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[原创] 通过氧化等方法控制挥发性有机化合物(VOC)

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本帖最后由 zhengxue 于 2020-1-3 13:48 编辑

挥发性有机化合物(亦指各种挥发性有机化合物、毒性空气污染物和有机蒸汽)控制方法中,去除率通常在95%以上。除了旧限制要求之外(例如,各设施挥发性有机化合物排放量不得超过100吨/年),根据未达标地区空气污染的严重程度和所排放的化合物,某些化合物的排放量也需符合更为严格的限制要求,如10吨/年。除了单行规定外,各州还出台“有害气味”相关规定以进行监管。
非生产性排放亦受到监管,例如来自罐储、阀杆泄漏、泵轴密封等过程排放的有机蒸汽控制。
挥发性有机化合物排放源
许多工艺会产生和排放含有挥发性有机化合物的气体。表1列出了一系列污染源和典型排放控制方法。
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控制方法
挥发性有机化合物的主要控制方法是热氧化、活性炭(和/或沸石)吸附、冷凝和生物过滤器。需要根据以下数据选择正确的控制类型:

Ÿ 挥发性有机化合物的浓度排气流量
Ÿ 粉尘/固体颗粒
Ÿ 工艺循环(连续或间隙)
Ÿ 使用余热的可能性
Ÿ 法规
Ÿ 化学性质(特别是形成酸性气体的硫和氯)
工业挥发性有机化合物的控制方法多以氧化为基础,因此,本文重点介绍氧化控制法。冷凝器等控制方法通常用于控制小量高浓度的挥发性有机化合物(例如,灌装栈桥产生的体积分数为50%的挥发性有机化合物汽油蒸汽)。吸附剂等控制方法适用于控制少量低浓度的挥发性有机化合物(例如,实验室通风口)及可能重新用于工艺的回收溶剂,食品加工业中,广泛应用生物滤清器。
最近,TMTS通过罐储到驳船灌装栈桥用多种通风口的多种控制方法,完成了对于适用于炼油厂最佳可用控制技术(BACT)的分析。虽然人们通常首选火炬/氧化剂/蓄热式焚烧炉等控制方法,但在某些情况下,重新配置储罐(例如,在内部浮顶储罐上增加一个外圆屋顶)具有更好的经济效果。
在沥青/重质石油储罐上使用大气排气冷凝器也有其优点。
总而言之,图1显示了不同类型控制设备基于挥发性有机化合物浓度达到最佳工作状态的条件。如氧化剂选择错误,则会增加燃料使用量和排放量,并提高过热停机的可能性。
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表2显示了四种挥发性有机化合物控制系统的估算设备成本。此成本不包括安装、许可、测试和公用事业费等。
挥发性有机化合物的热破坏
燃烧安全性是挥发性有机化合物处理系统设计的重中之重,并着重考虑设计和操作是否超过或低于25%的爆炸下限(LEL)。根据美国国家防火协会(NFPA)法规要求,以低于该值运行的系统均采用基本控制方法。对于较高浓度的挥发性有机化合物,需要采用密封罐、阻火器和挥发性有机化合物监测器等更强大且精密的控制方法和安全预防措施。UEL系指爆炸上限,介于爆炸下限和爆炸上限之间的混合物在点燃时会燃烧。表3总结了典型挥发性有机化合物的爆炸下限和爆炸上限。此类数值由标准室温条件下空气中混合的挥发性有机化合物得出。热挥发性有机化合物/空气混合物或富氧热挥发性有机化合物/空气混合物大部分介于爆炸下限和爆炸上限之间。

如挥发性有机化合物浓度突然改变,且可燃混合物进入氧化剂时,则会发生爆炸。混合物会通过管道系统闪回,造成设备损坏和损伤。良好的过程和控制设计包括考虑可能的故障模式,特别是电力损耗。该系统应具有自动防故障装置;如果挥发性有机化合物浓度未设计范围内,不得重新启动该系统。美国国家防火协会(NFPA)规范及其它规范提供了相关指导,销售阻火器等设备供应商(参见图2)亦可获得额外的指导。在新鲜空气中启动氧化剂并缓慢过渡到烟气状态是一种较好的设计原则,此举可防止可能积聚在系统中的高挥发性有机化合物浓度气体进入燃烧室。
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热系统利用含挥发性有机化合物和辅助燃料中的热能燃烧排气流中的挥发性有机化合物。氧化剂的选择应与挥发性有机化合物的燃料值相匹配,以防止过热/过热停机,以及对于浓度过低的烟雾使用过量的辅助性燃料,此点很重要。表4列出了选定挥发性有机化合物的温升。与爆炸下限值之间的挥发性有机化合物。根据经验或实践,1%的爆炸下限将在催化剂(或任何氧化剂)上产生25℉的温升,或者对于100%的爆炸下限,其将产生2500℉的温升。
火炬
火炬主要用于处理过程扰动条件下的可燃气体,但对于某些应用情况,火炬是处理持续和常规富集排放的最佳方式。在某些情况下,通常会产生大量的富集气体,并且设施的热量需求超过烟气所释放的热量,则可以通过燃烧锅炉或加热器中的可燃废气并从常规排放物中回收热量。
火炬用于爆炸上限以上的废气,并且可以在边际情况下添加助燃燃料以提供稳定的可燃混合物。可以注入空气或蒸汽以促进与空气的混合并减少裂化、煤烟形成和冒烟。图3显示了一种高架封闭火炬,其优势在于不需要堆栈测试,因为环境保护局(EPA)认为其对有机蒸汽具有98%的破坏效率。
热氧化
在辅助燃料促进下,氧化剂利用挥发性有机化合物使气流的温度上升到能有效破坏有机蒸汽所需的温度。出口处气体温度为>1500℉时,大多数挥发性有机化合物得以清除并达到理想水平。
在火炬中维持燃烧所需的理论火炬温度为2200℉或更高。此点可通将>120英国热量单位(Btu)/立方英尺的空气和挥发性有机化合物的混合物供给在低过量氧气水平下运行的高强度燃烧器加以实现。对于低于此水平的混合物,需要使用辅助燃料,大部分挥发性有机化合物在1-2秒停留时间内通过火炬外部得以清除,且在空气和烟雾混合良好的情况下,可增强燃烧。当气味是主要问题时(污水处理厂、咖啡烘焙机等),氧化剂的温度达到1200~1400℉属于正常情况。直接热氧化剂尤其适用于含有灰尘的污染气流,此类灰尘会堵塞蓄热式焚烧炉,并堵塞及腐蚀回收式热交换器。
蓄热系统(蓄热式焚烧炉)
蓄热氧化器(图5)相比于催化或直接热氧化器具有更高的燃料效率,但其体积更大且更昂贵。挥发性有机化合物–空气混合物通过陶粒流化床(在前一循环中加热)且其温度通常升高到超过1200℉。然后进入氧化室并与小型辅助燃料燃烧器的燃烧产物混合,使得混合物温度升至约1500℉。从该氧化室流出的热废气经过第二个陶粒流化床进入烟囱,将陶瓷材料预热至较高温度。经废气加热后的陶瓷材料在挥发性有机化合物进气口和蓄热室废气管路的双阀反向定位,开始另一个循环。对于气味控制,使用蓄热式焚烧炉时,三室式或装配有“喷射室”的型号是当开关式陶粒流化床阀门转换时防止未经处理的烟气在半秒左右排放的好方法。蓄热装置通常设计用于95%的热回收。可以增加热气旁通,将爆炸下限正常范围3~5%扩展至爆炸下限20~25%,此点需要额外成本。进入的烟雾气流不得含有颗粒和液体。如果可能发生“冷面积聚”(例如喷涂油漆/涂层烟雾,产生清漆等污垢),则应在规范中纳入对烘烤周期的规定。如果烟气中含有有机氯或硫,则需要使用不锈钢外壳防止露点腐蚀。可以将催化层添加到切换床顶部,对于非常微弱的烟雾可减少燃料使用量及降低燃烧室温度。
催化回收氧化剂
该催化剂类似于汽车上使用的催化剂。其可增加反应速率,并使反应在较低的温度下进行,因此,在此情况下可减少辅助燃料的用量。催化氧化剂用于低(25%爆炸下限)浓度的挥发性有机化合物。在催化氧化剂的应用中必须注意防止过热、中毒和污染。对于此种类型以及其它氧化剂,现场检查高温限制热电偶以证明过热停机功能更为有效。
排气和补气设计
大量/低浓度挥发性有机化合物气流的管道系统设计对于正确控制排放、工人健康和工厂安全至关重要。对于油罐区通风口,设计中必须包括垂直伸缩管道(允许空气/烟雾进入,但应防止液体因外溢而进入),以及保护通风口、截留溢流管道,以及在发生罐体过充时关闭通风口系统的控制方法。
需要对挥发性有机化合物蒸汽的排气罩/采集点进行适当的设计,以最大限度地减少烟流量,并采集制造作业所需的热蒸汽。必须根据体积、速度和输送点适当供应补充空气。对于PTE3(永久性全封闭外壳,例如柔性版印刷用外壳),良好的设计可使其具有轻微的负压(通常为0.01-0.1”w.c.;环境保护局规定的最小值为0.007”w.c., 相当于以200英尺/分钟(fpm)通过自然通风口的平均风速),以防止逸散性排放。永久性全密闭室设计优点之一是无需实施“捕获测试”,并且假定捕获率为100%。补充和废气“短路”的不良设计会导致停滞区域的挥发性有机化合物浓度较高,而空气流速高的区域挥发性有机化合物浓度较低。必须采用良好的暖通空调(HVAC)设计原则才能做好工作。
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总结
在节省辅助燃料的同时,为采取经济且安全的控制方式以控制挥发性有机化合物,有必要在项目开始时获得关于烟气流量和浓度的完好数据。设计人员必须了解可能产生酸性气体的成分(如氯和硫),以及可能导致催化剂污染和中毒的含量。通过此类数据选择合适的挥发性有机化合物控制系统,并采用适当的管道系统和排气罩,从而完成设计。




 

发表于 2019-10-11 13:15:07

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发表于 2019-10-12 08:37:26

 

 

 

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