VOCs废气治理设备之单床蓄热式热力氧化器

（1）箱式VOC净化器（VocsiBox) 这种单床蓄热式热力氧化器，也称无火焰、蓄热式氧化器。较为著名的装置有：德国Hasse Energietechnik GmbH开发 的箱式V（）C净化器"VocsiBox”，还有美国Megtec公司的MVocsidizer"（标准型 处理量为 1000~9OQ00Nm3/h）,以及 Lufttechnik Bayreuth Rueskamp GmbH 开发 的“Minitherm”（处理量仅为50〜250m3/h）。通常在装置中用规整的陶瓷填料作 蓄热体（也有用颗粒状陶瓷），并将电加热元件嵌入其中，用于开工时将蓄热体升 温。整个装置是完全组装好的，可直接连接到要处理有机废气的场所。这种装置主 要针对含有机化合物浓度极低的废气，特别是用于脱臭，例如：净化处理垃圾堆放 站、焚烧炉的垃圾储库所释放的气味和恶臭。通常这种气体称为贫气，其热值小于 9MJ/kg，甲烷含量大多低于20% （体积分数”不能用于直接燃烧，而所含其他 组分对人的健康极为有害。此外，甲烷组分又会促使大气造成温室效应。当然这种 气体也可用生化过滤器或高温燃烧来处理，但在差不多的投资费用和操作费情况 下，与生化过滤器和高温燃烧相比，从生态观点讲采用VocsiBox还能降低温室 效应。

这种箱式VOC净化器系统及其操作原理如图4. 7和图4.8所示。蓄热换热器 是由陶瓷填充床组成的固定床蓄热器，蓄热体中央埋入电加热元件，用于开工时加 热床层。由图可知，实际上陶瓷床也相当于分成上下两部分，中间温度最高，并通 过切换废气的流动方向，床层上下两部分分别周期性地处于热周期和冷周期，一般 切换时间为90〜120s。为保证气流在床层横截面上的均匀分布，在气流进入陶瓷 床的顶部和底部都设置气流分布器。最初这种装置的设计主要针对处理小到中等的 废气流量；此外，它基本上也类似两室，因而不可能进行冲洗（当然也可设置缓冲 器，收集阀门切换时未反应的废气，然后送回原料废气中）。在开工时，通常将陶 瓷床层一次性加热到大约900~1000°C后，接着将气体输送到反应器中，由于蓄热 床层大的热容，以及甲烷等有机物燃烧产生的热量足以使床层内维持一定的反应温 度，并将废气完全氧化为CO2和H2O,而不必再外加能量。只要废气中甲烷含量 大于0.3% （体积）时，装置即可实现自供热操作。因此与高温燃烧相比，可显著 地节省操作费。与所有的蓄热式热力氧化器一样，其操作过程主要包括三个部分：

①将废气预热到操作温度；

②有机物的燃烧氧化；

③热量的回收。

 

在这种VocsiBox装置中，唯一的陶瓷床既要将废气加热到足够的反应温度， 又要将反应后热的净化气冷却来回收热量。在开工操作时，例如废气通过下部床 层，并被预热到反应温度；因为只有中央部分床层保持高的反应温度，所以废气在 床层中间的反应区完全氧化成无害物质；接着，当净化气通过上部床层时，将其热 量传给蓄热体后排出。由于气体的出口温度与入口温度相比高不了多少，所以为维 持过程的进行所需能量极少，热效率可达95%〜98%。这里要指出的是：如前所 述，这种反应器仅在开工时一次性加热到900〜1000°C,以后全靠燃烧废气中可燃 物所产生的热量来维持必需的反应温度。因此，首先，废气中VOC的浓度必须大于自供

热操作所需的浓度；其次，在开工时应经过一定的切换次数后，使最高温度 

的反应区保持稳定，并具有一定宽度，这样才能保证操作的正常进行.

通过有规律地改变气体的流动方向，在床层中央可保持高温氧化区，从而使装 置有可能长时间稳定地操作。图4.8中画出的切换阀位置表示气流由上向下通过 床层。

为调节和控制床层温度，在装置的关键部位设温度监测点TIC 1 （温度T1）， TIC 2 （温度T2）, TIC 3 （温度 T3）和 TIC 4 （温度T4）。

当T3和T4的温差等于零时，则呈对称的温度分布；如果T3>T4,则最高温 度上移；如果r4>T3,则最高温度下移。当T3-T4>o （最高温度上移），则气 流向下流动的持续时间应延长一些；当T3~T4<0（最高温度下移），则气流向上 流动的持续时间要延长一些，否则向上向下流动的时间间隔是相等的。

在陶瓷床层的边缘区（T1）和中间（T2）装有温度传感器，以便对氧化温度 进行连续监控。

若要自供热操作，必须要用进入装置气流所

含的能量来平衡装置的热辐射损失 和废气在温度升高时所需的能量。一般要求废气的燃烧热值^0. HMJ/kgo对于像 垃圾储库产生的废气（贫气）来讲，甲烷含量至少为0.3% （体积）。

基于上述方法，可将不能自己燃烧的有机废气达到直接氧化。如果废气中有机 物含量较高，则可适当混入空气；如果含量较低，则在废气中应添加天然气来调节 温度。

这种装置技术的废气浓度工作范围是低于爆炸下限。一般废气中碳氢化合物含 量从2g/Nm3起（相当于甲烷含量〉0.3%）即可达到自供热操作。

当废气中碳氢化合物含量增加的情况下，排出气体的温度升高。图4. 9表示了 废气中有机物含量不同时，床层温度分布和出口温度沿距离（床层高度）的变化关 系。由图可知，在低负荷时（可燃物的浓度很低），床层中央最高温度区域极狭窄， 极限情况下温度分布的顶点呈尖角状，此时有可能造成熄火而不能操作；如要达到 

稳定的连续操作，床层中央最高温度区域应保持一定的宽度，即温度分布如中等负 荷所

示。在一般负荷的情况下，通常箱壳温度在废气入口侧接近废气温度，约 25°C；而在净化气出口侧，箱壳温度约60°C。

由于这种装置采用最优良的电子仪器来最优地调节切换频率，并使切换阀在最 低切换频率时，也能达到最长的寿命° Hasse Energietechnik GmbH设计的Vocsi- Box的标准型处理量为300〜30000m3/h；最大处理量可达50000m3/h；反应器的 压降在42〜63mbar范围内；脱除有机物的效率至少可达99%；排出气体中残留有 机物含量＜20mg/m3o如果处理的废气浓度较高、气体流量又较大，则也可考虑 利用排出净化气的余热，用于水、导热油的加热。排出净化气的温度高低是与废气 的浓度和入口温度有关，在特殊情况下，这种装置排出气体的最高温度可 达 22O°C。

VocsiBox不但经济，而且也符合生态要求，其优点如下。

①操作费极低。这是因为在处理含甲烷废气的情况下，大多可以实现自供热 操作，不需辅助燃料；而电加热仅在装置开工时使用。

②操作使用方便，很少需要维护。基于装置坚固耐用的构造和只有极少的运 动部件，因而几乎无磨损问题。

③与其他类型的有机废气处理装置相比，可减少温室气体(CH4和CO2)的 排放90%。

④对所有碳氢化合物的转化率接近100%。

(2) Vocsidizer装置 美国 Megtec公司开发的 Vocsidizer,实际上与上述 VocsiBox完全一样，因为根据编者所掌握的资料看，两家公司所公布的氧化器图 形都如图4. 7所示。也许是合作关系、共同开发、各有所长；并对同一设备各自采 用类似的但不同的名称。下面介绍的是Megtec发表有关Vocsidizer的一些信息， 其结构原理与德国的VocsiBox完全一样，仅仅根据不同的应用场合，在反应器内 部有不同的布置而已。这种Vocsidizer有时也称为变换流向的热力反应器(Ther¬mal Flow-Reversal Reactor, TFRR),其构造和操作原理如图4. 10所示。 

图4. 10表示Vocsidizer用于处理煤矿矿井的通风甲烷气，并产生高品位的蒸汽 用于发电。如图4. 10(a)所示，通风甲烷气经提升阀1从床层顶部向下进入反应器， 并被蓄热体加热后达到中央反应区；反应后气体继续向下流动，同时将热量传给下部 蓄热体后，作为净化气排出，完成第一个循环；此时提升阀2处于关闭状态。图 4.10(b)表示进入第二个循环，此时提升阀1关闭、提升阀2开启；废气从床层底部 向上进入反应器，并被上一周期加热过的蓄热体预热，然后达到中央反应区，反应后 的气体经提升阀2排出，完成第二个循环；这样周而复始连续运转。通常利用净化气 携带的热量产生热水、蒸汽或加热导热油。图4. 10(c)表示在陶瓷床层中埋入过热蒸 汽管，并采用加压水作为循环载热介质，借以获得高品位的蒸汽用来发电。这种 RTO连同蒸汽包和锅炉给水处理系统就是一台蒸汽锅炉，因此应按锅炉规范设计。 这里涉及的问题主要是：一方面是高温处理问题，因为RTO床层温度已超过目前所 有耐高温的高合金钢的工作极限温度(因为降低热耗所得利益往往不能补偿为高级钢材所增加的费用，所以目前最高蒸汽参数为620〜560°C）,所以要考虑换热管子埋于 床层中的合适位置；另一方面，如何在移走热量的同时确保RTO的稳定操作。设计 者在放置换热管子时应考虑：在床中央反应区具有最高的温度，但限于材料不可取； 上下两侧床层温度较中央低，并有一定的温度梯度。在每个切换周期内，两侧床层温 度处于热周期或冷周期，因而反应的热波周期性地接近或离开换热管子，从而使工作 流体的温度产生明显的波动。因此，设计时应考虑在回收能量时避免这种温度波动， 例如如何调整过热蒸汽和水这两种流体能达到平均、稳定的工作温度。高温换热器比 RTO 任何部分要求更高的检测和维护手段，因此反应器的设计要便于受损部件的去 除和更换。此外，必须处理好Vocsidizer装置与矿井间的界面，确保矿井的安全。

为便于加热元件、管子、盘管在床层内的安置，一般采用陶瓷小球（Pellets） 或微晶（Microliths）作为蓄热体。

据报道，这种装置的主要数据是：废气处理量1000~90000Nm3/h,热效率 95%〜98%,流量调节范围1 ： 4,自供热浓度1.5〜2g/Nm3,切换时间90〜120s,净化气温度比废气温度仅高出20〜50C。排放净化气的指标：总有机碳CV 20mg/Nm3, CQ<50mg/Nm3, NO^lOmg/Nm3D通常风机安装在压力侧，切换 阀采用气动快速的盘式提升阀。由于采用了中间缓冲罐，将阀门切换时引起瞬间发 射的峰值气流收集其中，从而提高了净化率。装置系统用近代的PLC、SPS控制 器，调节床层反应温度和气体通过床层的流动，特别是当废气浓度小于1. 5g/Nm3 时，可自动添加天然气；整个装置系统可实现自诊断和远程监控及相应的报警系 统。装置采用集装箱式的模块设计，整体组装好，以适应不同规模的需要。