催化燃烧法在VOCs治理应用中的安全问题及防范措施

摘要： 本文针对催化燃烧法处理VOCs的过程中存在的活性炭吸附—脱附—催化燃烧法中活性碳起火的现象、催化氧化炉爆炸问题、整个催化燃烧治理装置起火爆炸问题等安全隐患，提出相应解决方案。

VOCs（挥发性有机化合物）是指在常压下沸点在50~260 ℃、常温下饱和蒸汽压大于133.32 Pa的有机化合物，或者在常温常压下任何能挥发的有机液体和固体[1]。VOCs类目复杂，主要包含烯烃、烷烃、醇类、芳香烃、芳烃类、醛类、卤代烃等，主要产生于制药、制鞋、石油炼化和喷漆等行业[2]。某些VOCs对臭氧层有破坏作用，如含氢氯氟烃(HCFCls)和氯氟烃(CFCs)；VOCs也是形成雾霾的重要前物，是有毒有害气体的重要来源，环保部已将其列为细颗粒物之外主要的空气污染元凶[3]。随着工业化进程的加快，VOCs引起的健康与环境问题引来越来越多的关注，VOCs的处理也已迫在眉睫。

一、催化燃烧法在VOCs治理中的重要地位

VOCs治理有较多措施，其治理方法包括源头减量、中间控制和末端处理等[4]。目前，我国以末端治理为主。末端治理技术一般分为破坏性处理和回收性处理。破坏性处理主要包括催化燃烧法和焚烧处理法。回收性处理包括吸收法、冷凝法、吸附法和膜分离法等[5]。回收性处理因其技术手段还不成熟，成本较高，目前没有大规模应用。焚烧法是直接将VOCs 通入焚烧炉中，在炉内充分燃烧，产生二氧化碳和水[6]。该方法成本较低，运用范围较广，技术线路也比较成熟。催化燃烧法是在废气燃烧的时候加入某种催化剂，降低VOCs 的燃点, 使VOCs能够充分燃烧, 其生成物为二氧化碳和水，实现直排。当前常用催化剂种类有Cu、Fe、Ti等非贵金属与Pd、Au、Pt等贵金属两大类。焚烧处理法和催化燃烧法在VOCs治理中占据核心地位，因其分解氧化彻底、治理效率高而得到广泛应用，其中催化燃烧法因无明火、节能、氧化温度低而得到广泛应用。

催化燃烧是一种涉及气—固两相的化学反应，其本质机理为在有活性氧参与的条件下发生的深度氧化反应[7]。在反应过程中，加入催化剂可以显著降低反应所需的活化能，VOCs 富集在催化剂表面，在较低燃烧温度下发生无焰燃烧，终分解为二氧化碳和水，同时释放出大量的热。其化学反应方程式如下：

CnHm+ (n+m/4) O2→n CO2+m/2 H2O +能量

在催化剂的作用下，VOCs 可以在较低温度下充分燃烧，生成二氧化碳和水，去除率高达90%。催化燃烧法具有能耗低、运行可靠稳定、无二次污染等突出优点，在欧美国家已得到广泛推广应用。在我国，催化燃烧法也是处理VOCs的主要手段，其应用比例约为55%。目前，催化燃烧法已经成为处理VOCs的主流。

二、催化燃烧法的常见安全问题及防范措施

催化燃烧法处理VOCs的过程中， 存在如下几种安全隐患：活性炭吸附—脱附—催化燃烧法中有活性碳起火的现象、催化氧化炉爆炸问题、整个催化燃烧治理装置起火爆炸问题。

1.活性碳起火现象及防范措施

在前期的VOCs富集过程中， 由于活性炭着火点较低而脱附温度过高，当对吸附饱和的活性炭进行脱附处理时，会由于脱附箱体内温度过高导致活性炭着火。

解决该问题可以从两个方面着手：一是采用着火点高的活性炭；二是严格控制脱附温度，使其远低于活性炭着火点。因此可采取如下措施：严格控制脱附温度，选择质量好的脱附温度传感器，尽可能在活性炭吸附箱合适位置安装两个温度传感器；在PLC 编程中加入脱附温度超温时停止脱附程序；同时要防患于未然，在活性炭吸附箱上方增加消防水管并连结烟气报警及自动喷淋装置，以防意外失火。

2.催化氧化炉爆炸问题及防范措施

在处理高浓度VOCs 时，由于炉内含有大量氧气，当废气浓度达到废气组份中大部分有机废气的爆炸极限时，就会有爆炸的危险。因此，要时刻监测炉内VOCs 浓度， 在进入催化氧化炉的废气管道上安装浓度稀释装置，将高浓度废气稀释到爆炸极限下。同时在催化氧化炉上增加压力排气阀，在压力过高时自动打开阀门进行减压排气，以防炉内温度压力过高引起爆炸（因废气在热氧化过程中迅速释放大量热能导致炉内热空气压力过大）。

3.整个催化燃烧治理装置起火爆炸及防范措施

整个催化燃烧治理装置起火爆炸多发生在只有一套吸附装置的系统中，因管道壁及设备内聚集大量高浓度有机废气颗粒物，管道风阀闭会间隙过大，在脱附催化燃烧过程中没有停止生产，车间进气阀不能关闭，整个管路是全通的，此时脱附催化燃烧极可能在高温作用下引起整个系统起火爆炸。针对上述情况应该采取如下措施：安装高质量风阀，经常检查漏气情况，单套吸附的装置系统中在脱附催化燃烧过程中应停产处理等。

三、催化燃烧法的整体安全措施

使用催化燃烧法应严格按工程技术规范进行消防措施处理，工程装置应尽可能地放置在室外，并且按安全生产规范要求留足安全距离及设置安全防护栏和相关颜色，气流走向，阀门开关方向，电源标识，操作规范等安全警示措施。

四、结论

随着工业化与现代化的持续发展和不断提升，VOCs引起的健康与环境问题将引起越来越多的关注，VOCs的处理也已迫在眉睫。催化燃烧因其催化效率高、能耗低等优点具有更加广阔的运用前景，并将逐渐成为主要的处理VOCs 的方法之一。但我们在使用催化燃烧法处理VOCs 时，仍要时刻注意可能引发的安全问题，防微杜渐，从源头上把危险解决掉。