催化燃烧工艺流程(催化剂)

传统的VOCs蓄热催化燃烧装置可以达到蓄热和催化燃烧VOCs的目的，但这种装置存在连续性不完全、电控要求高、制造成本高、占地面积大等缺点。为解决上述问题，开发了连续催化燃烧装置。首先介绍了设备的背景，重点讨论了连续催化燃烧设备的原理、结构和关键结构技术。

1改进VOCs催化燃烧设备的原因

挥发性有机化合物(VOCs)是国家大气污染控制的重要目标。近年来，针对VOC的排放已经发布了许多环境保护标准。目前国内工业VOCs净化行业处于逐渐升温的状态。在有机挥发性废气的催化燃烧设备中，大多数环保企业采用蓄热式催化燃烧装置。该技术方法采用双室、三室或多室蓄热式催化燃烧器，使VOCs气体发生催化氧化反应。产生的热量储存在再生载体中，通过频繁切换阀体(剪切气流管道)达到冷热流体热交换的目的。

蓄热式催化燃烧设备可以实现自给加热，具有良好的应用效果。但设备本身也存在一些缺点，如运行不能完全连续、设备制造成本高、设备使用时体积占用大、安装调试时对电气控制要求高等。因此，有必要设计一种操作简单、连续运行、效率高、成本低的一体化VOCs废气净化设备。

2改进的VOCs连续催化燃烧设备

根据生产和施工经验，我公司改进了工艺设备。改进后的设备简图如图1所示。其结构包括以下几个部分:①有机废气的进气管和出气管；②废气入口浓度检测控制器和催化剂床入口温度检测控制器；③废气热交换器、电加热棒、处理器上盖板、气流挡板；④催化剂床和催化剂支撑板。

改进的催化燃烧器可以连续运行。有机废气的入口(冷空气)和出口(热空气)穿过废气热交换器的入口和出口，冷端流体和热端流体在热交换器中连续交换。利用传热特性，热流体的热量通过壁面传热和对流传热的过程传递给冷流体。热交换器废气冷端的出口气体经过电加热棒的区域，加热含有VOCs的废气；被加热的废气将穿过气流挡板，沿压力梯度进入催化剂床层，废气在VOCs催化剂表面进行催化氧化，可以在较低的温度下实现废气的催化燃烧，释放氧化反应热。气流沿催化剂宏观通道流动，经过支撑板后进入废气换热器，与冷流体间接接触换热，从废气换热器热侧出口流出，完成最终排出。

新型VOCs连续催化燃烧设备技术分析

3.1废气换热器的技术分析

废气换热器的结构设计是该装置的第一个关键点，直接影响设备运行的稳定性和处理效率。在设计、安装和调试中应考虑以下因素。

(1)气体流量和操作成本。气流的湍动程度越高，传热效率越高。湍流的增加意味着运行成本也会增加。在设计过程中，不仅要考虑运行效果，还要考虑设备制造成本和运行成本，因此需要对换热器的流态进行优化。

(2)换热器内部结构和材料的选择。换热器管壁两侧为气相流体，进出口气量基本接近。根据换热器的传热计算公式，为了提高换热效率，需要提高两侧气体的传热系数。在实际应用中，在换热管内外安装耐热翅片会明显增加换热效果。此外，热交换器的入口侧和出口侧分别处于高温和低温，气体温差大，对材料的抗热应力能力要求高。因此，在制造中需要使用耐热应力材料。

(3)换热器的布置和运行稳定性。至于热交换器的总体布置，一般来说，是垂直布置还是水平布置。在本设计中，为了节省设备的占地面积，换热器相对于水平方向呈45度布置。但需要注意的是，进出气流会对换热器管壁产生冲洗力和卸荷力，两种冲洗力和卸荷力共同作用在换热器上，形成扭矩，对换热器的稳定运行影响很大。因此，必须将热交换器的四个角和侧壁焊接牢固。

(4)密封。入口气体含有一定浓度的VOCs，而出口气体基本不含VOCs。如果换热器没有密封，就会出现“窜气”现象，导致设备出口气体达不到排放标准。为此，换热器的冷端入口与换热器的气体入口、热端出口与设备出口用金属直角挡板密封焊接。

3.2电加热器区域结构技术分析

电加热器的结构设计会影响后续的催化燃烧过程，这是装置设计的第二个重点。气体加热后进入催化剂床层，对气体流量和温度的要求较高，具体如下:一是气体温度要均匀。如果存在温差，加热的气体将进入催化剂床层进行反应，导致催化剂床层温度不均匀。催化氧化是放热反应，然后床层温度更有可能超过设计温度，影响催化剂的使用寿命。其次，气流尽可能均匀。对于催化剂来说，理想的情况是催化剂的每个活性位点都能与VOCs分子接触并反应相同的停留时间。如果流动状态不均匀，VOCs分子的停留时间也会不同，从而影响催化剂的效率和成本。

在该方案中，加热区域位于热交换器和隔离板之间，形成“梯形”结构。换热器的出口气流会与设备壁面发生碰撞，造成部分能量损失，气流不均匀。所以在设计中必须考虑保证气体循环均匀，加热均匀。

为了达到上述目的，该方案要求在“梯形”区域下部的加热区域加热功率要低，并设置不均匀的金属网，在设备壁附近设置小孔(孔径与整体式催化剂接近)，以增加部分阻力，抵抗拐角气流，甚至气流的冲击。挡板附近的网格上有一个大孔，便于气流正常通过。另外，加热棒之间插有大孔径的金属网块。一方面，加热棒表面会产生高温热辐射，辐射到金属网块表面，从而加速金属网块的加热过程。另外，金属网块会快速导热，扩大加热范围，增加气固传热接触面积。但在实际制造中，需要在加热棒和网块之间进行绝缘处理，或者在加热棒外面套一个屏蔽，防止接触和传导。经测试，当气体体积为3000m3/h时，气体出口测温截面点的温差为5%，整个加热区域的气体阻力约为30~50Pa，气体流动均匀性良好。

3.3催化燃烧催化剂的技术分析

催化剂中气流的相关状态和要求已在上文(2)中部分介绍。除上述内容外，在催化剂的设计和改性中还应考虑以下重要环节。

(1)要处理的废气量应该减少。如果废气量增加，要达到规定的去除率，需要增加催化剂的量，同时保持催化剂的去除能力不变。但目前效果好的催化燃烧催化剂单价(元/m3)都在10万元以上，会增加设备成本。在实际操作中，可以先对废气中的VOCs进行浓缩预处理(浓缩操作需要低于爆炸极限)，再通过解吸操作进行解吸(解吸浓度也需要低于爆炸极限)，以降低装置的投资成本和操作。

(2)在计算催化剂用量时，应综合考虑催化剂类型、VOCs组成、反应温度等因素，而不是只参考一个因素。

(3)催化剂的选择应该严谨。比如催化剂对含卤素气体的要求较高，要先对废气进行预处理，但这样会大大增加处理成本，所以要经过工艺优化和综合成本计算后才能确定催化剂。对于可能引起催化剂中毒的物质，需要提前清除中毒物质。

(4)催化剂使用过程中，应保持表面清洁，即定期清洗催化剂。可用压缩空气体、过热蒸汽、清洁剂等清洗。当废气中含有少量有机颗粒时，不完全燃烧容易导致催化剂表面积碳，堵塞催化剂的活性位，降低催化剂的使用效率。此时通入高温蒸汽可以通过重整反应除去积碳，积碳会降低催化剂的活性。

(5)至于催化剂的材料，最好选择导热系数高的材料，如整体式催化剂采用铝金属基(如图2)。由于其高导热性，加热后的气体通过金属催化剂床层，催化剂的活性组分可以被快速点燃，催化效率高。经测试，在装置实际调试运行过程中，催化剂的点火时间可缩短50%~60%(与堇青石整体式蜂窝催化剂相比)。此外，金属材料的储热能力较低，使得催化剂出口气体的温度会有一定程度的提高，在一定程度上可以更好地回收热量。

(6)催化剂的装填也会影响气流分布和催化剂床层温度分布。装填时应考虑催化剂的致密性，要求装填均匀，紧密一致，无空间隙，催化剂床层侧壁保温。多孔耐高温棉可以适当添加在整体催化剂层与催化剂床的夹层和边缘之间，不仅可以避免由于夹层孔道错位、边缘空间隙和壁面效应引起的气体流动不均匀而产生的气窜和短流现象，而且在侧壁添加耐高温棉后，还可以对设备起到一定的保温作用。另外，装填前需要对整个催化剂进行测试，测试结果需要符合相关测试标准。

蜂窝通道的截面形状、孔径和孔密度等参数的设计也非常重要，它关系到气体阻力、气体流动均匀性、气体停留时间和转化效率等重要参数。孔径越小，气阻越大，停留时间越短，转化效率越低，但废气处理量越大。

综上所述，与传统蓄热式RCO相比，改造后的连续催化燃烧器具有占地面积小、连续运行、电气控制要求低等优点。由于设备的详细结构较多，本文从流体动力学工程、催化工程和传热学工程的角度对重要的废热交换器、加热结构和催化燃烧催化剂技术进行了粗浅的分析。可见，在细节设计中，工艺因素需要优化，不仅要考虑设备的高效运行，还要考虑制造企业的生产成本和实施企业的实际运营成本。在科技飞速发展的今天，我们可以利用现代计算机技术进行辅助仿真设计，优化设备参数，在一定程度上可以节省时间，提高优化效果。