技術(shù)解析 | 催化燃燒法在VOCs治理應(yīng)用中的安全問
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。
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]?;厥招蕴幚硪蚱浼夹g(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。
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炭起火的現(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.活性炭起火現(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。
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。
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幚鞻OCs 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。