本发明属于环保废气处理技术领域，具体涉及一种有机废气焚烧炉及焚烧方法。
背景技术：
挥发性有机废气（Volatile Organic Compounds，简称VOCs）是石油化工企业特征大气污染物，是指在20℃条件下蒸汽压大于或等于0.01kPa，或者特定适用条件下具有相应挥发性的有机化合物的统称。VOCs是炼油与石油化工企业特征污染物，生产过程中VOCs主要来源于工艺排气、设备与管线组件泄漏、挥发性有机液体储运，以及废水收集、处理、储存设施的大气污染物排放，可分为有组织排放源和无组织排放源，通常无组织排放量占比较大。
针对挥发性有机废气的处理技术大致分为回收法、破坏法和直接利用法，其中回收法就是采用油剂吸收、吸附剂吸附或冷凝的方法对有机废气中的大部分有机组分进行回收处理，大大降低废气中有机物含量，但是采用此类方法处理后的有机废气总烃含量仍然较高，无法直接达标排放，因此为了对有机废气进行深度治理，还需要采用破坏法对其进行治理，所谓破坏法就是采用催化氧化、高温氧化将有机废气进行深度氧化处理，这类方法通常需要采用一定量的催化剂或营造一个高温环境将有机物氧化成二氧化碳和水，废气深度治理较好，但是其操作和建设成本较高，应用于废气浓度波动较大的对象时，其装置运行稳定性较差。而直接利用法就是将有机废气直接通入厂里的焚烧炉或火炬系统等直接燃烧利用，废气经过焚烧炉得到完全的燃烧处理，降低了有机废气治理的初期投资及日常运行成本，不新增治理设施。但是，将有机废气引入工业炉现阶段存在两个问题：第一，废气的组成及流量需要在一定范围内相对稳定，避免废气的波动给工业带来影响，影响到其他工艺参数波动；第二，有机废气存在的爆炸极限浓度等问题尚没有权威机构或单位给出相应的规避措施，由于涉及到潜在的安全风险，该技术路线没有得到广泛的认可和使用。
CN103697482公开了一种有机废气锅炉热力焚烧处理系统及处理工艺，在锅炉风机入口设置平衡控制器，其优点在于：当有机废气风量不稳定时，可通过调节平衡器处补风大小来保持锅炉运行的安全稳定，同时设置的风量平衡控制器为全密闭管路系统，既能维持稳定的焚烧风量，又不存在废气泄漏问题。但是，该方法风量平衡器调节风量存在滞后性，没有从根本上避免废气在爆炸限浓度范围内的爆炸问题，没有做到本质安全。
CN104121591公开了一种节能高效焚烧炉，该方法采用交错分布的交错蓄热装置，将热量尽可能收集存储在焚烧炉中，避免热量过多散发出焚烧炉。在流出的热量中，将高温尾气一方面用来加热待焚烧的有机废气，另一方面回收热量用于覆铜板生产过程以及给冷却空气预热。该焚烧炉结构设置合理，始终保持燃烧室内温度800℃以上，其能源消耗低，能源利用率高。但是，该技术仍没有从根本上解决废气在爆炸限浓度范围内的爆炸问题，没有做到本质安全。
CN103759275公开了一种等离子强化多孔介质燃烧处理有机废气的装置及方法，该方法通过多孔介质材料的蓄热作用及等离子体自由基氧化作用协同降解有机废气，提高了有机废气的降解效率；同时根据有机废气浓度调节等离子体的输入能量，在保证有机废气降解效率的同时有效减少了输入能耗。具有废气浓度适用范围广，输入能量低，处理效率高，系统可控性高等优点。但是当有机废气浓度较高时，存在有机废气爆炸的安全问题，其废气浓度的适用范围也比较有限。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供了一种有机废气焚烧炉及焚烧方法。本发明在保证有机废气净化效果的同时，提高了焚烧的效率和稳定性，从本质上避免了有机废气浓度波动造成的爆炸安全隐患。
本发明提供的有机废气焚烧炉，按照废气流向依次包括非预混式燃烧器、多孔介质填料段、1#取热炉管、催化氧化催化剂床层和2#取热炉管，非预混式燃烧器与多孔介质填料段间设置引风口，用于有机废气和燃料的混合及燃烧，燃烧后产生的热烟气通过多孔介质填料段进行高温氧化，高温氧化后的热量经1#取热炉管回收，然后进入催化剂床层进行催化氧化，氧化后废气经2#取热炉管回收热量后排出到焚烧炉外。
本发明所述焚烧炉可以为立式或卧式的筒体或立方体结构，优选采用多孔介质填料段直径较大的变径卧式筒体结构。焚烧炉截面积保持焚烧炉中的气体流速在2-25m/s，优选5-15m/s。所述非预混式燃烧器和多孔介质填料段的距离为燃烧器最大火焰长度的2-5倍，优选2-3倍；1#取热炉管靠近多孔介质填料段的距离为多孔介质填料段长度的1-3倍。非预混式燃烧器火焰方向、多孔介质填料段中心、1#取热炉管中心、催化氧化催化剂床层中心、2#取热炉管中心和焚烧炉出口中心均在一个轴线上。
本发明所述多孔介质填料段轴向长度为直径的2-10倍，优选3-6倍。所述的多孔介质填料段沿进气口至出气口方向顺次为预热区、反应区和蓄热区，所述预热区的多孔填料由孔隙率及孔径均匀或者逐渐变化或者分层变化的泡沫陶瓷、蜂窝陶瓷等组成，孔径为0.1-10mm，孔隙率为0.15-0.5；所述反应区的填料可以使用绝缘陶瓷、碳化硅、氧化锆或堇青石等，孔隙率为0.6-0.9；所述蓄热区的多孔填料可以采用如预热区同样规格的填料，或者瓷球等散堆多孔填料。
本发明所述催化氧化催化剂床层前后设置的1#和2#取热炉管为传统锅炉取热换热炉管，从多孔介质填料段排出的烟气和从催化氧化催化剂床层排出的烟气取热降温到一定温度，同时产生一定量的蒸汽，取热炉管的换热面积根据排烟温度进行调整。
本发明所述催化氧化催化剂采用贵金属催化剂，载体为蜂窝型等规整载体或瓷球等散堆载体，其上担载贵金属Pt、Pd以及CeO2等活性组分。
本发明采用上述有机废气焚烧炉的焚烧方法，是通过以下步骤实现安全、稳定、高效地处理有机废气的：
（1）将燃料由非预混式燃烧器引入焚烧炉与引风口进入的空气混合并燃烧，将多孔介质填料段温度升高到废气自燃温度，然后逐渐使用有机废气代替空气，并在有机废气进入焚烧炉前混入一定量惰性气体，使废气中氧含量低于8V%；
（2）燃烧后的热烟气通过多孔介质填料段进行高温氧化；
（3）在多孔介质填料段高温氧化后的废气经1#取热炉管回收热量；
（4）回收热量后的废气进入催化氧化催化剂床层进行氧化；
（5）氧化后废气经2#取热炉管回收热量，产生的净化气排放或循环回用。
本发明中，步骤（1）所述燃烧器的燃料可以为常见的气体燃料和/或液体燃料，如天然气、液化石油气或燃料油。燃烧器为非预混式燃烧器，即助燃空气与燃料在燃烧器外部进行混合燃烧，对进入多孔介质填料段的废气进行预热，预热温度为废气自燃温度。
本发明中，步骤（1）所述有机废气总烃浓度小于60000mg/Nm3，其余为空气，混入一定量惰性气体后，稀释废气氧含量降低到1V%-8V%，同时使总烃浓度稀释到23000mg/Nm3以下，稀释废气中的总烃和氧气可以保证当量氧化反应。所述惰性气体可以为不参与氧化反应的任意气体，如氮气、氩气等。
本发明中，步骤（2）当有机废气按氧含量稀释后，总烃浓度大于8000mg/Nm3时，有机废气氧化放出的热量能够满足多孔介质填料段和催化氧化催化剂床层的自维持操作，并通过取热炉管产生一定量的蒸汽，此时，可以停止燃烧器的工作。当总烃浓度小于8000mg/Nm3时，需要通过燃烧器补入一定量的燃料来维持多孔介质填料段足够的废气自燃温度。
本发明中，步骤（3）通过设置在多孔介质填料段和催化氧化催化剂床层间的1#取热炉管，使催化氧化催化剂床层入口温度范围控制在200-450℃，使用空速为10000-100000h-1。根据有机废气中所含有机物的种类及浓度来调整催化剂的使用温度及空速，一方面要使有机废气有较好的净化效果，另一方面又要避免有机废气在催化剂床层反应时放热较多导致催化剂因高温而失活。通过设置在催化氧化催化剂床层后的2#取热炉管控制焚烧器的排烟温度在60-400℃。当有机废气与循环使用的净化气（循环净化气）混合后氧含量大于8V%或小于1V%时，调节进入混合气体中的有机废气和循环净化气的量，同时为了保证稀释后有机废气的氧含量，向废气中补充新鲜的惰性气体，使进入焚烧炉的混合气体中氧含量为1 V%-8V%。
本发明中，步骤（5）产生的净化气体一部分作为循环净化气使用，对有机废气进行混合稀释，另一部分净化气体排出焚烧炉外。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）有机废气分别通过焚烧器燃烧、多孔介质高温氧化、催化剂催化氧化等多级处理，实现了深度治理的目标，避免了传统催化氧化催化剂处理低碳烃效果不好的问题。
（2）本发明将工况操作氧含量降低到爆炸限以下，从根本上避免了由于有机废气浓度大幅度波动带来的爆炸安全隐患，大大提高了装置的运行稳定性及安全性。
（3）本发明对有机废气浓度要求较为宽泛，可根据不同浓度的有机气体采用自维持或通入燃料焚烧操作的方式处理，有效提高了装置的适应性。
（4）焚烧尾气的部分利用，对焚烧炉进气进行混合预热，不仅节省了一部分能量，而且进气预热也大大增强了焚烧稳定性。
（5）非预混合燃烧器、多孔介质填料段、取热控温单元和催化氧化催化剂床层集成，在保证有机废气深度治理的前提下，大大减小了装置占地和建设成本。
附图说明
图1是本发明方法的一种工艺流程图；
其中：1-燃料，2-有机废气，3-混合进气，4-循环混合气，5-循环净化气，6-惰性气体，7-净化尾气，8-净化气，9-锅炉给水，10-蒸汽，11-1#取热炉管，12-多孔介质填料段，13-焚烧炉，14-催化氧化催化剂床层，15-非预混式燃烧器，16-2#取热炉管，17-预热区，18-反应区，19-蓄热区。
具体实施方式
下面结合附图1和实施例进一步阐明本发明方法和效果。本发明中，V%为体积分数。
本发明有机废气焚烧炉如附图1所示，按照废气流向依次包括非预混式燃烧器15、多孔介质填料段12、1#取热炉管11、催化氧化催化剂床层14和2#取热炉管16，其中多孔介质填料段包括预热区17、反应区18和蓄热区19。非预混式燃烧器15与多孔介质填料段12间设置引风口，用于有机废气2和燃料1的混合及燃烧，也可以作为燃烧器的燃烧提供必要的空气供给和作为稀释有机废气进口。燃烧后产生的热烟气通过多孔介质填料段12进行高温氧化，高温氧化后的热量经1#取热炉管11回收热量，然后进入催化剂床层14进行催化氧化，经2#取热炉管16回收热量后，净化气排出焚烧炉13。
本发明所述的焚烧炉13为立式或卧式筒体结构，焚烧炉截面积为保持焚烧炉13中的气体流速在5-15m/s。所述非预混式燃烧器15和多孔介质填料段12的距离为燃烧器最大火焰长度的2-3倍。1#取热炉管11靠近多孔介质填料段12的距离为多孔介质填料段12长度的1-3倍。燃烧器15火焰方向、多孔介质填料段12中心、1#取热炉管11中心、催化氧化催化剂床层14中心、2#取热炉管16中心和焚烧炉13出口中心均在一个轴线上。
本发明所述多孔介质填料段12轴向长度为直径的3-6倍，沿进气口至出气口方向顺次设有预热区17、反应区18和蓄热区19，所述预热区的多孔填料由孔隙率及孔径均匀或者逐渐变化或者分层变化的泡沫陶瓷、蜂窝陶瓷等组成，孔径为0.1-10mm，孔隙率为0.15-0.6；所述反应区的填料可以使用石英玻璃、绝缘陶瓷、碳化硅、氧化锆或堇青石等，孔隙率为0.5-0.9；所述蓄热区的多孔填料可以采用如预热区同样规格的填料，或者瓷球等散堆多孔填料。
本发明的取热炉管11、16为传统锅炉取热换热炉管，取热炉管的换热面积根据排烟温度进行调整。催化氧化催化剂14采用贵金属催化剂，载体为蜂窝型等规整载体或瓷球等散堆载体，其上担载贵金属Pt、Pd以及CeO2等活性组分。
采用如图1所示的焚烧炉的焚烧方法，开工时，以空气作为助燃风，将燃料1由非预混式燃烧器引入焚烧炉13与引风口进入的空气混合并燃烧，将多孔介质填料段12温度升高到废气自燃温度。然后逐渐使用有机废气2代替空气作为燃烧器助燃风，并在有机废气进入焚烧炉前混入一定量惰性气体6，使废气中氧含量为1V%-8V%。 燃烧后的热烟气通过多孔介质填料段12进行高温氧化；在多孔介质填料段高温氧化后的废气经1#取热炉管11回收热量，1#取热炉管11中通入锅炉给水9，经换热后产生蒸汽10。回收热量后的废气进入催化氧化催化剂床层14进行氧化；氧化后废气经2#取热炉管16回收热量后产生的净化气8排放或回用。产生净化气8一部分作为循环净化气5循环使用，与惰性气体混合作为循环混合气4一起对有机废气进行混合稀释，另一部分作为净化尾气7排出焚烧炉外。
本发明所述燃料1可以为常见的气体燃料和液体燃料，如天然气、液化石油气或燃料油，燃烧器15为非预混式燃烧器，即助燃空气与燃料在燃烧器外部进行混合燃烧，对多孔介质填料段12进行预热，预热温度为废气2自燃温度。有机废气2总烃浓度为50000mg/Nm3，其余为空气，混入一定量惰性气体6后，稀释废气3氧含量降低到6V%，同时使总烃浓度稀释到20000mg/Nm3，稀释废气3中的总烃和氧气可以保证当量氧化反应。所述惰性气体6可以为不参与氧化反应的任意气体，如氮气、氩气等。本发明中，当有机废气2按氧含量稀释后，总烃浓度大于8000mg/Nm3时，有机废气氧化放出的热量能够满足多孔介质填料段和催化氧化床层的自维持操作，并通过取热炉管11、16产生一定量的蒸汽，此时，可以停止燃烧器15的工作。当总烃浓度小于8000mg/Nm3时，需要通过燃烧器15补入一定量的燃料1来维持多孔介质填料段12足够的废气自燃温度。本发明中，通过1#取热炉管11，使催化剂床层14入口温度范围控制在200-450℃，使用空速范围为10000-100000h-1。通过2#取热炉管16控制焚烧器的排烟温度在60-400℃。当有机废气2与循环净化气4混合后氧含量大于8V%或小于1V%时，调节进入混合气体有机废气2和循环净化气5的量，同时根据混合气3氧浓度控制补充新鲜惰性气体6的量，使进入焚烧炉13混合气体中氧含量为1V%-8V%。
实施例1
某化工企业有多个环氧丙烷储罐，设有氮气保护，储罐平均废气排放量为200Nm3/h，环氧丙烷浓度为138000mg/m3。
采用附图1的焚烧炉对其进行处理，焚烧炉为卧式筒体结构。焚烧炉截面积保持焚烧炉中的气体流速在15m/s。所述非预混式燃烧器和多孔介质填料段的距离为燃烧器最大火焰长度的3倍；1#取热炉管靠近多孔介质填料段的距离为多孔介质填料段长度的3倍。多孔介质填料段轴向长度为直径的6倍，沿进气口至出气口方向顺次为预热区、反应区和蓄热区，所述预热区的填料由孔隙率及孔径均匀的泡沫陶瓷组成，孔隙率为0.3。反应区的填料采用碳化硅，孔隙率为0.8。蓄热区的填料采用如预热区同样规格的多孔填料。催化氧化催化剂14采用贵金属催化剂，载体为蜂窝型载体，其上担载贵金属Pt、Pd以及CeO2活性组分。开工时，以空气作为助燃风，将天然气由非预混式燃烧器引入焚烧炉与引风口进入的空气混合并燃烧，将多孔介质填料段温度升高到废气自燃温度。有机废气的总烃浓度为138000mg/Nm3，然后逐渐使用有机废气代替空气作为燃烧器助燃风，并在有机废气进入焚烧炉前混入一定量惰性气体氮气，使废气中氧含量为3.5V%，同时使总烃浓度稀释到20000mg/Nm3，稀释废气3中的总烃和氧气可以保证当量氧化反应。燃烧后的热烟气通过多孔介质填料段12进行高温氧化，由于总烃浓度大于8000mg/Nm3时，有机废气氧化放出的热量能够满足多孔介质填料段和催化氧化床层的自维持操作，此时，可以停止燃烧器15的工作。在多孔介质填料段高温氧化后的废气经1#取热炉管回收热量，使催化剂床层入口温度范围控制在450℃，使用空速范围为100000h-1。回收热量后的废气进入催化氧化催化剂床层进行氧化，氧化后废气经2#取热炉管回收热量，控制排烟温度在200℃。产生的净化气排放或回用，一部分作为循环净化气循环使用，与惰性气体混合作为循环混合气一起对有机废气进行混合稀释，另一部分作为净化尾气排出焚烧炉外。当有机废气与循环净化气混合后氧含量大于8V%或小于1V%时，调节进入混合气体有机废气和循环净化气的量，同时根据混合气氧浓度控制补充新鲜惰性气体的量，使进入焚烧炉混合气体中氧含量为7V%。
经过上述处理，排放的净化气总烃浓度≤60mg/Nm3。有机废气通过燃烧、蓄热氧化和催化氧化进行了深度处理，提高了有机废气的处理效率，同时由于氧化过程中氧气浓度降低到爆炸限以内，大大提高了装置运行的稳定性，最大程度的避免了安全隐患。
实施例2
某化工企业有苯化工装置尾气，气量约500 Nm3/h，总烃浓度约为53000mg/m3，主要污染物为苯、甲苯、苯胺、环己胺、环己烷等。
采用附图1的焚烧炉对其进行处理，焚烧炉为卧式筒体结构。焚烧炉截面积保持焚烧炉中的气体流速在5m/s。所述非预混式燃烧器和多孔介质填料段的距离为燃烧器最大火焰长度的2倍；1#取热炉管靠近多孔介质填料段的距离为多孔介质填料段长度的2倍。多孔介质填料段轴向长度为直径的3倍，沿进气口至出气口方向顺次为预热区、反应区和蓄热区，预热区的填料由孔隙率及孔径均匀的泡沫陶瓷组成，孔隙率为0.15。反应区的填料除采用堇青石，孔隙率为0.6。蓄热区的填料用瓷球散堆多孔填料。催化氧化催化剂14采用贵金属催化剂，载体为蜂窝型载体，其上担载贵金属Pt、Pd以及CeO2活性组分。
开工时，以空气作为助燃风，将液化石油气由非预混式燃烧器引入焚烧炉与引风口进入的空气混合并燃烧，将多孔介质填料段温度升高到废气自燃温度。有机废气的总烃浓度为53000mg/Nm3，然后逐渐使用有机废气代替空气作为燃烧器助燃风，并在有机废气进入焚烧炉前混入一定量惰性气体氮气，使废气中氧含量为8V%，同时使总烃浓度稀释到20000mg/Nm3，稀释废气3中的总烃和氧气可以保证当量氧化反应。燃烧后的热烟气通过多孔介质填料段12进行高温氧化，由于总烃浓度大于8000mg/Nm3时，有机废气氧化放出的热量能够满足多孔介质填料段和催化氧化床层的自维持操作，此时，可以停止燃烧器15的工作。在多孔介质填料段高温氧化后的废气经1#取热炉管回收热量，使催化剂床层入口温度范围控制在200℃，使用空速范围为10000h-1。回收热量后的废气进入催化氧化催化剂床层进行氧化，氧化后废气经2#取热炉管回收热量，控制排烟温度在60℃。产生的净化气排放或回用，一部分作为循环净化气循环使用，与惰性气体混合作为循环混合气一起对有机废气进行混合稀释，另一部分作为净化尾气排出焚烧炉外。当有机废气与循环净化气混合后氧含量大于8V%或小于1V%时，调节进入混合气体有机废气和循环净化气的量，同时根据混合气氧浓度控制补充新鲜惰性气体的量，使进入焚烧炉混合气体中氧含量为8V%。
经过上述处理，排放的净化气总烃浓度≤60mg/Nm3。有机废气通过燃烧、蓄热氧化和催化氧化进行了深度处理，提高了有机废气的处理效率，同时由于氧化过程中氧气浓度降低到爆炸限以内，大大提高了装置运行的稳定性，最大程度的避免了安全隐患。
实施例3
某化工企业有苯化工装置尾气，气量约500 Nm3/h，总烃浓度约为53000mg/m3，主要污染物为苯、甲苯、苯胺、环己胺、环己烷等。
采用附图1的焚烧炉对其进行处理，焚烧炉为卧式筒体结构。焚烧炉截面积保持焚烧炉中的气体流速在5m/s。所述非预混式燃烧器和多孔介质填料段的距离为燃烧器最大火焰长度的2倍；1#取热炉管靠近多孔介质填料段的距离为多孔介质填料段长度的2倍。多孔介质填料段轴向长度为直径的3倍，沿进气口至出气口方向顺次为预热区、反应区和蓄热区，预热区的填料由孔隙率及孔径均匀的泡沫陶瓷组成，孔隙率为0.15。反应区的填料除采用堇青石，孔隙率为0.6。蓄热区的填料用瓷球散堆多孔填料。催化氧化催化剂14采用贵金属催化剂，载体为蜂窝型载体，其上担载贵金属Pt、Pd以及CeO2活性组分。
开工时，以空气作为助燃风，将液化石油气由非预混式燃烧器引入焚烧炉与引风口进入的空气混合并燃烧，将多孔介质填料段温度升高到废气自燃温度。有机废气的总烃浓度为53000mg/Nm3，然后逐渐使用有机废气代替空气作为燃烧器助燃风，并在有机废气进入焚烧炉前混入一定量惰性气体氮气，使废气中氧含量为8V%，同时使总烃浓度稀释到20000mg/Nm3，稀释废气3中的总烃和氧气可以保证当量氧化反应。燃烧后的热烟气通过多孔介质填料段12进行高温氧化，由于总烃浓度大于8000mg/Nm3时，有机废气氧化放出的热量能够满足多孔介质填料段和催化氧化床层的自维持操作，此时，可以停止燃烧器15的工作。在多孔介质填料段高温氧化后的废气经1#取热炉管回收热量，使催化剂床层入口温度范围控制在200℃，使用空速范围为10000h-1。回收热量后的废气进入催化氧化催化剂床层进行氧化，氧化后废气经2#取热炉管回收热量，控制排烟温度在60℃。产生的净化气排放或回用，一部分作为循环净化气循环使用，与惰性气体混合作为循环混合气一起对有机废气进行混合稀释，另一部分作为净化尾气排出焚烧炉外。当有机废气与循环净化气混合后氧含量大于8V%或小于1V%时，调节进入混合气体有机废气和循环净化气的量，同时根据混合气氧浓度控制补充新鲜惰性气体的量，使进入焚烧炉混合气体中氧含量为8V%。
经过上述处理，排放的净化气总烃浓度≤60mg/Nm3。有机废气通过燃烧、蓄热氧化和催化氧化进行了深度处理，提高了有机废气的处理效率，同时由于氧化过程中氧气浓度降低到爆炸限以内，大大提高了装置运行的稳定性，最大程度的避免了安全隐患。
比较例1
处理装置及操作流程同实施例1，不同之处在于：多孔介质填料段设置都是由孔隙率及孔径均匀的泡沫陶瓷组成，孔隙率为0.15。整个焚烧炉压降大大增加，从而增加了整个装置的工作能耗。
比较例2
处理装置及操作流程同实施例1，不同之处在于：多孔介质填料段设置都是由孔隙率及孔径均匀的碳化硅组成，孔隙率为0.8。蓄热效率降低，反应区温度降低，有机物在反应区的氧化效率降低。