直接燃烧法处理陶瓷基片烧结炉有机废气治理工程设计

直接燃烧法处理陶瓷基片烧结炉有机废气治理工程设计内容摘要：

下降幅度大，造成微生物数量下降，使处理效果降低。 以上容易造成 运行时脱臭性能不稳定 ，并且占地面积 也大。 催化燃烧法 催化燃烧法脱臭就是利用催化剂在低温下实现对恶臭气体的完全氧化。 催化燃烧法具有脱臭效率高、工作温度低（ 300～ 400℃ ）、能量消耗少、操作简便等优点。 但催化剂在正常工作条件下会逐渐失去活性（即催化剂老化和中毒），从而影响脱臭效率。 直接燃烧法 直接燃烧法脱臭就是在高温（ 800～ 1000℃ ）下实现对恶臭气体的完全氧化。 直接燃烧法具有脱臭效率高、工艺操作简便、运行性能稳定等优点。 但能量消耗大，运行成本较高。 在主要的技术性能指标、运行经济指标及环境可行性等方面对上述五种脱臭技术方法 进行比较，结果如表 1 所示： 表 2 各种脱臭方法的技术性能与经济指标 脱臭方法 脱臭效率 运行成本 二次污染 备 注 溶液吸收法 不高 低 有 工程投资小 吸附法 高 高 无 无再生，会产生二次污染 生物降解法 较高 低 无 工程投资小，性能不稳定 催化燃烧法 高 较高 无 废催化剂会产生二次污染 直接燃烧法 高 高 无 燃烧温度高 脱臭技术方法选择应考虑的因素 在选择脱臭技术方法时，应全面考虑如下因素： 最好能以废制废，减低运行成本； 工艺要成熟可靠，运行稳定； 7 因恶臭 物质的 嗅阈值极低 ，因此应选择脱臭效率极高的技术方法； 操作要方便灵活； 占地面积要小； 使用寿命要长； 总投资应尽可能小； 无二次污染产生。 8 3 设计 相关 资料 工程概述 潮州三环（集团）股份有限公司位于 广东省潮州市凤塘三环工业城。 是一家著名的大型高科技电子元器件制造企业，连续十一年被评为中国电子元器件制造百强企业单位。 公司占地面积 18 万平方米，现有员工 2500 多人，工程技术人员 200 多人，属下有十二家工厂、分公司。 年产各种电阻器用陶瓷基体 1000 亿只，占全世界的 40%；固定电阻器 80 亿只，居全世界同行业的第 3 位。 公司新研发的氧化铝陶瓷基片， MLCC 片式电容器、微波介质滤波器、光纤连接器瓷芯等为通讯配套的新型元器件，已成为公司新一轮发展的主导产品。 特别是氧化铝陶瓷基片，具有高绝缘强度、高机械强度、高热传导率、低热膨胀率、低介电常数、低介质损耗、优良的化学稳定性和抗冷热冲击能力，耐高温、耐腐蚀、耐磨损等特性。 该公司共有四台氧化铝陶瓷基片烧结炉，具有年产 80万平方米氧化铝陶瓷基片的生产能力。 本方案的处理对象为其中的 1＃氧化铝陶瓷基片烧结炉。 该炉具有年产 44 万平方米陶瓷基片的生产能力，炉总长 45m，其中的排酸段（陶瓷胚基片预热段）长。 由于在陶瓷胚基片成型加工过程中，主体原料氧化铝系粉体，需要用聚乙烯醇缩丁酸（ PVB）、二丁酯（ DBP）等黏合剂粘合，因此陶瓷胚基片中含有聚乙烯醇缩丁酸（ PVB）、二丁酯（ DBP）等有机物。 这些有机物在烧结炉的预热段挥发，产生 一种刺激人的嗅觉器官，普遍引起不愉快或厌恶、损害人体健康的气味。 因此 需对烟气进行脱臭治理。 设计依据和标准 《中华人民共和国环境保护法》 ； 《工业炉砌筑工程施工及验收规范》（ GB502112020） ； 《工业炉砌筑工程质量检验评定标准》 ； 《钢结构设计规范》（ GB500172020） ； 《砌体结构设计规范》（ GB500032020） ； 《外墙保温工程规程》（ JG1442020） ； 《施工现场临时用电安全技术规范》（ JGJ462020） ； 9 《低压配电装置及线路设计规范》（ GBJ5483） ； 《通用用电设备配电规范》（ GBJ5005593） ； 《广东省地方标准 —大气污染物排放标准》（ DB44272020） ； 1 《大气污染物综合排放标准》 （ GB162971996） ； 1 《工业企业厂界噪声标准》（ GB1234890）。 设计原则 （ 1） 不影响陶瓷烧结工艺的正常进行。 （ 2） 不改变陶瓷烧结炉外形结构。 （ 3） 严格执行国家有关环境保护的各项规定，确保处理后的废气达标排放。 （ 4） 采用技术先进，运行稳定可靠的工艺，将先进性、可靠性和实用性有机结合。 （ 5） 保障处理 系统正常稳定运行，要求工艺流程简练、设备品质先进可靠，操作简单 ， 减少设备维修，便于运行管理。 （ 6） 本着安全使用，经济合理的原则，尽可能降低运行费用。 设计范围 （ 1） 工艺 流程的选择和设计。 （ 2） 非标准设备的制造与标准设备的选型。 （ 3） 工程设备的运输、安装、调试及培训。 10 4 脱臭工艺技术方案 脱臭工艺流程 在比较上述五种脱臭技术方法的基础上，并结合 潮州三环（集团）股份有限公司陶瓷基片烧结炉 恶臭产生的具体情况，本方案 采用直接燃烧法， 其工艺流程图如下： 陶瓷胚基片陶瓷烧结炉预热段陶瓷烧结炉烧结段 陶瓷烧结炉冷却段陶瓷基片产品热烟气间接热交换器换热后汇集烟道 烟 囱排 放图 瓷烧结炉有机废气治理工艺流程图 工艺简介 本方案采用的直接燃烧法不同于一般意义上的直接燃烧法，它是根据陶瓷基片生产工艺具有高温燃烧设施这一特点，通过利用废烟气的间接传热进行燃烧而 治理恶臭污染的。 治理工艺简述如下： 烧结炉烧结段热烟气以 10m/s 的流速通过 Ф500mm管道，在锅炉引风机加压后，进入烧结炉预热段的间接换热器，间接换热器将烧结炉烧结段热烟气的热量传递给陶瓷基片胚体，陶瓷基片胚体受热后，蒸发出胚体中的聚乙烯醇缩丁酸（ PVB）、二丁酯（ DBP）等有机物。 这些有机物发热值较大，送入烧结炉烧结段进行燃烧，燃烧后的热烟气又经锅炉引风机加压后，进入烧结炉预热段的间接换热器，如此周而复始。 11 间接换热器换热后的低温烟气汇集后经烟囱排放。 因为聚乙烯醇缩丁酸（ PVB）、二丁酯（ DBP）等有机 物在高温下被氧化，氧化反应剧烈且完全彻底，氧化产物是对人体无害的二氧化碳和水，从而解决了 恶臭污染问题。 工程特征 本项目不是普通意义上的环境污染治理工程（工业炉窑废气处理），而是具有工艺技术改造（节能）性质并结合环境污染治理的综合工程。 它具有如下特征： 陶瓷生产工艺技术性强 现行的陶瓷基片烧结炉的陶瓷胚基片预热段的加热方式是采用热烟气直接加热的。 由于环境污染治理工程的要求，要改造成间接加热方式，这需要解决二大技术难题： 陶瓷胚基片预热段的内部空间能否容纳热烟气加热的间接热交换器 ，经过测定 ，炉的内壁只有 15 公分左右，故换热器的厚度不能超过此厚度，选取换热器 公称直径以 100 mm 为宜。 实现间接加热后，热陶瓷胚基片预热段的温度分布能否适应陶瓷烧结工艺的要求 ，所以要求在换热器加上调节气体流量的阀门。 环境污染治理水平要求高 本项目的治理目标污染物是含有聚乙烯醇缩丁酸（ PVB）、二丁酯（ DBP）等物质的有机气体，这些物质 蒸气压大、容易挥发，易溶于水和脂肪，嗅阈值极低，即使浓度是在 109 数量级，也会由呼吸器官明显感觉出来。 因此，脱臭效率必须大于 99％。 工程效益大但风险也大 本 项目利用了陶瓷基片胚体中的聚乙烯醇缩丁酸（ PVB）、二丁酯（ DBP）等有机物的热值，降低了 陶瓷烧结炉的燃料消耗，具有较大的经济效益。 由于采用直接燃烧法处理 含有聚乙烯醇缩丁酸（ PVB）、二丁酯（ DBP）等物质的有机气体，氧化反应剧烈、完全彻底， 脱臭效率在 99％以上，环境效益非常明显。 工程存在如下二大风险： 实现间接加热后，陶瓷胚基片预热段的温度分布有可能不适应陶瓷烧结工艺的要求而影响产品质量。 12 实现间接加热后，进入陶瓷胚基片烧结段的气体中，聚乙烯醇缩丁酸（ PVB）、二丁酯（ DBP）等物质的浓度有可 能达到 “爆炸下限 ”浓度，从而发生生产事故。 技术关键 本方案的技术关键是如何进行 间接换热器对烧结炉预热段的温度调节。 必须： 距离烧结炉炉头 1730mm的 1＃温度测孔处的温度为 130℃ ； 距离烧结炉炉头 1690mm的 2＃温度测孔处的温度为 160℃ ； 距离烧结炉炉头 2960mm的 3＃温度测孔处的温度为 220℃ ； 距离烧结炉炉头 3200mm的 4＃温度测孔处的温度为 290℃ ； 距离烧结炉炉头 2980mm的 5＃温度测孔处的温度为 400℃ ； 距离烧结炉炉头 3100mm的 6＃温度测孔处的温度 为 650℃。 才能 保证陶瓷基片的产品质量。 本方案的主要优点 本方案是将恶臭污染消灭在产品的生产过程之中，是目前国家大力提倡的 “清洁生产 ”的方法。 它不仅从根本上解决了恶臭的污染问题，而且还利用了陶瓷基片胚体中的聚乙烯醇缩丁酸（ PVB）、二丁酯（ DBP）等有机物的热值，降低了 陶瓷烧结炉的燃料消耗。 13 5 工艺设计计算 因为本陶瓷基片属于陶瓷高温产品 ，窑炉中的 最高的 燃烧温度需达到 1580℃ 以上，才能保证产品的质量，而窑炉中采用的瓦斯作为燃料，经过厂方鉴定，其主要成分为丁烷（ 4 10CH ）而排出的燃烧气体也很高温，初始温度假定在 1100℃ 进行计算。 空气量、烟气量及散热量的计算 产热量计算： M=85 /kgh 4 10CH 燃烧化学式 ： 4 10 2 2 213 452C H O CO H O   先以每 kg 4 10CH 完全燃烧时候所需要的理论需氧量： 13 32 58 kg   4 1 03 . 5 8 6 3 2 / 1 1 2 . 1 /k g g m o l m o l k g C H 假定干空气中的氮气和氧气的摩尔比是 ，则 1kg 4 10CH 完全燃烧时候所需要的理论空气量为 1 1 2 .1 ( 3 .7 8 1 ) 5 3 5 .8 /m o l k g   即 . 8 /1000Nm kg 理论空气量条件下的烟气组成： 2 : (1 5 8 / ) 4 7 0 . 0C O k g g m o l m o l   2 : (1 5 8 / ) 5 8 6 . 2H O k g g m o l m o l   2 : 1 1 2 .1 3 .7 8 4 2 3 .7N m ol 理论烟气量： 7 0 8 6 .2 4 2 3 .7 5 8 0 m ol   即 13 /1000Nm kg 1 kg 4 10CH 完 全 燃 烧 时 候 所 需 要 的 理论 空气 量 质 量 流 量 ：4 4 7 0 1 8 8 6 . 2 2 8 4 2 3 . 7 1 6 4 9 5 . 2 g = 1 6 . 5 k g      14 实际中瓦斯的燃烧速率为 85 /kgh ，则 85kg 时候 1 6 .5 8 5 1 4 0 2 .5kg 因为燃烧时候 陶瓷基片胚体中的聚乙烯醇缩丁酸（ PVB）、二丁酯（ DBP）等有机物会与氧气反应挥发出来，故需要比较大的空气过剩系数，假定空气过剩系数  时候，实际烟气量为 31 3 1 2 0 .2 1 5 .4 /Nm kg   实际中瓦斯的燃烧速率为 85 /kgh ，则理论空气量 385 12 .0 10 20 /Nmh 理论烟气量 385 15 .4 13 09 /Nmh 而实际空气量质量流量： 1 4 0 2 .5 1 .2 1 6 8 3kg kg 当理论烟气量在 1100℃ ，时理论烟气量的实际体积为 31 3 0 9 (1 3 7 3 .1 5 2 7 3 .1 5 ) 6 5 8 0 /Nmh   燃烧过程中的低位发热量计算 每 mol 丁烷燃烧放出的热量为 2900kj ，而１摩尔液态水汽化时需要吸收 44kj 的热量 所以燃烧过程中产生的总热量为 68 5 ( 1 0 0 0 5 8 2 9 0 0 5 1 0 0 0 5 8 4 4 ) 3 . 9 3 1 0 kj         换热器的设计计算 假设空气中 的温度为常温 20℃ 本设计中 直接燃烧 需要较高的起燃温度，而 直接燃烧 后的净化气体温度也较高， 可达到 1100℃。 通过热交换装置， 提高进入燃烧系统的废气的温度，同时降低排气温度，从而降低成本。 本设计采用的 壳 管式换热器，它结构简单 、 坚固 、 制造容易 、 处理能力大 、 适应性强 、 操作弹性较大 ， 尤其在高压 、 高温和大型装置中使用更为普遍。 固定 壳 管式换热器主要由壳体 、 管束 、 管板 、 封头和折流挡板等部件组成。 管束两端用胀接法或焊接法固定在管板上。 废气温度高于 1100℃ 的管段应选用耐热合金钢或不锈钢， 400℃ 以下的管段， 可以选用低合金钢或锅炉用钢。 鉴于本设计很多的工段都高于 400℃ ，并且考虑不锈钢的耐 15 用性，故 本设计 全部采用不锈 钢。 计算散热量 燃烧后 未 净化气量为 QB =6580m3/h 理论空气量 385 12 .0 10 20 /Nmh 实际空气量 31020 1224 /Nmh 当理论烟气量在 650℃ ，时理论烟气量的实际体积为 312 24 ( 92 3. 15 27 3. 15 ) 41 36 .7 /Nmh   查《化工原理》 P365。