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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
揮發性有機物蓄熱式焚化設施之性能操作研究(Ⅱ)
Performance Study on the Treatment of Gas-Borne Volatile Organic
Compounds (VOCs) by A Regenerative Thermal Oxidizer
(Ⅱ)
計畫編號：NSC90-2211-E-110-001 執行期限：90年8月1日至91年7月31日
主持人：周明顯(國立中山大學環境工程研究所)
摘要
本 研 究 使 用 一 實 廠 小 規 模 電 熱 式 RTO (regenerative thermal oxidizer)，評估 其操作條件對排氣中VOC破壞去除效率 及能源回收率之影響，以作系統性能改進 及操作依據。 供試RTO為雙槽式，蓄熱床尺寸為 0.5 m (L) × 0.5 m (W) × 2.0 m (H)，床內填 充1.16 cm粒徑礫石1.48 m厚，填充層孔隙 度為0.405。 實 驗 分 進 氣 無 VOC 及 含 VOC 二 階 段。在進氣無VOC部分，分別試驗氣體 空塔流速Ug (10-20 m/min)、閥門切換時 間ts (1.5 min) 、 及 蓄 熱 床 最 高 溫 度Tmax (474-778 oC)等操作條件對其熱回收率及 壓損之影響；在進氣含VOC部分，試驗 在相同ts (1.5 min)時，三種VOC(三氯乙 烯 、 二 氯 甲 烷 及 二 丁 醚 ) ， 在 不 同 Tmax (475 -487 及 758-778 oC) 及 Ug (10~20 m/min)範圍時，設備對VOC之破壞去除 效率；另評估設備在此操作條件下之反應 中間產物及耗電狀況。 進氣無VOC試驗結果顯示設備皆能 維持85%以上之熱回收率，進氣風量為影 響熱回率之主要因素，與熱回收率成反比 關係；蓄熱床平均溫度及進氣風量為影響 壓損主要之因素，兩者與壓損成正比關 係。 進氣含 VOC試驗結果，顯示Tmax＝ 758-778℃時，三種VOC皆有90%以上之 轉化率；然Tmax＝475-487 ℃時，僅二丁 醚之轉化率高於80%；Ug對VOC之轉化率 並無顯著影響。Tmax＝475-487℃、Ug ＝ 10-20 m/min時，三氯乙烯、二氯甲烷之 最終產物為HCl、CO2及H2O，中間產物 以 CO 為 主 ， 含 氯 中 間 產 物 為 COCl2及 C2Cl4（僅三氯乙烯被檢測出）；處理二 丁醚時，最終產物為CO2及H2O，中間產 物主要為CO、烷、醇、烯類及醋酸等。 Tmax=758-778 ℃ 、 Ug ＝ 10-14.5 m/min 時，處理三氯乙烯、二氯甲烷之最終產物 為 HCl 、 CO2及 H2O ， 中 間 產 物 以 CO 為 主，含氯中間產物為COCl2；處理二丁醚 時，最終產物為CO2及H2O，中間產物主 要為CO、烷、醇及烯類等。 關鍵詞：蓄熱式氧化器(RTO)、揮發性有 機物(VOC)、熱回收效率
In this study, a pilot-scale regenerative thermal oxidizer (RTO) was used to test its performance for volatile organic compound (VOC) destruction and degree of thermal energy recovery. The purposes were to improve its performance and establish its operation conditions.
The RTO is electrically heated and contains two 0.5 m × 0.5 m × 2.0 m (L × W × H) beds both packed with gravel particles of around 1.16 cm in average diameter to a
2 height of 1.48 m. The bed has a void fraction of 0.405.
Experiments include two phases: (1) tests to find the degree of energy conservation and the pressure drop for the air stream with no VOC in the influent air stream, and (2) tests to find the degree of VOC destruction with influent air streams containing one of the three VOCs: trichloroethylene, dichloromethane, and dibutyl ether. Intermediates in the course of VOC destruction were also detected in the second phase experiment.
Phase one experiment was conducted for the following conditions: superficial gas velocity (evaluated at ambient temperatures of 26-29 oC) Ug = 10-20 m/min, bed shift time ts = 1.5 min, and maximum gravel temperature Tmax = 474-778 oC. Results
show that the RTO has a heat recovery efficiency R of over 85% and Ug is the main affecting factor. R is inversely proportional to Ug. Gas pressure drop over the bed height is proportional to the average temperature of the bed gravels.
In the phase two experiment, Ug of 10-20 m/min, ts of 1.5 min, and Tmax of 475-487
and 758-778 oC were used. Results show that over 90% of the influent VOCs were destructed when Tmax was set in the higher
range. However, in the lower Tmax, over
80% destruction was obtained only for dibutyl ether and the VOC destruction was not closely related to Ug.
For Tmax = 475-487oC and Ug = 10-20 m/min, complete oxidation products of trichloroethylene and dichloromethane are HCl, CO2, and H2O, and the main intermediates are CO, COCl2, and C2Cl4 (detected only for trichloroethylene). For dibutyl ether, complete oxidation products are CO2, and H2O, and the main intermediates are CO, alkenes, alcohol, alkenes, and acetic acid. For Tmax =
758-778 oC and Ug = 10-14.5 m/min, complete oxidation products of trichloroethylene and dichloromethane are HCl, CO2, and H2O,
and the main intermediates are CO and COCl2. No acetic acid was detected for dibutyl ether in the higher temperature range.
Key words：RTO, VOCs, heat recovery
一、前言
本研究為蓄熱式焚化法(Regenerative Thermal Oxidation, RTO) 之 操 作 性 能 試 驗，與其他方法比較，RTO之初設成本相 對較高，但是有操作簡易、土地需求不 大 、 處 理 效 果 佳 、 操作彈 性大 (可處理 低、中、高濃度VOCs)、安全性較佳(採 電能加熱，無爆炸、火災之虞)等優點， 以長遠的眼光來看亦屬經濟。1-3 本研究利用一實廠RTO，處理排氣中 三氯乙烯、二氯甲烷及二丁醚，以獲得 RTO對該三溶劑(單一成份進氣)之破壞去 除率、反應產物、RTO之熱回收效率等資 料。
二、設備及方法
設備
實驗設備構造如圖1所示，主要包括 兩個蓄熱床、1組電熱加熱器、10支溫度 感應器(每床各4支，加熱區及排氣口各一 支)、4組電磁閥(切換氣體流向用)、一部 抽風機及溫度控制系統等。無VOC進流試驗方法
分別設定加熱區溫度Tset（500、800 ℃）及閥門切換時間ts＝1.5 min，待床溫 穩定後，分別改變不同氣體流量Q（2.5、 3.62及5.0 CMM），記錄其風量、壓差、 用電量、各床高溫度及出口溫度隨時間之 變化15 min，進口溫度於記錄前後各測一 次取其平均值。含VOC進流試驗方法
設定加熱區溫度Tset＝500 ℃、風量Q3 ＝2.5 CMM及閥門切換時間ts＝1.5 min。 待床溫及風量穩定後，依序處理由曝氣設 施產生之高、低濃度之三氯乙烯、二氯甲 烷 及 二 丁 醚 等 VOCs ， 每 批 次 處 理 20 min 。 在 處 理 過 程 中 ， 分 別 記 錄 進 出 口 VOCs濃度(以甲烷計)、出口CO、CO2、 HCl 、 Cl2及 COCl2濃 度 ( 二 丁 醚 為 進 流 VOC時，僅分析CO2濃度)、各床高及出 口溫度，進口溫度於記錄前後各測一次取 其平均值，實驗結束時記錄用電量。再改 變風量及溫度後分別試驗。
分析方法
VOC 濃 度 分 析 使 用 攜 帶 式 GC-FID (PE PHOTOVAC, Micro FID, CZGH339, USA)，並以甲烷標準氣體作校正。出口 CO濃度使用煙道氣體分析儀(IMR 3000PGAS ANALYZER, USA) 量 測 ， CO2、
HCl 、 Cl2及 COCl2濃 度 則 利 用 檢 知 管 （Gastec detector tube, JAPAN）測定。中 間產物則利用吸附管採集後，再經由GC-MS (Shimadzu, Japan)配合熱脫附裝置進 行 分 析 。 進 出 口 風 量 使 用 風 速 計 (Testovent 4300, Germany)量測。
三、結果與討論
焚化溫度對VOCs破壞去除率之影
響
焚化溫度與VOCs破壞去除率之關係 如圖2至圖4。結果顯示Tmax＝475-487 ℃ 時，僅二丁醚之破壞去除率高於80%；但 焚化溫度上升至Tmax=758-778 ℃時，三 種VOCs皆能被有效氧化分解，其破壞去 除率可達90 %以上。中間產物及最終產物
在最終產物方面，以檢知管及氣體偵 測器分析反應產物結果，顯示三氯乙烯與 二 氯 甲 烷 之 最 終 產 物 為 HCl 、 CO2及 H2O，而二丁醚為CO2及H2O。 另 外 ， 在 中 間 產 物 方 面 ， CO 及 COCl2 (處理三氯乙烯及二氯甲烷時)為共 同中間產物外，三氯乙烯之中間產物主要 為烷類及四氯乙烯等，其中四氯乙烯僅於 500℃時被偵知；當溫度上升至800℃時即 消失；二氯甲烷之中間產物主要為烷及醇 類等，無其他含氯中間產物；二丁醚之中 間產物主要為烷、醇、烯類及醋酸等，其 中醋酸僅於500℃時被偵知，當溫度上升 至800℃時則消失。四、參考文獻
1. Don, J. A. and Feenstra L.,Odour abatement through biofitration,” In Proceedings of Symposium on Characterization and Control of Odoriferous Pollutants in Process Industrirs: Lonvain-La Neuve (Belgium), April, 1984. 2. 李偉勝，「模場與實場蓄熱式焚化爐 處理排氣中揮發性有機物質之操作性 能研究」，國立中山大學環境工程研 究所碩士論文，中華民國八十九年六 月。 3. 賴慶智，「臭味及有機廢氣處理實務 (一)、(二)」，環保實務及新技術交 流研討會，中華民國環保科技學會， 高雄市，中華民國八十六年三月。 4. Joseph M. K., Development and Testing
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the Air & Waste Management Assoc.
June 8-13, Toronto, Ontario, Canada, 1997.
5. Cooper, C. D. and Alley, F. C., Air Pollution Control, A Design Approach, Waveland Press, Inc., Illinois, 1990.
4 6. Perry, R. H. and Green D., Perry’s
Chemical Engineers’ Handbook, 6th Ed., McGraw-Hill International Ed., Section 26, 1984. 電熱線
