苯酚丙酮裝置廢氣焚燒爐的系統(tǒng)設(shè)計

徐歆桐中國石化集團(tuán)上海工程有限公司 上海 200120

苯酚丙酮裝置廢氣焚燒爐的系統(tǒng)設(shè)計

徐歆桐＊中國石化集團(tuán)上海工程有限公司 上海 200120

從多方面分析苯酚丙酮裝置的廢氣焚燒處理,并對該廢氣焚燒爐的系統(tǒng)設(shè)計提出策略性的方案。

苯酚丙酮 廢氣 焚燒爐 系統(tǒng)設(shè)計

苯酚丙酮裝置是常見的乙烯工程配套裝置。該裝置多采用異丙苯法,即先以苯和丙烯為原料反應(yīng)生成異丙苯,再將異丙苯經(jīng)空氣氧化生成中間產(chǎn)物過氧化氫異丙苯 (CHP),最后 CHP在酸性條件下分解生成苯酚和丙酮。

苯酚丙酮裝置在生產(chǎn)過程中,尤其是其氧化工段會產(chǎn)生大量的廢氣。由于廢氣中含有一定量的異丙苯、丙酮等有害物質(zhì),且流量很大,因此通常均考慮為苯酚丙酮裝置設(shè)置專用的廢氣焚燒爐。

以下就苯酚丙酮裝置廢氣焚燒爐的系統(tǒng)設(shè)計加以論述。

1 設(shè)計條件分析

1.1 廢氣組分

苯酚丙酮裝置中需要焚燒處理的廢氣通常來自于氧化反應(yīng)尾氣、真空精餾尾氣和加氫反應(yīng)尾氣。以 300kt/a裝置規(guī)模為例,其典型廢氣組成見表1。

表1 典型廢氣組成一覽表

1.1.1 氧化反應(yīng)尾氣

氧化反應(yīng)是在一定的操作條件下,將空氣連續(xù)通入過量的異丙苯液相中,反應(yīng)的尾氣從反應(yīng)器頂部排出,經(jīng)多級冷凝后送往焚燒爐,冷凝液則經(jīng)接受罐收集后返回氧化反應(yīng)進(jìn)料系統(tǒng)循環(huán)。該廢氣流量很大,其組成主要為氮,約占 94%;氧含量控制在 5%左右;同時還夾帶了少量的異丙苯。

1.1.2 真空精餾尾氣

精餾操作均是在真空條件下進(jìn)行的。真空系統(tǒng)抽出的系統(tǒng)氣相經(jīng)多級冷凝后作為尾氣送往焚燒爐,冷凝液則經(jīng)接受罐收集后返回精餾進(jìn)料系統(tǒng)循環(huán)。該廢氣主要以空氣等不凝氣為主,同時還夾帶了少量的水蒸汽和異丙苯,流量很小。

1.1.3 加氫反應(yīng)尾氣

加氫反應(yīng)是氫氣和α-甲基異丙苯 (AMS)在加氫反應(yīng)器中經(jīng)加氫催化劑的催化作用進(jìn)行的。反應(yīng)液中夾帶的未參與反應(yīng)的氫氣經(jīng)氣液分離后即作為尾氣送往焚燒爐。該廢氣主要以氫氣為主,同時還含有少量的氮氣,流量很小。

1.2 操作工況

1.2.1 正常工況

正常工況下,以上 3類廢氣均為連續(xù)排放,流量穩(wěn)定。

1.2.2 停車工況

(1)苯酚丙酮裝置的停車工況有一定的特殊性。通常在停車期間,氧化反應(yīng)器中仍需存留一定量的低濃度 CHP物料,以備再次開車。

由于 CHP屬于強氧化劑,物性非常活躍,極易引發(fā)火災(zāi)和爆炸,所以 CHP的系統(tǒng)必須保證物料的良好流動,避免出現(xiàn)死區(qū)形成局部熱點積聚進(jìn)而引發(fā)爆炸。

為保證此期間反應(yīng)器的安全,需用氮氣以小流量間歇性地通入反應(yīng)器,使反應(yīng)器內(nèi)的物料得到良好的流動混合,避免出現(xiàn)局部熱點;而吹掃通入的氮氣又作為尾氣經(jīng)反應(yīng)器頂部排至焚燒爐。

(2)當(dāng)焚燒爐系統(tǒng)停車時,將聯(lián)鎖苯酚丙酮裝置進(jìn)入停車程序。由于停車期間仍有吹掃用氮氣作為尾氣從反應(yīng)器頂部排出,因此需考慮設(shè)置放空旁路來滿足該尾氣的排放要求。

2 主要工藝流程

2.1 焚燒爐系統(tǒng)的常規(guī)流程

焚燒爐系統(tǒng)的常規(guī)流程見圖 1。

圖1 焚燒爐系統(tǒng)的常規(guī)流程

通常由廢物預(yù)處理、助燃風(fēng)機(jī)、焚燒爐、煙氣處理、抽引風(fēng)機(jī)、煙囪等組成。當(dāng)然,不同的項目則可在此基礎(chǔ)上,根據(jù)廢物的特性及裝置的實際需要,對各環(huán)節(jié)進(jìn)行不同的配置和選型,以滿足工藝處理要求。

2.2 工藝流程

2.2.1 廢物預(yù)處理

苯酚丙酮裝置中送焚燒處理的廢氣已在工藝主裝置內(nèi)經(jīng)過了多級冷凝、分液,無液相或固態(tài)雜質(zhì)存在,因此無需再考慮預(yù)處理設(shè)施。

2.2.2 廢氣分組

根據(jù)表 1中各股廢氣的壓力、組份、操作工況等條件,苯酚丙酮裝置的廢氣可分為三組,分三路送焚燒爐處理。

2.2.3 焚燒爐

焚燒爐是廢氣焚燒系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的核心設(shè)備,苯酚丙酮裝置廢氣焚燒系統(tǒng)通常選用熱氧化爐。熱氧化爐主要有“直燃式”和“蓄熱式”兩種,見圖 2和圖 3。

圖2 直燃式廢氣焚燒爐

圖3 蓄熱式廢氣焚燒爐

實際上,直燃式廢氣焚燒爐和蓄熱式廢氣焚燒爐的原理是相同的,其差異主要是廢氣的預(yù)熱方式不同:直燃式廢氣焚燒爐的廢氣預(yù)熱是通過外部的熱交換器來完成的;而蓄熱式廢氣焚燒爐的廢氣預(yù)熱是通過蓄熱材料 (多數(shù)采用 “蜂窩陶瓷”)來實現(xiàn)的。

由表 1可知,苯酚丙酮裝置廢氣中的有機(jī)物含量很少,所以廢氣的熱值非常低。若選用蓄熱式廢氣焚燒爐,仍要依賴補充燃料來提供所需的熱量,無法發(fā)揮蓄熱系統(tǒng)的作用。因此,選用直燃式廢氣焚燒爐更適合于苯酚丙酮裝置。

焚燒爐宜選用臥式結(jié)構(gòu),較立式結(jié)構(gòu)在操作和維護(hù)方面都更為方便。爐體通常均為圓筒設(shè)計以避免死角,內(nèi)襯防腐隔熱耐火材料以減少熱損失,同時確保爐體在高溫工況下的使用壽命。焚燒爐的一端設(shè)置燃燒器,另一端則連接通往下游的煙道。燃燒器應(yīng)選用低 NOX燒嘴,并設(shè)置火焰檢測器。

在設(shè)計時,應(yīng)按照燃燒的 3T+E原則 (焚燒溫度、停留時間、湍流度、過剩空氣系數(shù))來確定焚燒爐的設(shè)計參數(shù)。

根據(jù)《危險廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》GB 18484-2001和《危險廢物焚燒處置工程建設(shè)技術(shù)規(guī)范》HJ/T 176-2005中的相關(guān)規(guī)定,整個焚燒系統(tǒng)必須保持微負(fù)壓狀態(tài)運行。焚燒爐的爐溫通常為 850℃。

2.2.4 煙氣處理

煙氣處理通常包括廢熱回收和煙氣凈化。

(1)由于該裝置廢氣排量大、且需連續(xù)焚燒處理,因此很有必要設(shè)置廢熱回收設(shè)施。廢熱回收的途徑很多,如:廢熱鍋爐發(fā)生蒸汽、燃燒空氣預(yù)熱、廢氣預(yù)熱、導(dǎo)熱油熱媒換熱等,對于苯酚丙酮裝置而言:

首先,工藝裝置需要消耗大量的高壓 /中壓蒸汽,設(shè)置廢熱鍋爐可減少對一次蒸汽的消耗。由于苯酚丙酮裝置廢氣比較清潔,其煙氣也比較干凈,因此可選用煙管式廢熱鍋爐,較其他結(jié)構(gòu)型式的廢熱鍋爐,煙管式廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)較為簡單緊湊、制造安裝較為容易、操作維護(hù)較為方便。通?？紤]將煙氣溫度通過廢熱鍋爐降至 400℃左右,發(fā)生蒸汽的壓力等級可根據(jù)工藝裝置的蒸汽平衡要求來確定。

由于廢熱鍋爐位于焚燒爐的下游,而廢物的焚燒處理過程又是在焚燒爐內(nèi)完成的,因此蒸汽等級、廢熱鍋爐型式對廢物焚燒效果無直接影響。

其次,氧化反應(yīng)尾氣的流量很大,且因多級冷凝使溫度降至常溫,因此應(yīng)考慮進(jìn)行預(yù)熱,需另外設(shè)置預(yù)熱器?？紤]到本系統(tǒng)焚燒煙氣較為清潔,因此可考慮選用管式空氣預(yù)熱器,此種預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)簡單、傳熱效率高、加工制造容易、檢修維護(hù)方便。預(yù)熱器應(yīng)采用逆流換熱,同時通過在空氣側(cè)設(shè)置隔板增加空氣側(cè)的流程,以提高換熱效率。氧化反應(yīng)尾氣可被預(yù)熱至 250℃左右,同時使煙氣溫度降至 200℃以下。

再次,預(yù)熱器通常均被設(shè)置在廢熱鍋爐上游,以便盡可能提升廢氣的預(yù)熱溫度,從而更多地減少焚燒爐的燃料消耗。苯酚丙酮裝置中,雖然氧化反應(yīng)尾氣的含氧量被嚴(yán)格控制在一定的安全區(qū)間,但其所含的異丙苯爆炸下限很低 (常溫常壓下低于 1%),宜將預(yù)熱器設(shè)置在廢熱鍋爐下游,使廢氣的受熱溫度受到一定的限制,這樣既可延長金屬換熱管的壽命,又可在一定程度上提升焚燒爐系統(tǒng)的安全性。

(2)由于苯酚丙酮裝置各股廢氣均比較清潔,不含有硫化物、鹵化物等,且基本無灰份產(chǎn)生,所以無需考慮設(shè)置煙氣凈化設(shè)施。焚燒后的排放煙氣應(yīng)滿足《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》GB 16297-1996的要求。

2.2.5 其他設(shè)計

根據(jù) 1.2節(jié)描述,即便苯酚丙酮裝置和焚燒爐系統(tǒng)都處于停車狀態(tài)的工況下,仍需要將氮氣間歇地通入含有 CHP的氧化反應(yīng)器,于是就有尾氣從反應(yīng)器頂部排出,因此應(yīng)在焚燒爐系統(tǒng)內(nèi)氧化尾氣進(jìn)料切斷閥的上游設(shè)置一根旁路管線接至煙囪,以便氧化尾氣直接放空。

根據(jù)以上設(shè)計理念,選用直燃式焚燒爐的苯酚丙酮裝置焚燒爐系統(tǒng)的工藝流程,見圖 4。

圖4 苯酚丙酮裝置焚燒爐系統(tǒng)的工藝流程

3 聯(lián)鎖控制

(1)系統(tǒng)需設(shè)置延時吹掃功能,以確保在點火之前將焚燒爐內(nèi)殘留的燃料氣和可燃廢氣完全清除。

(2)系統(tǒng)先由燃料氣燒嘴點火升溫,當(dāng)確認(rèn)爐溫已升至焚燒溫度,且焚燒爐內(nèi)有明火時,方可允許打開廢氣管路上的切斷閥,使廢氣經(jīng)專用燒嘴送爐內(nèi)焚燒。

(3)燃料氣的進(jìn)氣量需由焚燒爐內(nèi)溫度來控制調(diào)節(jié)。當(dāng)爐溫高于上限值時,燃料氣進(jìn)氣量將被自動調(diào)小;當(dāng)爐溫低于下限值時,燃料氣進(jìn)氣量將被自動加大,從而維持爐溫的穩(wěn)定。

(4)助燃補風(fēng)量必須由焚燒爐出口的氧分析儀來控制調(diào)節(jié)。當(dāng)焚燒爐出口氧含量過高時,助燃補風(fēng)量將被自動調(diào)小;當(dāng)焚燒爐出口氧含量過低時,助燃補風(fēng)量將被自動加大,從而保持爐內(nèi)合理的空氣系數(shù)。

(5)引風(fēng)量必須由焚燒爐內(nèi)的壓力來控制調(diào)節(jié)。直燃式焚燒爐應(yīng)在微負(fù)壓條件下操作,當(dāng)焚燒爐內(nèi)的壓力過高時,引風(fēng)量將被自動調(diào)小;當(dāng)焚燒爐內(nèi)的壓力過低時,引風(fēng)量將被自動加大,從而維持爐內(nèi)穩(wěn)定的負(fù)壓條件。

(6)設(shè)置火焰在線檢測系統(tǒng),一旦爐內(nèi)明火熄滅,系統(tǒng)必須聯(lián)鎖切斷廢氣和燃料氣的進(jìn)料。

(7)需對廢氣、燃料氣的進(jìn)料壓力進(jìn)行監(jiān)測,一旦壓力過低必須聯(lián)鎖先切斷廢氣進(jìn)料,再切斷燃料氣進(jìn)料。

(8)助燃風(fēng)機(jī)、抽引風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時,必須聯(lián)鎖切斷廢氣和燃料氣的進(jìn)料。

(9)系統(tǒng)一旦切斷了廢氣和燃料氣的進(jìn)料,整個焚燒爐系統(tǒng)即進(jìn)入停車程序,同時須聯(lián)鎖氧化反應(yīng)緊急放空系統(tǒng),并在第一時間輸出停車信號給工藝主裝置的安全聯(lián)鎖系統(tǒng),以便工藝主裝置啟動相應(yīng)的停車程序。

(10)廢熱鍋爐系統(tǒng)需考慮鍋爐水液位和蒸汽壓力等常規(guī)的鍋爐系統(tǒng)控制要求。

4 結(jié)語

本文策略性地提出了苯酚丙酮裝置廢氣焚燒爐的系統(tǒng)設(shè)計方案,在現(xiàn)實項目的設(shè)計過程中,尚需充分分析研究主裝置生產(chǎn)工藝的技術(shù)特點和實際需求,并根據(jù)具體的設(shè)備選型和配置,進(jìn)一步調(diào)整和完善該廢氣焚燒爐的系統(tǒng)設(shè)計方案,使之與工藝主裝置之間的最佳組合。

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2010-10-18)

＊徐歆桐:工程師。2000年畢業(yè)于華東理工大學(xué)。一直從事于石油化工工藝設(shè)計工作。聯(lián)系電話:(021)58366600-3610。