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博碩士論文 etd-0711102-212542 詳細資訊
Title page for etd-0711102-212542
論文名稱
Title
以蓄熱式焚化爐處理含氯揮發性有機物之操作性能研究
Performace study on the treatment of gas-borne chlorohydrocarbons by Regenerative Thermal Oxidizer
系所名稱
Department
畢業學年期
Year, semester
語文別
Language
學位類別
Degree
頁數
Number of pages
166
研究生
Author
指導教授
Advisor
召集委員
Convenor
口試委員
Advisory Committee
口試日期
Date of Exam
2002-06-07
繳交日期
Date of Submission
2002-07-11
關鍵字
Keywords
蓄熱式焚化爐、二丁醚、揮發性有機物、三氯乙烯、二氯甲烷
VOC, TCE, DBE, DCM, RTO
統計
Statistics
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中文摘要
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 (474-778oC)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758-778oC)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%以上之破壞去除率;然Tmax=475-487℃時,僅二丁醚之破壞去除率高於80%;Ug對VOC之破壞去除率並無顯著影響。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。
在設備的操作費用方面,加熱區設定溫度Tset=800℃、進口流量Q=2.5 m3/min( Ug=10 m/min)時,使用電費為3,960元/月或110元/(1,000 m3)。


Abstract
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 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 26-29oC) Ug = 10-20 m/min, bed shift time ts = 1.5 min, and maximum gravel temperature Tmax = 474-778oC. Results show that the RTO has a thermal 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 experiments, Ug of 10-20 m/min, ts of 1.5 min, and Tmax of 475-487 and 758-778oC 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 = 758-778oC 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.
An operation cost of US$ 3.33/(1,000 m3 waste gas) was estimated with the RTO operated in the higher temperatures and a flowrate of 2.5 m3/min (Ug = 10 m/min).


目次 Table of Contents
目 錄

謝誌…………………………………………………………………………………………Ⅰ
中文摘要…………………………………….………………………………………………Ⅱ
英文摘要…………………………………………………………………………….……Ⅳ
目錄…………………………………………………………………………………………Ⅵ
表目錄..….…………………………………………………………………………………Ⅸ
圖目錄..………….…………………………………………………………………………ⅩⅠ
照片目錄….……………..…………………………………………………………………ⅩⅦ
符號表………………………………….……………………………………………………ⅩⅧ
第一章 前言……………………….……………………………………………………….1
1.1研究緣起……………………………………………………………………………… 1
1.2研究目的……….………………………………………………………………….. 5
1.3研究內容……….………………………………………………………………….. 5
第二章 文獻回顧………………………………………………………………………… 6
2.1 VOC之焚化技術………..….……………………………..……………………… 6
2.1.1熱焚化………………….……………………………………………….………… 7
2.1.2觸媒焚化………………….……………………………………………...……… 7
2.1.3蓄熱式焚化………………….………………………………………….…….… 8
2.2供試VOCs之性質及焚化特性………………..…………………….……… 10
2.2.1三氯乙烯之性質及焚化特性………….…………………………..……. 10
2.2.2二氯甲烷之性質及焚化特性………………………………………………………… 12
2.2.3二丁醚之性質及焚化特性……...…………………………………….…. 12
2.3影響焚化效率之操作因子…………………………………………….……… 14
2.3.1VOC濃度………...……………………………………………………….……… 14
2.3.2焚化溫度………...………………………………………………………………. 14
2.3.3氣體停留時間………..………………………………………………………... 15
2.4蓄熱式焚化爐之性質………….………………………………………………... 16
2.4.1蓄熱材料………..………………………....…………………………………….. 16
2.4.2礫石內部溫度分佈之均勻性….……...………………….…………….. 17
2.4.3供燃燒之熱能………..………….……...……………………….…………….. 19
2.4.4蓄熱床之熱傳………..……….………...……………………….…………….. 20
2.4.5設置費用評估………..……….………...……………………….…………….. 20
第三章 設備及方法……………………………………………………………………... 23
3.1設備…………...…………………………………………………………………………23
3.1.1實驗設備………...………………………...…………………………………….. 23
3.1.2分析設備………………………………………………………………………… 26
3.2實驗藥品及氣體…...……………………………………………………………… 26
3.3方法…………...………………………………………………………………………27
3.3.1實驗方法…..…………………………………………………………………….. 27
3.3.2分析方法…………………………...………….………………………………… 31
第四章 結果與討論……………………………………………………………………... 36
4.1 操作參數對VOCs破壞去除率之影響………………………....……… 36
4.1.1VOCs濃度對破壞去除率之影響……………………..………………. 36
4.1.2焚化溫度對VOCs破壞去除率之影響………………….…………. 63
4.1.3進口風量對VOCs破壞去除率之影響………………….…………. 64
4.2產物分析與質量平衡之探討……….……………………………………….. 69
4.2.1中間產物及最終產物之分析…………..………………………………. 69
4.2.2碳及氯原子之回收率……………….……..………………………………. 73
4.3設備操作性能之探討…………………..……………………………………….. 82
4.3.1設備熱回收率…………………..……………………………………………... 82
4.3.2氣體通過蓄熱床之壓損………..………………………..………...……… 83
4.3.3設備操作費用評估…………………..……………………………………… 86
第五章 結論與建議……………………………………………………………………... 87
5.1結論……………………………………………………………………………………..87
5.1.1三氯乙烯之RTO焚化特性(焚化最高床溫Tmax及空塔流速Ug之影響)……………87
5.1.2二氯甲烷之RTO焚化特性(焚化最高床溫Tmax及空塔流速Ug之影響)……………87
5.1.3二丁醚之RTO焚化特性(焚化最高床溫Tmax及空塔流速Ug之影響)………………88
5.1.4三種VOCs之焚化最終產物及中間產物………………..……...… 88
5.1.5熱回收率及壓損………..……………………………….…………….……… 89
5.1.6操作條件及費用……………………………………………………………… 90
5.2建議……………………………………………………………………………………...90
參考文獻………………………………………………………………………………………91
附錄一 進氣無VOCs時之蓄熱床溫度記錄表………….…………..……… 95
附錄二 進氣含VOCs時之蓄熱床溫度記錄表………….………………..… 100
附錄三 檢量線…………………………………………………………………………….. 125
附錄四 處理VOCs時之進出口反應產物記錄表………………………..... 129
附錄五 處理VOCs時之反應產物質譜圖……………….…………………..... 154








表 目 錄

表1.1 主要VOC排放行業及比例…….…………………………….………… 2
表1.2 VOC相關管制標規範………...…………………………………………… 3
表2.1 三氯乙烯之性質…………………….………….……………………….……. 11
表2.2 二氯甲烷之性質………………...………………………………………….… 13
表2.3 二丁醚之性質…………………………………………..…..………………….. 14
表2.4 供篩選物質之比熱……………………………………….…………………. 16
表3.1 實驗設備規格及數量…………...…..………………….…..………………. 23
表3.2 分析設備廠牌及用途…………….…………………….……….………….. 26
表3.3 實驗藥品及氣體………………………………………….……….……..…… 27
表3.4 處理VOCs之操作條件…………………...……………………….……… 30
表3.5 礫石物理性質……………………………..…………………………………… 32
表3.6 GC-FID操作條件………….…..………………………………………..…… 33
表3.7 攜帶型FID之轉換係數…………………………………………………… 34
表3.8 檢知管使用說明……………….………….……………………..…………… 35
表3.9 GC-MS及熱脫附裝置操作條件…………...……………..…………… 35
表4.1 加熱區設定溫度500℃時VOCs之破壞去除率……….……… 37
表 4.2 加熱區設定溫度800℃時VOCs之破壞去除率……………..... 38
表4.3 焚化溫度、進口風量與VOCs破壞去除率之關係…………….. 65
表4.4 處理三氯乙烯時之中間產物…………...……………….……………… 70
表4.5 處理二氯甲烷時之中間產物…………………...……….……………… 71
表4.6 處理二丁醚時之中間產物……………….……………….……………… 72
表4.7 三氯乙烯焚化過程中碳原子之回收率……..……...…….………… 75
表4.8 二氯甲烷焚化過程中碳原子之回收率……..………...….………… 76
表4.9 二丁醚焚化過程中碳原子之回收率……..………….……………… 77
表4.10 三氯乙烯焚化過程中氯原子之回收率………..…………………… 78
表4.11 二氯甲烷焚化過程中氯原子之回收率…….....………….………… 79
表4.12 進氣不含VOCs時設備之熱回收率…………..………….……..…… 83
表4.13 空氣之物性表(1atm)………………………….....……….……………… 84
表4.14 設備操作時氣體通過蓄熱床之壓損………………………...……… 85
表4.15 設備操作時之費用……………………………….....……….……………… 86

圖 目 錄

圖1.1 含VOC排氣處理方法其相對費用與濃度之關係…….……… 4
圖1.2 含VOC排氣處理方法適用之廢氣流量與濃度範圍……….... 4
圖2.1 RTO之構造………...……………..………………………………….9
圖2.2 Fe、Al、Zn、Al2O3、stone及ZnCl2在溫度300~1,100 K之蓄熱量…………17
圖2.3 廢氣焚化補助燃料用量估算…….....……………….….…………….… 20
圖2.4 RTO設備初設費用…..……………………………………………..……….. 21
圖2.5 廢氣處理設備成本………………...………….…………………….………. 22
圖3.1 實驗設備構造……………...……………….……….…………………………. 24
圖4.1 Tset=500℃、cycle time=3 min、Q=2.5 CMM、Ug=10 m/min處理低濃度三氯乙烯時,蓄熱床溫度分佈曲線(Tmax=486℃)……………...……...…………………39
圖4.2 Tset=500℃、cycle time=3 min、Q=2.5 CMM、處理低濃度三氯乙烯時,RTO進出口濃度變化..………………..………... 39
圖4.3 Tset=500℃、cycle time=3 min、Q=2.5 CMM、Ug=10 m/min處理高濃度三氯乙烯時,蓄熱床溫度分佈曲線(Tmax=486℃)…………………………………………………40
圖4.4 Tset=500℃、cycle time=3 min、Q=2.5 CMM、處理高濃度三氯乙烯時,RTO進出口濃度變化..………………..………... 40
圖4.5 Tset=500℃、cycle time=3 min、Q=2.5 CMM、Ug=10 m/min處理低濃度二氯甲烷時,蓄熱床溫度分佈曲線(Tmax=485℃)…………………………………………………41
圖4.6 Tset=500℃、cycle time=3 min、Q=2.5 CMM、處理低濃度二氯甲烷時,RTO進出口濃度變化..……………………..…... 41
圖4.7 Tset=500℃、cycle time=3 min、Q=2.5 CMM、Ug=10 m/min處理高濃度二氯甲烷時,蓄熱床溫度分佈曲線(Tmax=486℃)……………..………………….………………42
圖4.8 Tset=500℃、cycle time=3 min、Q=2.5 CMM、處理高濃度二氯甲烷時,RTO進出口濃度變化..……………..…………... 42
圖4.9 Tset=500℃、cycle time=3 min、Q=2.5 CMM、Ug=10 m/min處理低濃度二丁醚時,蓄熱床溫度分佈曲線(Tmax=487℃)……………..…………………..………………43
圖4.10 Tset=500℃、cycle time=3 min、Q=2.5 CMM、處理低濃度二丁醚時,RTO進出口濃度變化..……………………….…….. 43
圖4.11 Tset=500℃、cycle time=3 min、Q=2.5 CMM、Ug=10 m/min處理高濃度二丁醚時,蓄熱床溫度分佈曲線(Tmax=486℃)……………………………………………………44
圖4.12 Tset=500℃、cycle time=3 min、Q=2.5 CMM、處理高濃度二丁醚時,RTO進出口濃度變化..…………………………….. 44
圖4.13 Tset=500℃、cycle time=3 min、Q=5.0 CMM、Ug=20 m/min處理低濃度三氯乙烯時,蓄熱床溫度分佈曲線(Tmax=475℃)…………….……………………………………45
圖4.14 Tset=500℃、cycle time=3 min、Q=5.0 CMM、處理低濃度三氯乙烯時,RTO進出口濃度變化..…………………..……... 45
圖4.15 Tset=500℃、cycle time=3 min、Q=5.0 CMM、Ug=20 m/min處理高濃度三氯乙烯時,蓄熱床溫度分佈曲線(Tmax=475℃)…………………………………………………46
圖4.16 Tset=500℃、cycle time=3 min、Q=5.0 CMM、處理高濃度三氯乙烯時,RTO進出口濃度變化..……………………..…... 46
圖4.17 Tset=500℃、cycle time=3 min、Q=5.0 CMM、Ug=20 m/min處理低濃度二氯甲烷時,蓄熱床溫度分佈曲線(Tmax=477℃)…………………………………………………47
圖4.18 Tset=500℃、cycle time=3 min、Q=5.0 CMM、處理低濃度二氯甲烷時,RTO進出口濃度變化..……………………..…... 47
圖4.19 Tset=500℃、cycle time=3 min、Q=5.0 CMM、Ug=20 m/min處理高濃度二氯甲烷時,蓄熱床溫度分佈曲線(Tmax=476℃)…………………………………………………48
圖4.20 Tset=500℃、cycle time=3 min、Q=5.0 CMM、處理高濃度二氯甲烷時,RTO進出口濃度變化..……………………..…... 48
圖4.21 Tset=500℃、cycle time=3 min、Q=5.0 CMM、Ug=20 m/min處理低濃度二丁醚時,蓄熱床溫度分佈曲線(Tmax=477℃)……………………………………………………49
圖4.22 Tset=500℃、cycle time=3 min、Q=5.0 CMM、處理低濃度二丁醚時,RTO進出口濃度變化..…………………………….. 49
圖4.23 Tset=500℃、cycle time=3 min、Q=5.0 CMM、Ug=20 m/min處理高濃度二丁醚時,蓄熱床溫度分佈曲線(Tmax=477℃)……………..…………..………………………50
圖4.24 Tset=500℃、cycle time=3 min、Q=5.0 CMM、處理高濃度二丁醚時,RTO進出口濃度變化..……………………………... 50
圖4.25 Tset=800℃、cycle time=3 min、Q=2.5 CMM、Ug=10 m/min處理低濃度三氯乙烯時,蓄熱床溫度分佈曲線(Tmax=777℃)……………..…………………..……………51
圖4.26 Tset=800℃、cycle time=3 min、Q=2.5 CMM、處理低濃度三氯乙烯時,RTO進出口濃度變化..………………..………... 51
圖4.27 Tset=800℃、cycle time=3 min、Q=2.5 CMM、Ug=10 m/min處理高濃度三氯乙烯時,蓄熱床溫度分佈曲線(Tmax=777℃)……………..…………………………………52
圖4.28 Tset=800℃、cycle time=3 min、Q=2.5 CMM、處理高濃度三氯乙烯時,RTO進出口濃度變化..…………………..……... 52
圖4.29 Tset=800℃、cycle time=3 min、Q=2.5 CMM、Ug=10 m/min處理低濃度二氯甲烷時,蓄熱床溫度分佈曲線(Tmax=776℃)……………..………………..………………53
圖4.30 Tset=800℃、cycle time=3 min、Q=2.5 CMM、處理低濃度二氯甲烷時,RTO進出口濃度變化..………………………… 53
圖4.31 Tset=800℃、cycle time=3 min、Q=2.5 CMM、Ug=10 m/min處理高濃度二氯甲烷時,蓄熱床溫度分佈曲線(Tmax=777℃)……………..…………..……………………54
圖4.32 Tset=800℃、cycle time=3 min、Q=2.5 CMM、處理高濃度二氯甲烷時,RTO進出口濃度變化..…………………..……... 54
圖4.33 Tset=800℃、cycle time=3 min、Q=2.5 CMM、Ug=10 m/min處理低濃度二丁醚時,蓄熱床溫度分佈曲線(Tmax=778℃)……………………………………………………55
圖4.34 Tset=800℃、cycle time=3 min、Q=2.5 CMM、處理低濃度二丁醚時,RTO進出口濃度變化..…………………………….. 55
圖4.35 Tset=800℃、cycle time=3 min、Q=2.5 CMM、Ug=10 m/min處理高濃度二丁醚時,蓄熱床溫度分佈曲線(Tmax=777℃)……………..……..……………………………56
圖4.36 Tset=800℃、cycle time=3 min、Q=2.5 CMM、處理高濃度二丁醚時,RTO進出口濃度變化..…………………………….. 56
圖4.37 Tset=800℃、cycle time=3 min、Q=3.62 CMM、Ug=14.5 m/min處理低濃度三氯乙烯時,蓄熱床溫度分佈曲線(Tmax=760℃)………………………………………………57
圖4.38 Tset=800℃、cycle time=3 min、Q=3.62 CMM、處理低濃度三氯乙烯時,RTO進出口濃度變化..…………………………. 57
圖4.39 Tset=800℃、cycle time=3 min、Q=3.62 CMM、Ug=14.5 m/min處理高濃度三氯乙烯時,蓄熱床溫度分佈曲線(Tmax=758℃)……………………………………………58
圖4.40 Tset=800℃、cycle time=3 min、Q=3.62 CMM、處理高濃度三氯乙烯時,RTO進出口濃度變化..………………………... 58
圖4.41 Tset=800℃、cycle time=3 min、Q=3.62 CMM、Ug=14.5 m/min處理低濃度二氯甲烷時,蓄熱床溫度分佈曲線(Tmax=763℃)…………..…………………………………59
圖4.42 Tset=800℃、cycle time=3 min、Q=3.62 CMM、處理低濃度二氯甲烷時,RTO進出口濃度變化..………………….……... 59
圖4.43 Tset=800℃、cycle time=3 min、Q=3.62 CMM、Ug=14.5 m/min處理高濃度二氯甲烷時,蓄熱床溫度分佈曲線(Tmax=763℃)……………………………60
圖4.44 Tset=800℃、cycle time=3 min、Q=3.62 CMM、處理高濃度二氯甲烷時,RTO進出口濃度變化..………………………... 60
圖4.45 Tset=800℃、cycle time=3 min、Q=3.62 CMM、Ug=14.5m/min處理低濃度二丁醚時,蓄熱床溫度分佈曲線(Tmax=766℃)……………..…………….……………61
圖4.46 Tset=800℃、cycle time=3 min、Q=3.62 CMM、處理低濃度二丁醚時,RTO進出口濃度變化..…………………………….. 61
圖4.47 Tset=800℃、cycle time=3 min、Q=3.62 CMM、Ug=14.5m/min處理高濃度二丁醚時,蓄熱床溫度分佈曲線(Tmax=765℃)……..……...…………………………62
圖4.48 Tset=800℃、cycle time=3 min、Q=3.62 CMM、處理高濃度二丁醚時,RTO進出口濃度變化..…………………………….. 62
圖4.49三氯乙烯之動力學模式關係……………………………….………....…. 66
圖4.50處理三氯乙烯時,焚化溫度與破壞去除率之關係………….…. 66
圖4.51二氯甲烷之動力學模式關係………………………………………….…. 67
圖4.52處理二氯甲烷時,焚化溫度與破壞去除率之關係………….…. 67
圖4.53二丁醚之動力學模式關係……………………………………………...…. 68
圖4.54處理丁醚時,焚化溫度與破壞去除率之關係…………………….. 68
圖4.55高濃度三氯乙烯在Q=2.5 CMM時,焚化溫度與排氣中含碳原子產物分佈及碳原子回收率之關係……...……………… 80
圖4.56高濃度二氯甲烷在Q=2.5 CMM時,焚化溫度與排氣中含碳原子產物分佈及碳原子回收率之關係……………...……… 80
圖4.57高濃度二丁醚在Q=2.5 CMM時,焚化溫度與排氣中含碳原子產物分佈及碳原子回收率之關係………..…………...…… 81
圖4.58高濃度三氯乙烯在Q=2.5 CMM時,焚化溫度與排氣中含氯原子產物分佈及氯原子回收率之關係………………...…… 81
圖4.59高濃度二氯甲烷在Q=2.5 CMM時,焚化溫度與排氣中含氯原子產物分佈及氯原子回收率之關係…….………..……… 82

照 片 目 錄

照片3.1 蓄熱式焚化爐(RTO)設備…..………………25
照片3.2 蓄熱床單體……………………………………25
參考文獻 References
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