VOCs系统运行调试的经验浅析

胡晓元

摘要：工业的快速发展带来的大气污染状况不容乐观,尤其是有机废气污染。随着国家对大气环境污染越来越重视,各项管控措施和管控要求日益严苛，相关的环保产业也随之不断壮大和发展，本文针对炼油芳烃工厂的储运罐区各类油品储罐呼吸废气的治理系统在运行中碰到的问题进行针对性的优化，使系统达到安、稳、长、优运行；本文主要介绍的处理装置工艺结构为：活性炭吸附+真空脱附+油品吸收+催化氧化。

关键词：VOC VOCs CO 催化氧化 吸附脱附 自动控温技术应用 活性炭 柴油吸收

1. 实际运行中存在的一些技术壁垒和解决思路

根据公司罐区VOCs排放特点（中低浓度、大流量），结合以上成熟的处理方案，最终选择了活性炭吸附+真空脱附+油品吸收+催化氧化耦合处理工艺结构，处理系统总体包括4套预处理装置和一套CO装置，处理的VOCs介质包括：烯烃、烷烃和芳烃三大类。

1. 1. 吸附脱附单元

      1. 运行中遇到的问题

活性炭吸附系统，存在易吸附饱和、难解析、工作周期短，且无法在线进行热氮深度解析，不能满足生产与环保长周期稳定运行要求。

1. 1. 2. 解决思路

1. 脱附的工作原理：吸附质从吸附剂表面脱附的根本原因是，吸附质分子必须克服吸附剂表面对它的引力，增大其脱离表面的推动力。

2. 脱附的方法：升温、降压、吹扫、置换和化学转化脱附法。

3. 探索过程：实际运行经验总结，通过单一的脱附工艺很难快速有效的对已饱和活性炭床层进行脱附，无法达到环保装置连续在线运行的需求；其次由于下游有配置催化氧化装置，对于脱附的手段就有所限定，在已有的5种脱附方法中我们采用降压、吹扫、置换三种组合脱附。①、降压的作用在于降低压强也就是降低吸附质分子在气相中的分压，以增大吸附质分子由固体表面逸出的推动力，从而使吸附质分子从固相转入气相，达到脱附的目的；同时在同样的的环境温度下，减压后可以达到很高的相对常压温度，结合“减压/常压温度对照表”可以看出常温20℃将压力降低至3Kpa，则相当于减压温度约120℃（温度越高则分子动能也越大，更加活跃故更易于脱附）；②、吹扫脱附的原理与降压脱附相类似，也是降低吸附质在气相中的分压，使吸附质脱附，但在实际调试过程中可见吹扫在降压的基础上会有极佳的效果，在脱附干燥过程绝压维持在2-9kpa之间注入氮气进行吹扫，明显可见大量的蒸汽被脱附出来。③、置换脱附是采用在脱附条件下与吸附剂亲和能力比原吸附质更强的物质，将原吸附质置换下来的方法；此处采用氮气在减压条件下以脉冲的方式注入达到置换效果。

4. 应用改善情况：将三种脱附方式以计算机逻辑语言编译到吸附、脱附的程序中，DCS系统按照既定的逻辑参数精准控制，操作人员可根据气量、气温等环节变量灵活的对参数加以调整；经过脱附方式的叠加使用，预处理得到明显改善，能够在线吸附、脱附切换，达到了长周期的生产需求。

1. 1. 催化氧化单元

      1. 运行中遇到的问题

1. 催化剂的装填量不足及装填细节处理。

2. 温度控制精度不足，自动化程度不高（需要人为干预）。

3. 容易飞温

4. 小分子烷烃类（甲烷、乙烷）处理效率低。

1. 1. 1. 解决思路

1. 催化剂的定义：VOCs 催化氧化的催化剂和所有的催化剂定义一样，是在给定的条件反应下，降低活化能量，并且自身没有消耗。

本装置采用催化剂是名字为Envicat® 2520 CH 型的蜂窝块状催化剂采用耐高温、高比表面的y-氧化铝以及高负载涂覆铂金或铂钯混合双系，以堇青石陶瓷蜂窝为载体，专用于氧化各种挥发性有机化合物和一氧化碳的催化剂。【2】

2. 催

   催化剂装填实例

   化剂的用量和装填：催化剂的用量需要严格按照催化剂设计的空速为基础来进行计算，计算公式为：装填量=设计处理风量÷空速；除装填量需要特别注意外，还有一个重中之重就是装填时的缝隙处理，避免气流旁路的产生，所有催化剂块装填必须紧密排列，缝隙用防火耐热裁量压实填充

3. CO反应器内部分为预热区、加热区、催化反应区；热量的三种传导方式（辐射、对流、传递）除热辐射以外的两种存在于其中；催化床层的热量来源有两个：一个是来自“加热器”热量、一个是自身的反应热；CO内部热量的传递除了热辐射（没有可见光），主要靠热传导和热对流两种，其中热传导由于催化剂和电加热器有空间距离所以是主要中的次要，那么主要中的主要就是热气体对流了；故：反应器内部的气流小、空速低时加热器的温度传递到催化剂床层就存在很大的滞后，这个滞后就是仪表控制中所涉及到的“纯滞后”，这个

滞后的存在就导致温度控制的滞后性，气流过低时即会导致控温超调，即使将PID控制的微分值无限放大也无法消除这个“纯滞后”，为了解决这个问题，我们基于常规的PID控制基础上，创新的采取了无模型自建树叠加多变量SP输入，智能精准控温，平均小时控温精度＜±10℃。

4. 系统中甲烷、乙烷对排放指标的影响：在种类繁多的 VOCs 中，烷烃是化学性质最稳定的一类VOCs，也是最难催化燃烧的物质,例如常规的氧化催化剂对丙烷的完全氧化温度高达 600℃，而这种催化剂对丙烯的完全氧化温度只需要 170 ℃。甲烷的处理效率低下虽不会带来排放不达标（环保要求以非甲烷总烃计数）但是由于非甲烷总烃检测仪表多有检测上限，若仪表检测甲烷值超出上限，则对其非甲烷数值造成扰动或直接仪表报错；进气中乙烷的浓度高经过催化剂常规温度（300℃），处理效率约15%左右，即使500℃处理效率也不足90%，所以乙烷也是目前催化氧化达标排放的一个较大壁垒；工艺上可以通过提高反应温度来进一步达标但会面临两个弊端，即：①设备的高温损坏性②能耗的合理性③温度控制过高，遇到高浓度气流缓冲空间较小极易飞温。故只能从源头进行优化，尽量减少甲烷、乙烷的集聚排放。

2. 结论

针对不同浓度范围、不同组成、不同流量的VOCs气源，需要科学的计算、合理的选择多种处理工艺组合来有的放矢的处理，以达到较高处理效率进而达标排放；一套好的处理装置不仅需要稳定、可靠的硬件配置支撑更需要一套安全、灵活的控制逻辑程序来驾驭；就目前我们这套VOCs处理装置，经过综合分析、挖潜优化、逻辑调整，处理效率得到大幅的提升，能够做到稳定运行、达标排放；但系统的长周期、抗冲击能力需要进一步提升巩固，具体的优化思路总结如下：

1. 针对系统中存在较高浓度甲烷、乙烷的处理装置，在下个周期催化剂选型的时候需要着重考虑，建议选用高活化能的Envicat® 2388 MH型耐高温、高比表面的氧化锆涂层以铁铬合金蜂窝为载体的新型催化剂，400℃左右对乙烷的催化氧化效率即可达到90%左右。

2. 针对吸收环节，夏季高温加上太阳辐射吸收塔釜，吸收剂温度过高导致吸收效率变低，且吸收液自身被加温挥发出大量的重组分VOCs因子，对于活性炭带来极大的负担和损坏，应采取降温措施（吸收液温度控制30℃以下）。

3. 针对CO反应器，建议以后的检修中优化调整：①在电加热周边增设蜂窝网状导热耐热材质增加气体加温的均匀性及加温效率；②在电加热与催化剂床层之间的空隙中装入蜂窝网状导热耐温材质加大蓄热以及热量传导，避免控温的“纯滞后”情况；③催化剂床层的测温探头安装益越贴近催化剂越好，越能更精确的检测催化剂的实际温度。

3. 参考文献

【1】李守信主编 .挥发性有机物污染控制工程 .北京:化学工业出版社，2017. 7

【2】ISBN 978-7-122-29805-8科莱恩EnviCat® VOC催化剂：适用于清洁能源和空气的有效解决方案