贺俊梅 张红伟

（维珂瑞（北京）环境科技有限公司 北京 100012）

引言

硅烷等有机硅属于新型高性能材料，具有性能独特、种类多样等特点，其广泛涉及材料、电子、能源、信息等产业[1]。随着国家战略性新兴产业重点产品目录的发布，新兴产业快速发展，硅烷等有机硅材料作为国家战略性新兴产业材料重要组成部分，用量也日益增长。随之带来的就是生产过程中产生大量的硅烷废气[2]。硅烷废气有毒且易燃易爆，为降低环境污染，保证硅烷材料产业持续稳定的发展，必须经过无害化处理方可排放。

焚烧处理技术是目前较为先进的、彻底有效的、认可度较高的无害化处理技术，无论在环保还是安全方面都具有很大优势[3]，包括直燃式焚烧炉（TO）、换热式催化氧化炉（CO）、蓄热式高温焚烧炉（RTO）、蓄热式催化氧化炉（RCO）。由于催化氧化炉中催化剂在某些特定条件下容易中毒而失去活性，运行时设备维修成本较高，因此，在处理有机废气时，采用TO 和RTO 这两种焚烧技术居多。又因RTO 在具备氧化温度高、净化效率高的特点的同时，凭借着陶瓷蓄热体的存在，还补足了TO 能耗高、热回收效率低的缺点，从而被广泛应用于各行各业的有机废气治理当中。但是在处理含有硅烷等有机硅废气时，逐渐暴露出RTO 技术的缺点。分析其原因：硅烷在高温氧化过程中产物为CO2、H2O 以及SiO2，SiO2以固态形式存在，在陶瓷蓄热体表面易形成结晶，微观上表现为构成陶瓷蓄热体的硅铝酸盐与SiO2结晶具有相近性[4]，使得二者紧紧结合在一起，宏观上表现为SiO2在陶瓷蓄热体表面层层生长、堆积，占据蓄热体传热孔道，造成RTO 系统压力增加、传热效果变差、排气温度变高等严重后果[5]。在RTO 处理硅烷废气的弊端暴露之后，行业中对于含有硅烷废气的处理不再建议采用RTO 焚烧技术，而是优先选用TO 这种不易被硅粉堵塞的设备，而且有研究表明TO 法处理含硅有机废气的正确性与优势[3][6][7]。但是TO 处理技术存在能耗高的缺点，因此，实际应用中设计一种无害化、资源化的处理工艺极为关键。

本文借助河南省某企业硅烷废气焚烧系统为研究对象，提出一种防堵、高效、节能、资源化利用的处理工艺，为硅烷废气的优化治理提供一种借鉴。

1 硅烷废气焚烧处理方案

1.1 设计基础

直燃式焚烧炉应用形式有两种，一种是预热器与焚烧炉一体化形式，一种是预热器与焚烧炉分开独立形式。无论哪种形式在处理硅烷废气中均有应用[1][6]。但是，一体化形式不适用于含有腐蚀性较高的废气，原因是不仅前期设备投资高，若后期预热器存在腐蚀，维修与更换难度很大，维修成本也非常高。因此，对于含有腐蚀性强的废气，一般建议采用预热器与焚烧炉分开独立形式。

鉴于本项目废气源成分中含有腐蚀性气体，本项目采用炉膛和预热器分开独立形式。工艺选择原则：先进、稳定、适应性强；利用成熟焚烧设备无害化处理；充分利用大量余热与现有沼气预热废气，节约能源；资源转化与合理化利用；全自动化控制，安全可靠、操作方便。本文针对现场运行情况，在防堵塞、去除效率、节能降耗、资源化利用方面展开研究与分析，佐证该系统在处理硅烷废气时的优越性。

1.2 工艺流程图

图1 为本项目硅烷废气焚烧处理系统的工艺流程示意图。

1.3 系统构成与主体功能介绍

硅烷废气焚烧处理系统包含核心处理系统（直燃式焚烧炉TO）、余热回收系统（预热器、余热锅炉、省煤器）、硅粉旋风处理系统、后处理系统、输送系统（风机）、安全与控制系统。系统中采用旋风处理是最大可能降低SiO2粉尘对余热锅炉的影响，提高热回收效率、提高蒸汽产量。

（1）TO 炉的氧化焚烧

本项目硅烷废气焚烧处理系统设计处理能力15000Nm3/h，车间硅烷废气经收集安全输送至处理系统，废气首先利用预热器进行初步升温至350-400℃，再送入TO 氧化焚烧，如此则节约燃烧机燃料消耗。进入TO 的硅烷废气高温氧化后生成含SiO2的小分子化合物，净化效率高。TO 采用卧式，燃烧器安装在焚烧炉炉头，选择天然气和沼气作为供热燃料。

（2）TO 后的余热回收

受预热器热传递效率的影响，TO 高温排气经过预热器第一次热量回收后，气体温度依然很高，含有大量热能，采用余热锅炉收可将大部分热量回收，并产出0.8MPa 饱和蒸汽，此为系统第二次热量回收。经过余热锅炉的烟气温度由400-450℃降至约200-250℃，然后再进入省煤器，此单元为第三次热量回收，作用是初步加热锅炉给水，节省能源消耗，提高锅炉蒸汽产生量，此单元后的烟气温度被降至120-150℃，经后处理设备，最终由风机排入烟囱。

（3）安全与控制系统

系统中在管道与设备单元均设置必要的温度、压力、可燃气体浓度监测仪表，实时监测管道、设备单元风压、温度、浓度信息，并实现关键的控制连锁关系，确保处理系统稳定、可靠运行。

1.4 气体检测仪器和方法

（1）气体检测仪器

VOCs 浓度检测采用非甲烷总烃分析仪，品牌TESTA GmbH，型号FID-2010nmHC；气体成分分析采用气相色谱－质谱联用仪，品牌东西分析，型号GC-MS 3100。

（2）气体检测方法

《HJ 734-2014 固定污染源废气 挥发性有机物的测定 固相吸附－热脱附/气相色》；《DB 11/T 1367-2016固定污染源废气甲烷/总烃/非甲烷总烃的测定 便携式氢火焰离子化检测器法》。

2 运行效果分析

2.1 最佳炉膛温度与停留时间的分析

众所周知，影响燃烧过程的因素包括温度、停留时间、湍流度，简称3T 因素。在炉体结构确定的情况下，本部分只针对最佳炉膛温度和停留时间进行分析与探讨，由于TO 炉膛截面积、长度一定，停留时间可由烟气在炉膛内的流通量间接表示。本部分探讨仅采用天然气作为供热燃料。

最佳炉膛温度的分析见图2，运行条件为风量15000Nm3/h，进气浓度2500mgC/m3（采用非甲烷总烃分析仪进行检测）、进气温度30℃、炉膛内停留时间1.5s。图中展示出，炉膛温度高于750℃，变化趋势较为缓慢，达到850℃以上时，TO 去除效率基本保持不变，且850℃以后去除效率达98.5%以上。可见，TO 炉膛温度达到850-900℃时为最佳，此时去除效率较高，综合经济和排放要求，则本项目设置炉膛长期运行温度为850-900℃。

再取10000-25000Nm3/h 范围内6 点风量值对最佳停留时间进行分析，在TO 尺寸一定的前提下，通过风量核算炉膛停留时间进行讨论。运行中其他参数同上，炉膛温度设定850-900℃，对应炉膛停留时间与去除效率的变化曲线见图3。图中可见，停留时间和去除效率是成正比的关系，当停留时间达到1.3s 左右时对应风量为16500Nm3/h，去除效率可达98%以上，当停留时间达到1.5s 左右时对应风量为15000Nm3/h，去除效率可达98.5%以上。由于TO 设备设计需满足甲方30%-110%处理负荷的要求，根据调试与试运行结果，TO 设备运行可实现设计运行负荷下的达标排放，且设备停留时间取值合适，设备造价设定合理。

2.2 实际应用效果分析

实际应用中，车间硅烷尾气风量共计15000Nm3/h，运行时相关参数为：进气浓度2500-3000mgC/m3、进气温度30℃、炉膛温度850-900℃，炉膛内停留时间1.5s。硅烷废气焚烧处理系统在运行时采集了一系列数据，在沼气与天然气供热情况下，探讨系统VOCs 排放情况，检测结果见图4。根据数据显示，直燃式焚烧炉对硅烷的去除效率较高，无论天然气还是沼气供热均达到98%以上的去除效率，出气浓度不高于60mgC/m3，满足国家与地方的排放要求。同时，在废气源与燃烧产物检测分析中发现，车间尾气中主要由四甲基硅烷、三甲基氯硅烷、烷烃类等其他物质构成，经过氧化焚烧生成成分简单的CO2、H2O 以及SiO2和HCI，说明本系统中硅烷废气在850-900℃炉膛内可以被完全分解、彻底去除，实现了有机废气无害化的目标。TO 系统的高效性与管道压力的稳定性，完全可以替代蓄热式焚烧炉处理硅烷废气，避免了SiO2堵塞的问题。

3 经济效益分析

直燃式焚烧炉在一些行业完全被蓄热式焚烧炉取代，最重要的因素是其能耗太高，反过来在一些硅烷产生行业又不得不采用直燃式焚烧炉，因此，尽可能的回收热能是直燃式焚烧炉一大急需突破的难题。本部分就是在系统高处理效率前提下，来讨论系统热量回收与资源化利用效果，证明本系统具有较高的热能回收效率。见图5，截取某一次系统运行画面，根据处理风量15000Nm3/h 进行热量与能耗计算。

3.1 余热回收部分热量核算与能源节约

（1）余热回收单元热量核算

TO 炉排出的高温烟气依次经过预热器、余热锅炉、省煤器进行热量充分回收。根据运行画面图5，预热器将30℃的废气升温至384℃，同时将TO 炉805℃的高温排气降至442℃，热量回收约2130kW；余热锅炉采用气液逆流换热形式，将预热器出来的烟气降至204℃，热量回收约1500kW；省煤器作为余热锅炉给水初步升温，同时将余热锅炉出气降至137℃，热量回收约400kW。整个系统，共计回收热值约3900kW，约85%以上的热回收效率。

（2）燃烧机单元能源节约与余热锅炉热量产值

预热器的设置降低天然气/沼气热能消耗约2130kW，合计节约天然气约215m3/h；余热锅炉蒸汽系统产出0.8MPa 饱和蒸汽1.5t/h，该蒸汽用于车间生产。

3.2 实际经济价值分析

本项目废气中的硅烷含量为2500-3000mgC/m3，经济效益核算中取浓度2500mgC/m3、废气总量15000Nm3/h、废气平均热值热取7500kcal/kg、系统热回收效率85%，经济价值分析时以天然气和沼气供热分别核算，沼气为厂区自产能源不计运行费用。另外，产生的饱和蒸汽直接用于生产过程中，此部分按照热量折算。表1 中可见，硅烷废气焚烧处理系统，若采用天然气供热每年运行费用845 万元，其中天然气为主要消耗能源占总运行费用的98.4%，年经济费用需支出429 万元；若采用沼气供热每年运行费用仅为13.5万元，年净收益402.5 万元，经济效益极为可观。同时，预热器年节约能源消耗596 万元，极大降低系统运行成本。

表1 系统运行费用与资源化利用价值

综上，本项目所投入使用的硅烷废气焚烧处理系统，在无害化处理的前提下，先进的工艺设计与现有能源的合理利用，使得系统具有很大的经济效益、产值可观，适用于硅烷这种氧化产物易于堵塞蓄热体的废气治理，本文为含硅有机废气的治理工艺指明优化方向。

4 注意事项

采用本系统需要注意以下内容：

（1）当废气源中含有较多颗粒物或者酸性气体，在进入TO 系统前需进行预处理，一般采用干式过滤器去除颗粒物，采用洗涤塔去除大部分酸性气体，预处理后的烟气再进入TO 系统，可保证设备长期稳定运行，降低设备投资、节约设备维护成本。

（2）当系统发生故障需要紧急停机或者停机检修时，进入系统的主管阀门需要关闭，打开旁路管道阀门，实行应急处理模式。TO 炉需实行对应停机程序，待系统一切正常后方可开机。

（3）TO 系统前端需设置阻火器、隔断阀、可燃气体检测仪，TO 炉体设置泄爆阀，关键位置需要设置温度仪表，控制进入焚烧室的浓度、监控系统的温度，保护系统安全与稳定。

（4）系统设备前后需要设置压力仪表或者差压变送器，监控设备阻力信息，提示设备清灰与日常维护。关键位置也需设置压力仪表与风机连锁，确保系统烟气排放顺利，并不影响生产车间运行。

结语

对于含有硅烷的有机废气建议采用直燃式焚烧炉处理系统，具体优势如下：

（1）去除效率高，实现达标排放：采用TO 处理技术，在天然气和沼气供热下，设定炉膛温度850-900℃、停留时间1.5s 左右，焚烧系统去除效率均维持在98%以上，满足排放要求。

（2）抗堵塞能力强：TO 的使用有效地替代了RTO处理方式，SiO2不会对TO 炉造成堵塞情况，解决了硅烷氧化产物易于堵塞设备的问题。

（3）余热回收效率可观、资源化利用合理：TO 炉出口采用三次热量回收措施，第一次为预热器，回收的热量直接用于预热TO 炉进口烟气，降低供热燃料消耗；第二次为余热锅炉，利用回收的热量产生饱和蒸汽用于车间生产，实现资源化回收与合理化利用；第三次为省煤器，预热锅炉给水，节省能源消耗。系统多次的余热回收，保证热回收效率达85%以上。

（4）现有能源合理使用：采用沼气等厂区现有能源供热，减少天然气等能源消耗，降低系统运行成本，提高系统经济效益。