1
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觸媒焚化設施之
熱傳模式及驗證(I)
Study on the Treatment of Gas-Borne Volatile Organic Compounds
(VOCs) by Regenerative Thermal Oxidizers (I)
計畫編號：NSC 89-2211-E-110-002-執行期限：88 年 8 月 1 日至 89 年 7 月 31 日 主持人：周明顯(國立中山大學環境工程研究所) 研究助理：李偉勝、鄭文熙(國立中山大學環境工程研究所)
一 、 中 文 摘 要
本 研 究 是 以 實 場 規 模 之 蓄 熱 式 焚 化 裝 置 (Regenerative Thermal Ox idation, RTO)， 處 理 排 氣 中 揮 發 性 有 機 物 質 (Volatile Organic Compounds, VOCs)， 處 理 VOCs 成 份 分 別 為 丁 酮 及 油 漆 溶 劑 (丁 酮、二 甲 苯 、 乙 苯 及 乙 酸 乙 酯 )。實 驗 設 備 係 一 組 雙 床 式 (1.0 mLx 1.0 mW x 2.0 mH)RTO， 蓄 熱 床 以 碳 鋼 製 作 ， 蓄 熱 床 填 充 材 為 級 配 石 (Gravel)，其 粒 徑 為 1.25 公 分 。 操 作 風 量 分 別 為 12 及 20 NCMM， 利 用 電 熱 式 加 熱 器 ， 將 蓄 熱 材 上 半 部 溫 度 預 熱 到 所 需 操 作 溫 度 ( 低 溫 約 200~500 ℃ , 高 溫 約 400~700℃ )。 實 場 研 究 評 估 RTO 依 不 同 操 作 條 件 下 ， 結 果 顯 示 在 級 配 石 溫 度 300~500 、 200~300 、 500~700 及 400~700℃，氣 體 在 該 溫 度 之 間 級 配 石 停 留 時 間 分 別 為 0.86 、 1.07 、 0.39、0.41 秒 時，VOCs 之 平 均 破 壞 去 除 效 率 分 別 為 92、 84、 98 及 95 %。 關 鍵 詞 ： 蓄 熱 式 焚 化 爐 、 揮 發 性 有 機 物 質 、 丁 酮 、 油 漆 溶 劑Abstr act
Performance studies on the treatment of VOCs in air streams by two full-scale regenerative thermal oxidizers (RTOs) were conducted. The RTOs were constructed with two regenerative beds packed with gravel (average particle size = 1.25 cm) used as the thermal regenerative solid material.
A paint solvent containing methyl ethyl ketone, ethyl benzene, xylenes, and ethyl acetate was used for the target VOCs. Experimental results indicate that, at a superficial gas velocity of 0.372 m/s (evaluated at 25 ℃ ), VOC destruction efficacies of 84, 92, 95 and 98% were obtained for the beds at temperature ranges of 200-300, 300-500, 400-700, and 500-700 ℃ . These conditions corresponded to empty gas retention times of 1.07, 0.85, 0.41, and 0.39s, respectively, for the cited temperature ranges.
Keywords: regenerative thermal oxidation, VOCs, methyl ethyl ketone, paint solvents, air pollution control
二 、 緣 由 與 目 的
針 對 不 同 濃 度 之 VOCs，排 氣 的 處 理 方 法 很 多 ， 例 如 觸 媒 焚 化 (Catalytic Incineration) 、 生 物 濾 床 (Biofiltration) ， 蓄 熱 式 焚 化 爐 (Regenerative Thermal Ox idizer)、活
2
性 碳 吸 附 (Adsorption)， 各 有 其 優 缺 點 ， 選 擇 上 需 注 意 其 經 濟 及 有 效 性 。
本 研 究 所 探 討 的 蓄 熱 式 焚 化 設 備 (Regenerative Thermal Oxidizer, RTO) ， 適 用 於 中 、 高 濃 度 廢 氣 (> 5,000-10,000 mg C/m3)，操 作 時 之 處 理 僅 需 少 量 外 加 電 熱 或 燃 料( 2 )， 可 處 理 含 微 粒 、 重 金 屬( 3 )、 及 VOCs 廢 氣( 4 )就 長 期 來 看 仍 屬 經 濟 。
三 、 材 料 及 方 法
實 驗 設 備 如 圖 1 所 示 ， 主 要 包 括 二 個 蓄 熱 床 、 二 個 加 熱 器 、 供 氣 系 統、四 個 自 動 蝶 閥、一 組 閣 (8 個 ) 溫 度 指 示 器 ， 並 於 主 要 爐 體 外 圍 包 覆 隔 熱 之 陶 瓷 纖 維 綿 ， 溫 度 感 測 器 僅 量 測 蓄 熱 床 氣 體 溫 度 。 蓄 熱 材 料 為 級 配 石 ， 因 具 有 較 高 的 蓄 熱 量 ( 5 )， 且 有 價 廉 、 取 得 方 便 之 優 點 ， 其 級 配 石 基 本 性 質 如 下 ： 平 均 粒 徑 (dp) = 1.25 cm、 球 度 (ψs) = 0.7、 比 熱 (Cp s) = 840 J /kg.℃ 、 密 度 (ρs) = 2,213 kg/m3、 熱 傳 導 度 (ks) = 1.9 W/m. ℃ 、 蓄 熱 床 空 隙 率 ( ε ) = 0.41。 蓄 熱 床 內 填 石 質 蓄 熱 材 料 ， 欲 處 理 氣 體 先 進 入 蓄 熱 床 (A 床 )，預 熱 至 一 定 溫 度 後 ， 通 過 另 一 蓄 熱 床 (B 床 )時，氣 體 熱 能 將 傳 入 原 已 冷 卻 之 蓄 熱 材 ， 即 高 溫 氣 體 的 顯 熱 已 被 儲 存 ， 氣 體 則 以 較 低 的 溫 度 排 放 ， 待 蓄 熱 材 升 至 一 定 溫 度 後 ， 預 處 理 氣 體 則 導 入 該 高 溫 床 (B 床 )預 熱，反 應 後 高 溫 氣 體 能 量 則 儲 存 於 A 床 。 完 成 冷 床 啟 動 後 ， 先 調 整 空 氣 流 量 至 預 定 值 ， 再 調 整 閥 門 ， 使 氣 體 由 A 床 流 至 B 床，同 時 以 工 場 廢 氣 或 VOCs 進 料，利 用 RTO 本 身 之 抽 氣 負 壓，廢 氣 或 含 VOC 空 氣 吸 入 蓄 熱 床 處 理 。 S S S S 進流氣體 抽風機 蓄 熱 床 A 排氣 蓄熱材 輔助 電熱 或燃料 Ti 蓄 熱 床 B 溫度 控制 S 電源/ 燃料 定時 器 To Tc 熱回收率R =(Tc-To)/(Tc-Ti) =(700-70)/(700-30) =94% 焚化 區 熱回收 區 To Ti Tc 圖 1：RTO 裝置 冷 床 啟 動 時，先 將 空 氣 以 約 5.0 NCMM (m3/min)之 流 量 通 入 右 邊 蓄 熱 床 (B 床 ， 圖 1)， 開 啟 二 床 之 電 熱 裝 置，溫 度 上 限 可 視 為 操 作 條 件 (高 溫 、 低 溫 )。 實 場 部 份 蝶 閥 切 換 分 為 兩 種：(1) 當 出 口 溫 度 (C1)升 到 70℃ 時 ， 即 切 換 閥 組 使 氣 體 流 向 逆 轉 ， 進 入 下 一 循 環 ， 直 到 系 統 溫 度 到 達 穩 定 。 (2) 當 操 作 時 間 到 達 30 分 鐘 時，自 動 切 換 閥 組 使 氣 體 流 向 逆 轉 ， 進 入 下 一 循 環 ， 本 次 實 驗 共 進 行 六 次 循 環 (Shifts)切 換 測 試 ， 共 進 行 約 180 分 鐘 。 共 作 6 次 時 驗 ， 各 實 驗 之 循 環 次 數 及 控 制 條 件 詳 表 1 所 示 。 分 析 儀 器 為 攜 帶 式 氣 體 層 析 儀 (GC-FID ， 廠 牌 ： PE PHOTOVAC MicroFID, J apan)及 氣 體 層 析 儀 (GC, Shimadzu, GC-14B, J apan)。3
四 、 結 果 與 討 論
RTO 對 VOCs 之去除試驗結果詳表 2，摘要如下： (1)操作風量在 12.0 NCMM 下，進氣在 300-500℃間，在級配石之實際停留時 間τA = 0.86 秒時，VOCs 之平均破壞 去除效率為 92.4%。 (2)操作風量在 12.0 NCMM 下，進氣在 200-300℃間，級配石之實際停留時間 τA =1.07 秒時，VOCs 之平均破壞去 除效率為 84%。 (3)操作風量在 20.0 NCMM 下，進氣在 500-700℃間，級配石之實際停留時間 τA = 0.39 秒時，VOCs 之平均破壞去 除效率為 98.2%。 (4)操作風量在 20.0 NCMM 下，進氣在 400-700℃間，級配石之實際停留時間 τA = 0.41 秒時，VOCs 之平均破壞去 除效率為 95%。五 、 結 論
本研究總共分為有無進料，不同風 量(12 及 20 NCMM)及在低溫(200~500℃) 與高溫(400~700℃)之操作，獲致下列結 論 ： 級 配 石 溫 度 300~500 、200~300 、 500~700 及 400~700℃，氣體在該溫度之 間級配石停留時間分別為 0.861、1.07、 0.39、0.41 秒時，VOCs 進料平均濃度分 別為 293、467、3,216 及 2,430 ppm 時， 平均破壞去除效率分別為 92、84、98 及 95 %。六 、 參考文獻
1. Joseph M. and Klobucar, J.M. (1997) “Development and testing of an RTO system for control of plywood veneer dryer air emissions,” Presentation at the Air and Waste Manage. Association’s 90th Annual Meeting and Exhibition, Toronto, Ontario, Canada,
97-MP4A.02, June 8-13, 1997.
2. Environmental Short, “Adhesive Tape Manufacturer Sticks it to VOCs Regenerative,” Environmental Progress, Vol. 13, No4, 1994.
3. Brooks, J. “Help in controlling VOCs in the paint-finishing Industry,”
Planting and surface Finishing, Vol.
12-14, 1994.
4. “Heat Recovery from Exhaust air from paint kilns,” Energy Technology, Vol.
10-12, Sweden, 1986. 5. 黃柏仁，“以蓄熱式觸媒焚化設施處 理排氣中揮發性有機物質之理論解 析與驗證”，國立中山大學環境工程 研究所碩士論文，高雄市，中華民國 八十七年六月。 表 1：RTO 各 實 驗 之 循 環 次 數 及 控 制 條 件 控 制 條 件 編 號 循環 次數 操作風量 (NCMM) VOC 進 料 溫度條 件(℃) 閥切換 條件 1. 7 20 丁酮 高溫 C1>70℃ 2. 20 20 丁酮 高溫 C1>70℃ 3. 6 12 油漆 溶劑 低溫 30 分鐘 4. 6 12 油漆 溶劑 低溫 30 分鐘
4 表 2： 供 試 RTO 在 不 同 操 作 條 件 下 之 VOC 破 壞 去 除 效 率 (1)Case1.操作風量 12.0 NCMM, ppm as CH4 Ug (m/s) T (℃) Co (ppm) Ce (ppm) τA (sec) VOC 去除 率(%) 0.44 300~500 293 22 0.86 92.4 (1)Case2.操作風量 12.0 NCMM, ppm as CH4 Ug (m/s) T (℃) Co (ppm) Ce (ppm) τA (sec) VOC 去除 率(%) 0.35 200~300 467 75 1.07 84 (1)Case3.操作風量 20.0 NCMM，ppm as CH4 Ug (m/s) T (℃) Co (ppm) Ce (ppm) τA (sec) VOC 去除 率(%) 0.95 500~700 3216 57.9 0.39 98.2 (1)Case4.操作風量 20.0 NCMM，ppm as CH4 Ug (m/s) T (℃) Co (ppm) Ce (ppm) τA (sec) VOC 去除 率(%) 0.95 400~700 2430 128 0.41 95 ：在真實溫度下，氣體之空塔流速 ：在真實溫度下，氣體經有效溫度 T 通 過蓄熱床之實際停留時間
