化效率高、能耗低等優(yōu)點(diǎn)具有更加廣闊的運(yùn)用前景，并將逐漸成為主要的處理 VOCs 的方法之一。 但我們?cè)谑褂么呋紵ㄌ幚?nbsp;VOCs 時(shí)，仍要時(shí)刻注意可能引發(fā)的安全問題，防微杜漸，從源頭上把危險(xiǎn)解決掉。
VOCs（揮發(fā)性有機(jī)化合物） 是指在常壓下沸點(diǎn)在50~260 ℃、常溫下飽和蒸汽壓大于 133.32 Pa的有機(jī)化合物， 或者在常溫常壓下任何能揮發(fā)的有機(jī)液體和固體[1]。VOCs 類目復(fù)雜，主要包含烯烴、烷烴、醇類、芳香烴、芳烴類、醛類、鹵代烴等，主要產(chǎn)生于制藥、制鞋、石油煉化和噴漆等行業(yè)[2]。某些VOCs對(duì)臭氧層有破壞作用，如含氫氯氟烴 (HCFCls)和氯氟烴 (CFCs)；VOCs 也是形成霧霾的重要前物，是有毒有害氣體的重要來源，環(huán)保部已將其列為細(xì)顆粒物之外大的空氣污染元兇[3]。隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，VOCs 引起的健康與環(huán)境問題引來越來越多的關(guān)注，VOCs的處理也已迫在眉睫。
一、 催化燃燒法在VOCs治理中的重要地位
VOCs 治理有較多措施， 其治理方法包括源頭減量、中間控制和末端處理等[4]。目前，我國(guó)以末端治理為主。末端治理技術(shù)一般分為破壞性處理和回收性處理。破壞性處理主要包括催化燃燒法和焚燒處理法?；厥招蕴幚戆ㄎ辗?、冷凝法、吸附法和膜分離法等[5]。回收性處理因其技術(shù)手段還不成熟，成本較高，目前沒有大規(guī)模應(yīng)用。焚燒法是直接將 VOCs 通入焚燒爐中，在爐內(nèi)充分燃燒，產(chǎn)生二氧化碳和水[6]。該方法成本較低，運(yùn)用范圍較廣，技術(shù)線路也比較成熟。
催化燃燒法是在廢氣燃燒的時(shí)候加入某種催化劑，降低 VOCs 的燃點(diǎn), 使 VOCs 能夠充分燃燒, 終生成二氧化碳和水，實(shí)現(xiàn)直排。當(dāng)前常用催化劑種類有 Cu、Fe、Ti 等非貴金屬與 Pd、Au、Pt等貴金屬兩大類。焚燒處理法和催化燃燒法在 VOCs 治理中占據(jù)核心地位，因其分解氧化徹底、治理效率高而得到廣泛應(yīng)用，其中催化燃燒法因無明火、節(jié)能、氧化溫度低而得到廣泛應(yīng)用。
催化燃燒是一種涉及氣—固兩相的化學(xué)反應(yīng)，其本質(zhì)機(jī)理為在有活性氧參與的條件下發(fā)生的深度氧化反應(yīng)[7]。在反應(yīng)過程中，加入催化劑可以顯著降低反應(yīng)所需的活化能，VOCs 富集在催化劑表面，在較低燃燒溫度下發(fā)生無焰燃燒，終分解為二氧化碳和水，同時(shí)釋放出大量的熱。其化學(xué)反應(yīng)方程式如下：
CnHm+ (n+m/4) O2→ n CO2+m/2 H2O + 能量
在催化劑的作用下，VOCs 可以在較低溫度下充分燃燒，生成二氧化碳和水，去除率高達(dá) 90%。催化燃燒法具有能耗低、運(yùn)行可靠穩(wěn)定、無二次污染等突出優(yōu)點(diǎn)，在歐美國(guó)家已得到廣泛推廣應(yīng)用。在我國(guó)，催化燃燒法也是處理 VOCs 的主要手段，其應(yīng)用比例約為 55%。目前，催化燃燒法已經(jīng)成為處理 VOCs 的主流。
二、催化燃燒法的常見安全問題及防范措施
催化燃燒法處理 VOCs 的過程中， 存在如下幾種安全隱患：活性炭吸附—脫附—催化燃燒法中有活性碳起火的現(xiàn)象、催化氧化爐爆炸問題、整個(gè)催化燃燒治理裝置起火爆炸問題。
1.活性碳起火現(xiàn)象及防范措施在前期的 VOCs 富集過程中， 由于活性炭著火點(diǎn)較低而脫附溫度過高，當(dāng)對(duì)吸附飽和的活性炭進(jìn)行脫附處理時(shí)，會(huì)由于脫附箱體內(nèi)溫度過高導(dǎo)致活性炭著火。解決該問題可以從兩個(gè)方面著手：一是采用著火點(diǎn)高的活性炭；二是嚴(yán)格控制脫附溫度，使其遠(yuǎn)低于活性炭著火點(diǎn)。因此可采取如下措施：嚴(yán)格控制脫附溫度，選擇質(zhì)量好的脫附溫度傳感器，盡可能在活性炭吸附箱合適位置安裝兩個(gè)溫度傳感器；在 PLC 編程中加入脫附溫度超溫時(shí)停止脫附程序；同時(shí)要防患于未然，在活性炭吸附箱上方增加消防水管并連結(jié)煙氣報(bào)警及自動(dòng)噴淋裝置，以防意外失火。
2.催化氧化爐爆炸問題及防范措施在處理高濃度 VOCs 時(shí)，由于爐內(nèi)含有大量氧氣，當(dāng)廢氣濃度達(dá)到廢氣組份中大部分有機(jī)廢氣的爆炸極限時(shí)，就會(huì)有爆炸的危險(xiǎn)。 因此，要時(shí)刻監(jiān)測(cè)爐內(nèi) VOCs濃度， 在進(jìn)入催化氧化爐的廢氣管道上安裝濃度稀釋裝置，將高濃度廢氣稀釋到爆炸極限下。 同時(shí)在催化氧化爐上增加壓力排氣閥，在壓力過高時(shí)自動(dòng)打開閥門進(jìn)行減壓排氣，以防爐內(nèi)溫度壓力過高引起爆炸（因廢氣在熱氧化過程中迅速釋放大量熱能導(dǎo)致爐內(nèi)熱空氣壓力過大）。
3.整個(gè)催化燃燒治理裝置起火爆炸及防范措施整個(gè)催化燃燒治理裝置起火爆炸多發(fā)生在只有一套吸附裝置的系統(tǒng)中，因管道壁及設(shè)備內(nèi)聚集大量高濃度有機(jī)廢氣顆粒物，管道風(fēng)閥閉會(huì)間隙過大，在脫附催化燃燒過程中沒有停止生產(chǎn)， 車間進(jìn)氣閥不能關(guān)閉，整個(gè)管路是全通的，此時(shí)脫附催化燃燒極可能在高溫作用下引起整個(gè)系統(tǒng)起火爆炸。 針對(duì)上述情況應(yīng)該采取如下措施：安裝高質(zhì)量風(fēng)閥，經(jīng)常檢查漏氣情況，單套吸附的裝置系統(tǒng)中在脫附催化燃燒過程中應(yīng)停產(chǎn)處理等。
三、催化燃燒法的整體安全措施
使用催化燃燒法應(yīng)嚴(yán)格按工程技術(shù)規(guī)范進(jìn)行消防措施處理，工程裝置應(yīng)盡可能地放置在室外，并且按安全生產(chǎn)規(guī)范要求留足安全距離及設(shè)置安全防護(hù)欄和相關(guān)顏色，氣流走向，閥門開關(guān)方向，電源標(biāo)識(shí)，操作規(guī)范等安全警示措施。
四、結(jié)論
隨著工業(yè)化與現(xiàn)代化的持續(xù)發(fā)展和不斷提升，VOCs引起的健康與環(huán)境問題將引起越來越多的關(guān)注，VOCs的處理也已迫在眉睫。 催化燃燒因其催化效率高、能耗低等優(yōu)點(diǎn)具有更加廣闊的運(yùn)用前景，并將逐漸成為主要的處理 VOCs 的方法之一。 但我們?cè)谑褂么呋紵ㄌ幚?nbsp;VOCs 時(shí)，仍要時(shí)刻注意可能引發(fā)的安全問題，防微杜漸，從源頭上把危險(xiǎn)解決掉。
