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催化燃烧

催化燃烧

 详情说明
工艺流程图
方案特点
  • (1)活性炭移入脱附床,根据PLC程序提示吸附停机状态采用催化燃烧对饱和箱体逐一脱附解析工艺。

  • (2)以脱附出的高浓度废气进入温度为250-280℃的CO炉中,在贵金属催化剂的作用下,从而分解VOCs分子,VOCs在CO炉中的反应式如下:


设备使用环境及条件
  • (1)室外使用环境要求:-10~42℃;

  • (2)CO加热方式:电加热(48kw);

  • (3)压缩空气:0.5~0.6Mpa(气源相对干燥);

  • (4)电源:a)380V 三相四线制,电压波动范围:380V±10%,50赫兹;b) AC220v±10% 50 HZ 单相。

总体设计
    主要技术原理说明
  • (1)电催化氧化CO\RCO工作原理:VOC-CO型有机气体催化净化装置,是利用催化剂使有害气体中的可燃组分在较低的温度下氧化分解的净化方法。对于 CnHm 和有机溶济蒸汽氧化分解生成CO2和H2O并释放出大量热量。其反应方程式为:

  • 该装置主体结构由净化装置主机、引风机、控制系统三大部分组成。其装置包括:阻火除尘器、热交换器、预热器、催化燃烧室。

图1 VOC-CO\CTO原理图
  

  沸石脱附出来的高浓度、小风量、高温度的有机废气经阻火除尘器过滤后,进入特制的板式热交换器,和催化反应后的高温气体进行能量间接交换,此时废气源的温度得到第一次提升;具有一定温度的气体进入预热器,进行第二次的温度提升;之后进入第一级催化反应,此时有机废气在低温下部份分解,并释放出能量,对废气源进行直接加热,将气体温度提高到催化反应的最佳温度;经温度检测系统检测,温度符合催化反应的温度要求,进入催化燃烧室,将有机气体彻底分解,同时释放出大量的热量;净化后的气体通过热交换器将热能转换给出冷气流,降温后气体由引风机排空。
  有机物利用自身氧化燃烧释放出的热量维持自燃,如果脱附废气浓度足够高,CO\RCO 正常使用需要很少的电功率加热,做到真正的节能、环保,同时,整套装置安全、可靠、无任何二次污染。


吸附床
图 4 吸附床实物图
  • (1)设备选型计算

  • 脱附床单床填装量为2.4立方活性炭,处理风量为1500m³。

  • (2)设备选型

  • 表6 吸附床设备选型

    序号

    名称

    参数

    1

    处理风量

    1500m3 /h

    2

    工作方式

    间隙式运行

    3

    废气与沸石接触速度

    0.8m/s

    4

    吸附床外形尺寸

    2200*2500*3300mm

    5

    床数量

    1台

    6

    单床填充量

    2.4m

    7

    吸附阻力损失

    650Pa

    8

    脱附温度

    ~250(可调)

    9

    催化温度

    ~350

    图 5 催化氧化系统实物图
    CO 催化氧化炉装置
      (1)设备说明
    • 电催化氧化(Electric Catalytic Oxidizer 简称 ECO)设备能有效的降低热量损耗及能耗资源,同时大大降低净化后气体排出温度。ECO 设计独特,布局合理,具有以下特点:

    • ①操作方便:工作时全自动控制。

    • ②能耗低:达到一定浓度时,无功率(或低功率)运行。

    • ③安全可靠:泄压、自保,阻火除尘、超温报警及先进的自控。

    • ④阻力小效率高:采用当今先进的贵金属钯、铂浸渍的蜂窝陶瓷催化剂,比表面积大。

    • ⑤占地面积小:仅为同行业同类产品的 70%。

    • ⑤使用寿命长:催化剂一般 2 年/8000h更换,并且载体可再生。

    • ECO主机由阻火除尘器、热交换器、预热器、催化反应室、主排风机、控制系统、电加热组件以及催化剂组成,是设备的核心部件。

    图 6 电催化氧化主机实物图

      阻火器:将设备和废气源之间的危险阻隔开来,保证处理设备和生产设备之间的安全,同时除去废气源中的粉尘。结构为波纹网型及过来棉,参照国家标准制造,更换快捷,清理方便。是本设备中安全设施之一。
      热交换器:将有机气体分解后的热能和废气源冷气流进行冷热交换,置换热能,提高废气源的温度。当废气浓度达到一定值时,通过热交换器的作用,可以保证设备在无运行功率(或低功率)的状态下正常运转,是催化净化装置中对废气源进行第一次温度提升装置,也是设备中节能设施之一;通过热交换器内部对气流的合理控制,使交换器的效率保证在 50%以上。结构采用不锈钢翼翅型,合理的布置,使冷热气流全面接触,能量进行全面置换;制作按照国家《钢制压力容器制作标准》进行制作和验收。
      预热室:废气源在进入催化燃烧室之前,经温度检测仪检测,温度达不到催化反应的条件,由布置在预热室内的电加热系统进行温度的第二次提升;Q235 电加热组件,由固定绝缘板固定,维护更换十分方便。
      催化反应室:达到温度条件的有机废气进入第一级催化反应室;第一催化反应室采用抽屉式,内装蜂窝状催化剂,中间分插电加热组件,利用红外线辐射原理,使蜂窝状催化剂温度达到反应温度,使部份有机物进行分解,释放出能量,直接使废气温度提升,是本设备设计的第三温度提升处,也叫催化升温;温度提升后的有机气体进入催化固定床,内置蜂窝状催化剂,满足反应条件的有机气体在此完全分解,废气变成洁净气体。本设施为催化净化装置的心脏。
      控制系统:监控所有动力点起动、停止、故障,反映整个运转过程中气体的升温、气体分解状况,对设备整个过程进行全方位安全动力保护,可以根据废气源性质及生产线状态进行设定。主要控制组件选用进口产品,保证设备的良好运行、安全性及使用寿命。
      电加热组件:电加热组件为红外线电热管,利用电加热的辐射原理。电加热管由φ16高温薄管内衬高温氧化镁及电加热丝组成,具有效率高、散热快、寿命长等特点,严格按照国家标准制作和验收。其性能参数为:

    表7 电加热组件参数

    电功率

    NkW

    功率偏差

    ±10%

    冷态绝缘电阻

    200MΩ

    老化时间

    3000 h

    热态绝缘电阻

    ≥5MΩ

    拉力

    ≥998N

      催化剂:催化剂是在化学反应中能改变反应温度而本身的组成和重量在反应后保持不变的物质。本装置中选用的催化剂型号为TFJF/工业废气VOC净化催化剂,是处理各种不同类型有机废气的高效广谱型催化剂。

      TFJF/工业废气VOC 净化催化剂,催化剂蜂窝陶瓷做载体,内浸渍贵金属铂和钯,具有高活性、耐高温及使用寿命长等特点。

    表8 催化剂活性指标测试

    净化效率≥97%的起燃温度和相应浓度

    甲苯

    4g/m3

    220℃

    4g/m3

    240℃

    二甲苯

    4g/m3

    220℃

    醋酸乙酯

    4g/m3

    300℃

    乙酮

    4g/m3

    220℃

    甲基胺

    4g/m3

    320℃

    正已醇

    4g/m3

    180℃

    丙醇

    4g/m3

    280℃


      性能参数为:方形孔,孔数25个/cm2,堆积密度为0.76±0.02 kg/L,强度为100kgf/cm2,比表积为25m2/g。活性指标测试见下表:

    表9 催化剂主要技术性能

    外形尺寸

    50×50×50mm

    空穴尺寸

    φ1.3mm

    空穴密度

    25.4 个/cm2

    孔壁厚度

    0.5mm

    深层主晶相

    γ-A1203

    比表面积

    43 m2/g

    堆积密度

    0.8g/cm2

    空速

    1.2×104 h-1

    催化剂活性温度

    210℃

    耐冲击温度

    750℃

    使用寿命

    8500h


    (2)设备安全设置
      在设备的进口设置了阻火除尘装置,将生产线和处理设备之间的任何危险断开,同时处理废气源中的灰尘,保证废气的洁净度。装置正常运转。阻火器应能有效地防止火焰通过。
    在催化反应室内设置了泄压口,当设备内部的压力 10-30Kpa之间时,自动泄压,使设备始终在安全状态下运行。
      装置的金属外壳应有明显的接地标志,金属壳体或可能带电的金属部位(包括因绝缘损坏可能带电的金属件)与接地螺钉间的电阻不大于 0.1 欧姆。装置的绝缘电阻不小于2MΩ。装置的带电部分与外壳之间l应能承受频率为 50HZ,电压为 2000V。持续 1min的耐压试验,不得发生击穿和闪络现象。
    电加热组件可以根据废气的温度起伏,自动控制补偿和停止;当反应温度出现高温时,自动停止电加热的电源,温度降低后会自动起动,恢复正常工作。
      控制系统上显示废气预热温和气体反应温度,可以清楚了解气体氧化分解效果。
    可以从控制系统中了解电加热组件工作状态及电加热组件的完好状态,电源均有良好地接地和保护措施。 整个系统为负压工作方式,废气不存在外溢现象。
      设备外表面用绝缘保温材料进行保温,使表面的外壳温升为 46-50℃,整个设备的绝缘电阻小于 2MΩ。

    (3)设备选型
    表10 催化燃烧CO\CTO设备选型

    序号

    名  称

    参  数

    数量

    1

    CO主机

    型号:VOC-HS-1500
    处理风量:1500 m3/h
    外形尺寸:830*1300*2570mm

    1台

    2

    炉体保温

    岩棉保温厚度100mm

    1套

    3

    阻火除尘器

    波纹网型

    1台

    4

    热交换器

    不锈钢管式,整体密封性能好

    1台

    5

    预热器

    SUS304(t=3mm),设备内外连续焊接

    1台

    6

    催化反应室

    SUS304(t=3mm),设备内外连续焊接

    1套

    7

    脱附风机

    Y6-30-6.5C-2.2KW,

    1台

    8

    电加热组件

    冷炉升温,48kw

    1套

    9

    催化剂

    TFJF/工业废气 VOC净化催化剂

    1套

    10

    控制系统

    国标自制(PLC:西门子)

    1套

    11

    设备重量

    ≈1000kg

    单个吸附床

    备注

    1

    设备外框采用(t=1.5mm)方通制成,面板采用(t=1.5mm)钢板制成,面板与框架采用十字螺栓连接

     

    2

    设备采用容重岩棉保温,保温厚度为50mm

    (4)设备选型注意事项
    废气成分中,不含下列物质:
    • a.有高粘性的油酯类。

    • b.磷、铋、砷、锑、汞、铅、锌、锡。

    • c.高浓度的粉尘

    • 设备选型时,请注明废气成份、浓度及出口温度。

    • 设备安装场所无腐蚀性气体,并有良好的防雨措施。

    • 设备所需电源为:三相交流380V,频率50HZ。

    • 有特殊要求时,请注明。
    电气与自控设计 设计依据
    • (1)低压配电装置及线路设计规范GBJ54-83;

    • (2)工业企业照明设计规范GBJ50034-92;

    • (3)通用用电设备配电规范GBJ50055-93;

    • (4)电气装置安装工程爆炸和火灾危险环境电气装置施工及验收规范GB50257。

    电气总原则

      活性炭吸附及催化氧化炉CO\CTO 电控系统采用西门子 PLC 控制,PLC 采用西门子200系列,触摸屏采用 10“威纶通/西门子产品,PLC 控制系统实现对活性炭吸附床及催化氧化设备、电加热功率高低、烟气出口风门控制、风机、炉内温度、压力、风向切换阀信号联锁控制等,并对重要运行参数集中监测或控制。

    控制层

      控制层主要由 PLC 及其系统组成,由 PLC 及其系统接受现场发来的数据信息,经过自身的运算与处理后,发出相应的指令对现场设备进行控制;同时,对现场设备出现的所有故障及时的进行分析处理,实时将故障信息反映在触摸屏上,并进行相应报警提示。

    设备层

      设备层主要由风机变频器、压力控制仪表、现场设备检测元件(位置接近开关、温度传感器、压力传感器等)、现场执行机构(电动执行器、调节阀、电磁阀等)等组成;直接与控制层中的 PLC 进行数据交换,将现场信息发送给 PLC 系统,并按 PLC 输出指令执行设备动作,对整套系统的控制显示及监控。

    控制柜

      每个主控制柜顶部装有带声响的柱型指示灯以显示系统的运行状态及故障类别,柱型指示灯分三层,上层红色显示故障,中层绿色显示运行,下层黄色显示停止。
      控制柜从功能上独立设置主电源柜(PDP)、变频柜(VFP)(根据需要配置)。
      主控柜设置主电源开关(带热过载、电磁过载、错相保护功能,带反馈触点,上传 PLC系统),可手动设定主开关,在控制柜面板设置电源指示灯。
      控制柜进、出线采用电缆桥架,在控制柜的顶部或底部进、出线,给控制系统内所有设备提供动力电源及控制电源,所有控制柜配置门开关及照明灯。
      布线方式:柜内采用线槽,柜外采用镀锌桥架,其他使用尼龙软管为辅。
      喷涂颜色:各控制柜喷两遍防腐蚀底漆,甲方指定色标,屏、柜、台防护等级:IP54。
      控制柜全部采用仿威图产品(框架结构,包括底座、柜内空调、照明及风扇等主要附件),柜内安装侧装空调,确保变频器在正常环境温度范围内工作。
      控制柜安装在受控机械设备附近(具体位置现场定)。
      控制柜带门锁,门锁采用带手柄方形门锁,并且门锁为同一型号。
      柜面上的所有器具均采用嵌入式结构安装,其布置清晰、美观大方和合理。
      每个柜内配置一个 AC 220V 10A 插座。

    设计安全
    • (1)依据客户提供的废气参数,确保废气中可燃组分处于爆炸下限 25%以下,保证系统安全运行。

    • (2)CO处理效果遵循 3T(反应温度、停留时间、湍流程度)法则,CO设计保证正常运行时氧化室设计温度≥300℃,催化剂设计空速时间12000h-1。

    • (3)在CO燃烧炉顶部设置泄压防爆口。

    防爆设计

      根据国家标准 GB50058-1992《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》之规定,本项目无防爆等级要求,防护等级按 IP55。

    管路系统的安全设计

      系统所有高空管道和设备均设有避雷装置,接入建筑物防雷系统。设备和管道有可靠接地,法兰连接的风管采取跨接,避免静电集聚引起可燃气体燃烧、爆炸。

    电气控制设计

      本案采取西门子PLC全自动化控制系统,配套触摸屏、电动调节阀、变送器、报警系统等,本系统包含试车模式、手动控制模式、待机模式、系统自动开/关机安全程序。
      安全保护措施包括:停电、火灾、温度异常、风车异常、系统设备异常停机、系统静压低于低报时停机保护联锁等。生产线处于事故状态时,停机保护连锁,尾气旁通。
      系统设备提供下列信息(HMI): 风机、 马达运转状态、 电机运转状态(Hz)、风机压差值(ON/OFF)、设备运转状态与进出口压差值、各点温度、CO温度、报警信息等。

    本控制系统特点:
    • (1)采用先进的 PLC 可编程控制器和具备良好人机界面的触摸屏,轻松实现操作参数调整、优化操作;
    • (2)各控制元件均采用国内外知名品牌,确保控制精度;

    • (3)可灵活切换试车、自动、待机等多种操作模式;

    • (4)可实现自动开停车操作。

    具体控制说明:
    • (1)手动操作模式——手动控制状态下,设备每个动力点、执行机构无关联动作,以便设备调试、设备检修工况下操作。

    • (2)自动操作模式——自动操作状态下,设备根据PLC预设程序自动执行吸附工作。当箱体吸附到预设定时间后,箱体自动切换,开启、关闭相应的阀门,阀门到位后,系统自动执行脱附处理工艺,PLC全程监测温度变化情况,采取相应动作。

    • 开机前先用万用表测量电源电压两相间电压是否正常(380V),合上总闸开关;用万用表测量各个用电器接线端电阻值情况即是否存在短路情况,无短路情况后合上电气柜内所有开关

    • 吸附工作在阀门开到位信号给定后开启吸附风机。风机频率根据装在进气管道处压力变送器追踪调节主排风机运转频率。

    • 干式过滤安装压差表及压差开关,当压差超设定值时报警提示更换。

    • 程序设定吸附周期当某一箱体累计达到吸附时间时自动与备用箱体切换,进入脱附状态。注:调试运行时将各箱体时间均匀错开。

    • 脱附工作:在阀门开关到位后:
    • ①开启电加热将催化燃烧升温(约15min);
    • ②开启脱附风机;
    • ③持续脱附至设定时间,关闭电加热系统、脱附阀门;
    • ④开启直排、补鲜阀降温催化燃烧设备;
    • ⑤开启吸附阀门利用主排吸附风机降温吸附箱;
    • ⑥冷却结束关闭箱体阀门,充氮气保压留待下次使用;(氮气选配)安全控制及温度设定(调试确定)

    性能保障
    • 为了满足设备各项指标,本系统采取如下措施:

    • (1)沸石吸附材料选用国内知名品牌,保障吸附效率。

    • (2)为了满足处理设备的连续稳定运行,系统中使用的风机均选用国内外知名厂家产品;系统中使用的控制元件均选用国内外知名厂家产品。

    • (4)吸附阀门采用漏气率为 5‰。

    • (5)在燃烧炉膛内设置了泄压口,当设备内部的压力 30-80 Kpa 时,自动泄压,使设备始终在安全状态下运行。

    • (6)设备外表面用绝缘保温材料进行保温,使表面的温度不超过室温 25℃以上,整个设备的绝缘电阻小于 2MΩ。

    • (7)吸附床采用24小时不间断测温方式,任意时刻吸附床温度超过设备的设定温度时,处理设备整机停机、报警,保障安全。
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