催化燃烧设计方案配置.docx
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催化燃烧设计方案配置
VOCs有机废气治理项目
催化燃烧设备
技
术
方
案
编制时间:
2020.12.03
第一章项目概述
业主方原有1条生产线,生产线风量设计为20000m³/h,,生产线配套处理系统处理风量为20000m³/h,设计参照GB6514-2008《涂装作业安全规程涂漆工艺安全及其通风净化》。
为满足国家及地方最新环保排放标准,新增涂装废气治理设备:
活性炭吸附脱附+催化氧化(CO)处理系统对车间排放废气进行处理,处理后废气排放除满足国家《大气污染物综合排放标准》(GB16297-1996)外,挥发性有机物排放按照山东省《挥发性有机物排放标准第5部分:
表面涂装行业DB372801.5-2018》表2新建企业排气筒污染物排放限值。
本定制项目为总承包项目,包括和原排风管道的进出口对接,整体VOCs废气处理系统的设计、采购、制造、运输、安装、调试、培训和售后服务等,乙方对所提供设备的独立性和完整性负责,并全过程参加并完成该套系统的调试工作,包括单台设备的运行,空载联动,工艺调试及试运行工作。
供货范围应包括但不限于以下所列内容:
序号
分类
内容
备注
1
VOCs设备
过滤系统
2
蜂窝活性炭吸附脱附系统
3
催化燃烧系统
4
电加热器控制系统
5
风机系统
6
风道对接及阀门
7
电控系统
8
公用设备
9
服务
总包设计及管理
10
其他技术/售后/培训等服务、陪产、质保等
整体VOCs废气处理系统的设计、试验、制造、包装、运输、装卸、就位、安装、调试、培训、售后服务以及税费、保险等的全部费用,设备报价为含税价。
第二章设计条件
2.1废气成分和参数
表2.1废气排放参数
序号
名称
数值
单位
备注
1
废气来源
生产线
2
废气流量
20000
m³/h
生产线
3
废气温度
25
℃
-
4
废气组分
甲苯、二甲苯等非甲烷总烃
5
废气相对湿度
85%
RH
6
废气浓度
84
mg/m³
峰值按照100mg/m³设计
7
入口静压
>0
Pa
假定
8
运行时间
300天/年,16h/d
-
9
设备位置
室内
2.2公用工程条件
3表2.2公用工程条件表
动能
参数指标
电力
电压
380V±10%50Hz
净化压缩空气
压力
不小于0.6MPa
含水量(露点)
-20℃
含油量
0.01mg/m3
最大颗粒直径
<1μm
固体物量
0.1mg/m3
2.3项目设计目标
VOCs处理后排放满足XX省《挥发性有机物排放标准第5部分:
表面涂装行业DB372801.5-2018》表2新建企业排气筒污染物排放限值,即治理后VOC排放浓度不大于50mg/m3。
第三章设计原则
设计原则:
遵循综合治理、循环利用、达标排放、总量控制、安全稳定的原则。
工艺设计本着成熟可靠、技术先进、经济适用、节能环保的原则。
图3.1设计理念
3.1设计规范及标准
本套废气治理设备满足国家相关制造、工程安全的法律、标准和规范,同时满足招标文件中提出的标准。
其中包括但不限于以下标准。
表3.1参考设计规范和标准
类别
现行标准/规范名称
现行标准/规范号
工艺设计通用标准
中华人民共和国环境保护法
2015年
中华人民共和国大气污染防治法
2016年
《摩托车及汽车配件制造表面涂装大气污染物排放标准》
DB50/660-2016
吸附法工业有机废气治理工程技术规范
HJ2026-2013
催化燃烧法工业有机废气治理工程技术规范
HJ2027-2013
工艺系统工程设计技术规范
HG/T20570
涂装作业安全规程、有机废气净化装置安全技术规定
GB20101-2006
设备制造通用标准
设备及管道绝热技术通则
GBT4272-2008
焊接件通用技术条件
JB/ZQ4000.3-86
涂装通用技术条件
JB/ZQ4000.10-86
涂漆与防腐蚀设计规定
04032-09400-MC08
机电产品包装通用技术条件
GB/T13384-2008
安全标志及其使用导则
GB2894-2008
管道、容器、设备结构用无缝钢管
Q/BQB203
化工设备、管道外防腐设计规定
HG/T20679-1990
固定式工业防护栏杆及钢平台安全要求条件
GB4053.3-2009
固定式钢直梯安全要求
GB4053.1-2009
衬塑(PP、PE、PVC)钢管和管件
HG20538-1992
设备安装通用标准
机械设备安装工程施工及验收通用规范
GB50231-2009
现场设备、工业管道焊接工程施工规范
GB50236-2011
工业设备、管道防腐蚀工程施工及验收规范
HGJ229-1991
工业设备及管道绝热工程施工质量验收规范
GB50185-2010
风机、压缩机、泵安装工程施工及验收规范
GB50275-2010
工业机械电气设备第一部分:
通用技术条件
低压配电设计规范
GBT5226.1-2008
电力工程电缆设计规范
GB50054-2011
电气装置安装工程施工及验收规范
GB50217-2007
电气装置安装工程接地装置施工及验收规范
GB50254~50259-2014
施工现场临时用电安全技术规范
GB50169-2006
电气装置安装工程、电气设备交接试验标准
JGJ46-2012
电器标准
国家电气设备安全技术规范
GB19517-2009
鼓风机
一般用途的离心式鼓风机
JB/T7258-2006
仪表标准
信号报警及联锁系统设计规范
HG/T20511-2014
化工装置自控工程设计规定
HG/T20636-20639-1998
仪表系统接地设计规范
HG/T20513-2014
仪表配管、配线设计规范
HG/T20512-2014
自动化仪表工程施工及质量验收规范
GB50093-2013
过程测量和控制仪表的功能标志及图形符号
HG/T20505-2014
控制室设计规范
HG/T20508-2014
仪表供气设计规范
HG/T20510-2014
其他
机械设备安装工程施工及验收通用规范
GB50231-98
机械设备安装工程施工及验收规范
GB50231-98
钢结构工程施工质量验收规范
GB50205-2001
钢结构工程质量检验评定标准
GB50221-95
电气装置安装工程接地装置施工及验收规范
GB50169-92
电气装置安装工程低压电器施工及验收规范
GB50254-96
电气装置安装工程母线装置施工及验收规范
GBJ149-90
电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范
GB50168-92
电气装置安装工程盘、柜及二次回路结线施工及验收规范
GB50171-92
电气装置安装工程低压电器施工及验收规范
GB50254-96
电气装置安装工程1kV及以下配线工程施工及验收规范
GB50258-96
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
GB50527-96
电气装置安装工程检验、评定标准
GBJ303-88
电气装置安装工程接地装置施工及验收规范
GB50169-92
工业企业噪声控制规范
GBJ87-85
第四章设计结果
4.1工艺流程
图4-11#生产线废气治理系统工艺流程简图
设计思路:
生产线废气处理系统设计处理风量为20000m³/h,设计为一套活性炭+催化氧化系统处理,活性炭吸附箱设计为2吸1脱,每个活性炭吸附箱处理能力设计为10000m³/h;
工作原理:
待处理的喷漆室有机混合废气经引风机作用,先经过预处理过滤装置去除废气中的粉尘及杂质部分,经过滤后“相对纯净的有机废气”进入蜂窝活性炭吸附器进行吸附净化处理,有机物质被蜂窝活性炭的孔道吸附后,洁净气体排出,经过一段时间吸附后,蜂窝活性炭达到动态饱和状态(经蜂窝活性炭后出口浓度超过标准),此时需要经过热气源对饱和的蜂窝活性炭进行脱附再生处理。
催化氧化处理后的废气温度约为160-200℃,一部分带温废气与冷空气混合后,温度控制在110-120℃,利用该部分热源对活性炭进行脱附再生处理。
脱附完的高浓度,小风量废气进入催化氧化系统。
催化氧化系统共分为三个区域:
第一,换热区域:
脱附后的高浓度、小风量废气先通过列管换热器与高温热源进行换热升温后,温度升温至约为200℃左右,
进入第二区域,补温区域:
因为VOCs在催化剂表面发生催化氧化反应的起燃温度约为300℃,需要通过天然气补充热量至300℃;第三区域:
催化氧化,有机废气升温至300℃后,经过催化剂表面时会发生催化分解反应,有机废气净化后废气达标排放。
二级漆雾过滤系统:
由于废气中含有漆雾及粉尘等固体颗粒物,而蜂窝活性炭对废气的颗粒物的含量及粒径有严格的要求,因此蜂窝活性炭吸附箱之前设置二级过滤器:
漆雾过滤器+中效过滤器。
设计生产的过滤器属于模块化设计方便组合、安装拆卸,使设备具备良好的实施性。
活性炭吸附+脱附:
大风量的VOCs废气经过蜂窝活性炭后,VOCs会被蜂窝活性炭的大量孔道所吸附,吸附后的气体直接达标排放;吸附到蜂窝活性炭上的VOCs经小风量的高温热风脱附下来,这样小风量的高浓度的废气引入催化燃烧炉,在催化剂的作用,在300℃温度下氧化分解为二氧化碳和水,达到废气净化的目的。
催化燃烧单元:
经脱附的气体已形成较高浓度的有机气体,通过CO进行热氧化后形成二氧化碳和水,废气得到净化处理。
同时热氧化产生的热量可降低系统辅助燃料消耗量。
4.2设计规格型号
表4-1废气处理主体设备规格型号
序号
项目
设计结果
1
设备名称
蜂窝活性炭吸附脱附+催化氧化废气处理设备
2
设备型号
KW-20000*CO
3
设备数量
1套
4
处理废气成份
苯类等
5
蜂窝活性炭规格型号数量
100*100*100mm生产线:
3m³
6
蜂窝活性炭净化效率
≥90%
7
蜂窝活性炭吸附箱
生产线:
2吸1脱
8
CO主体设备
生产线2000Nm³/h
9
CO净化效率
≥92%
10
换热效率
≥60%
11
CO工作温度
300~400°C
12
电加热器功率
60KW
13
加热管
不锈钢
14
保温棉
高铝硅酸铝纤维棉,1260型
15
系统风机
防火花设计、变频调节
第五章能效分析
运维费用分为运行费用和维护费用。
运行费用按照冷启动和正常运行两部分核算。
5.1装机容量
表5.1设备装机容量
项目
要求
装机容量
单位
备注
电力
吸附风机1
220V/380V,50Hz
37
kW
CO风机1
3
kW
电加热器1
60
kW
小计
100
kW
压缩空气
电动阀门
--
--
--
5.2二级干式过滤器
干式漆雾过滤器能较完全地去除粉尘、漆雾,气体中1um以上的尘净化效率≧99%。
它的原理是通过材料纤维改变漆雾颗粒的惯性力方向从而将其从废气中分离出来,材料逐渐加密的多重纤维经增加撞击率,提高过滤效率。
过滤时能有效通过不同过滤材料组合,利用材料空间容纳漆雾,达到更高的过滤效率是干式材料的特有性能,这一点是水洗式无法比拟的。
当过滤系统压力达到设定报警值时,报警系统发出报警信号,报警信号接入中央控制室,提醒操作人员更换滤材。
干式过滤材料纤维表面经过阻燃处理,不会同漆雾聚集而有着火危险,所有设备无须水泵,无须防腐,设备构造简单,投资少。
在蜂窝活性炭前端设有二级过滤,过滤等级分别为G4、F5,不同等级过滤器为模块化设计,组装方便。
过滤器前后设置在线压差变送器,保证废气处理系统正常、安全、稳定运行。
表6.1干式过滤器技术规格表
名称
一级过滤器
二级过滤器
数量
6*6
6*6
过滤风量
3000~3400CMH/片
3000~3400CMH/片
处理效率
G4
F5
工作温度(℃)
≤40
≤40
过滤风阻(pa)
50(始)-450(末)
80(始)-450(末)
滤网材料
玻璃纤维
合成纤维
壳体材料
金属框
金属框
尺寸mm
595*595*46
595*595*600
G4级粗效过滤采用抗断裂的玻璃纤维过滤材料组成,纤维呈逐渐递增结构,漆雾平均捕捉率高达95%以上,耐温80℃。
F5中效过滤滤材为有机合成纤维和微纤构成的无纺布,呈逐渐递增纤维结构,平均捕捉效率高达99%以上,耐温90℃。
第六章蜂窝活性炭吸附床
大风量、低浓度的有机废气的燃烧或回收,不仅需要非常大规模的设备,而且会造成巨额运行成本。
对于该问题,通过使用蜂窝活性炭吸附浓缩装置可以将低浓度大风量的有机废气浓缩成高浓度小风量,从而减低设备投资费用和运行成本,从而实现经济有效有机废气处理。
6.1沸吸附器设计
在活性炭吸附器的设计上,采用立式多层设计。
选用蜂窝活性炭为吸附剂,具有吸附性能好,流体阻力小等特点。
活性炭吸附床内装活性炭层及气流分布器,以浓缩净化有机气体,是整个装置第一个主循环的主要部件及核心工序,活性炭模块化装填,活性炭床层高度为800mm设计。
6.2蜂窝活性炭
吸附器采用煤基蜂窝活性炭(100×100×100mm)作为吸附剂,蜂窝活性炭经过耐水处理和二次烧制,具有机械强度高,耐水、耐强酸、强碱的特性,床层的阻力(压降)很小。
表6-1蜂窝活性炭参数
主要成份
活性炭
规格
100×100×100mm
壁厚
0.5~0.6mm
体密度
(380~450)kg/m3
比表面积
>700m2/g
吸苯量
≥25%
脱附温度
<120℃
使用寿命
≥1000小时
孔数
150孔/平方英寸
空塔风速阻力
490Pa
抗压强度
正压>0.9MPa;侧压>0.3MPa
第七章催化燃烧装置
7.1催化燃烧炉
设备介绍:
催化氧化炉体设备由换热器、燃烧室、蓄热体、催化床等组成。
设备箱体采用Q235材料,外表面设加强筋,壳体良好密封。
设备加工时采用Sa2/2.5级喷砂除锈,保证材料表面防锈效果良好。
设备的内外壁在经过除锈处理工艺后,均涂高温防腐油漆;同时,内部采用高效硅酸铝纤维保温,与气体介质接触部分由高性能保温棉隔离,耐温1200~1300℃。
保证燃烧室与蓄热设备外壁温度≤60℃(燃烧器周围除外)。
高温部分设警示标志。
炉体后部设置有泄爆装置。
设备设有操作维护平台,在平台和扶梯均设护栏,保障设备在操作、检修维护时能够更加安全、方便。
图7-1催化燃烧炉
7.2工作原理
废气进入催化床,与高温烟气首先在换热器单元进行换热,预热脱附废气并进入催化区域。
高浓度气体在催化床内升至300℃,进行催化氧化反应,去除效率≥99%,有机成分被氧化成无毒无害的CO2和H2O,并放出热量。
形成的烟气(<650℃)在排出时与进气进行换热后,直接排入烟囱或者进行热能回用。
图7-2催化剂
贵金属催化剂采用堇青石蜂窝陶瓷体作为第一载体,Al2O3作为第二载体,以贵金属Pd、Pt等作为主要活性组分,用高分散率均匀分布的方法制备而成,催化活性高,使用寿命长,压力损失小,降低了能耗。
常规规格型号:
100*100*100/100*100*50。
表7-1主要参数
序号
项目名称
参数指标
1
催化剂成份
以γ-Al2O3为二载,涂覆以铂、钯为主的贵金属
2
重金属含量
≥0.15g/l
3
比表面积/(㎡/m³)
200~320
4
空速/h-1
≥15000
5
载体规格/mm
100*100*100/100*100*50
6
反应温度/℃
300~500
7
催化床阻力损失/(Pa)
1000~1200
7.3电加热器
电加热器的选型设计条件如下表:
项目
数据
名称
防爆电加热器
加热介质
VOCs废气
风量
9000Nm³/h/4000Nm³/h
废气浓度
≤4000mg/m3
燃烧室压力Pa
≤2000
燃烧室工作温度
300℃
电加热丝耐温
≥600℃
加热器电压V
380
功率KW
480KW/200KW
冷却区
加热器与接线盒之间设置冷却区
防护等级
IP66
防爆等级
DIIBT4
绝缘性能
冷态绝缘电阻:
≥50MΩ,在AC1800V/1min电压下无击穿闪络现象
功率密度(800℃)
2w/cm2
使用寿命
≥3年
控制精度
±5℃
控制模式
就地/远传PLC控制
7.4爆破片
当催化氧化炉内压力突然上升,防止系统发生危险,特在催化氧化炉顶处设置爆破片,对系统实施保护,本系统爆破片选用不锈钢材质,爆破压力根据系统设计来确定。
7.5保温模块
CO箱体内部采用高铝型硅酸铝纤维保温模块,最大保温厚度200mm,保温效果优于普铝或高纯型纤维棉。
保温按照GB4272《设备及管道保温设计通则》)的要求进行,在高温部分设警示标志。
图7-3保温后设备箱体
7.6风机系统
废气风机采用吸入口镶铜片的防火设计,强化系统在易燃易爆环境中设备的安全性。
所有的风机在规定的流量和操作温度下工作,并配有:
软连接、减震垫、维修孔。
风机采用变频器控制,系统在运行过程中,可随着风量的变化,根据风机前管道压力变化自动调整风机频率,调整风机风量,节能降耗,并确保用户范围生产线的稳定。
本系统风机的在1m处噪音≤85dB(A)。
图7-4风机变频调节原理图
图7-5风机外形图
7.6.1吸附风机
风机电机配置变频器调节,根据过滤器前端压力传感器,根据实际风量及后端压力损失,自动调节输出,达到节能效果。
风机采用上海英飞风机/安泰。
规格
备注
形式
离心风机
数量(台)
1
风量(m3/h)
20000
静压(Pa)
3000
传动方式
皮带
电机品牌及等级
变频DⅡBT4IP55
风机品牌
山东星隆风机.,配变频器
材质
叶轮碳钢,外壳碳钢,
7.6.2脱附风机
规格
备注
形式
离心风机
数量(台)
1
风量(m3/h)
2000
风压(Pa)
3500
材质
叶轮碳钢,外壳碳钢
7.7风管系统
风管材质碳钢,冷却风管和脱附风管厚度为1.2mm;CO炉内300~500℃热风管,2mm厚碳钢风管岩棉外保温,并保证外表面温度小于60℃;乙方负责对接原设备的排风管,和出风口烟囱。
并且当该系统出故障停机时能自动切换到原有的排风系统;所有风管均安装接地装置和凝结水排放口,排放位置依据现场情况而定;高温风管必须有膨胀节风管能够承受最小2000Pa的静态压力;风管与风管连接无特种情况全部焊接连接,风管与设备连接采用法兰连接,风管法兰接缝处用3mm厚的陶瓷纤维绳密封。
第八章电气控制系统
废气处理设置控制系统采用PLC系统,具备设备工况监视、流程画面显示、参数显示、报警显示、自动连锁保护、接收数据软件、数据显示、数据传输、数据储存等功能,并设有紧急停车功能。
表9.1系统电气控制功能
No.
项目
功能实现
1
基础控制
联锁控制
紧急停车
延迟排空
2
引风系统控制
循环风系统
废气治理系统
3
过滤系统控制
过滤器在线压降
4
活性炭吸附脱附控制
系统温度在线
系统脱附再生
5
燃烧控制
系统温度在线
系统压力在线
CO保温模式
6
人机界面
PLC和触摸屏
8.1控制说明
为了满足生产线生产和维护,以及VOCs处理系统的自身的运行和维护,VOC系统的运行状态设置正常运行模式、紧急模式、节能模式和手动模式。
其中停车分为正常停车、保温停车两种模式。
8.1.1正常运行模式
当生产线正常生产前,VOCs废气治理设备进入正常运行模式。
催化氧化炉系统线通入新鲜空气,使催化氧化炉先进行升温,在生产线开始正常生产前完成升温(其中周一冷启动需要约1h,周二~周五则需要约0.5h)。
催化氧化炉完成升温则等待生产线开始工作。
当车间开始生产时,通过VOCs废气收集系统将生产线风平衡自动调整到设计要求,调整完毕后,开始涂装工作正式开始。
废气通过风阀及风机送到蜂窝活性炭吸附箱进行吸附净化治理。
正常运行模式下,设备无需人为干涉操作。
系统将根据系统的参数设置,通过风机、阀门、温度、压力、湿度等监控值进行PLC自动控制。
8.1.2紧急模式
当VOCs废气治理系统出现紧急情况突然停车时,系统开启紧急模式。
首先开启VOCs系统中的应急排空阀门,当所有的应急排空阀门全部到位后。
VOCs系统的风机和阀门进入关停状态。
保证废气从应急排空管道排放,保证生产线受影响的程度最小。
8.1.3节能模式
根据生产线换班间隙(<2h)的情况,VOCs系统设置节能模式。
当换班间隙开始时,将蜂窝活性炭吸附箱、脱附风机等的预热系统关停,使CO处于保温状态,减少能源消耗。
当换班完成后,可迅速恢复到正常生产的状态。
8.1.4手动模式
整套系统的单体设备:
转轮、风机、阀门、CO等均可独立手动开启及关闭,但是该模式一般只用于维护检修时使用。
8.2控制原理简图
图9.1PLC控制原理简图
图9.2电气控制网络拓扑图
8.3触摸屏功能
VOCs触摸屏可对整个工艺流程及工艺参数和设备运行情况进行监控;具备实时动态工况监视和权限管理功能。
PLC和人机界面组成的系统功能如表8-1所示。
表8-1触摸屏功能
No.
功能要求
1
设备总体布局画面
2
各分单元画面
3
运行能耗画面
4
工艺参数画面
5
数据传输画面
6
故障报警画面
7
工艺动态流程画面
8
系统I/O状态监视画面
9
自动控制画面
10
手动控制画面
11
安全权限管理
8.4控制柜要求
1)系统配置配电柜、控制柜等。
2)控制柜配电和控制范围包括
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- 催化 燃烧 设计方案 配置
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