催化燃燒技術(shù)處理石油化工企業(yè)含VOCs廢氣的工藝研究

梁 凱，崔亞軍，崔久濤，王 健

（中國石油工程建設(shè)有限公司大連設(shè)計分公司，遼寧 大連 116033）

催化燃燒技術(shù)處理石油化工企業(yè)含VOCs廢氣的工藝研究

梁 凱，崔亞軍，崔久濤，王 健

（中國石油工程建設(shè)有限公司大連設(shè)計分公司，遼寧 大連 116033）

石油化工企業(yè)工藝裝置尾氣及污水處理場逸散的廢氣均含有 VOCs，其排放給區(qū)域空氣質(zhì)量和人體健康帶來嚴(yán)重威脅。針對工藝尾氣和污水處理場廢氣的特點，研究了催化燃燒工藝在處理這兩類廢氣時工藝流程及控制方案。對工藝尾氣采用堿洗—催化燃燒組合工藝，對污水處理場廢氣采用脫硫—均化—催化燃燒組合工藝。研究表明，針對上述兩種廢氣，合理選擇催化燃燒組合工藝及控制方案，能夠有效處理廢氣中的VOCs組分，且處理后的氣體烴類濃度均可達到國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

污水處理場；工藝尾氣；VOCs；催化燃燒

石油化工企業(yè)工藝裝置及污水處理場會向空氣中逸散含VOCs廢氣。此類廢氣不僅會導(dǎo)致區(qū)域空氣質(zhì)量下降，而且其中的某些成分會刺激人體的呼吸道系統(tǒng)、血液系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)，職工長期接觸這類廢氣會對人體健康造成嚴(yán)重威脅，因此這類廢氣需要進行治理［1］。

現(xiàn)有技術(shù)中，處理含VOCs廢氣治理方法主要有焚燒法、催化燃燒法、冷凝法、吸收法、吸附法、生物法等［2］。焚燒法處理低濃度廢氣時存在能耗較高的缺點；采用冷凝法和吸收法時，對低濃度廢氣處理效果有限，且須于其他技術(shù)（如催化燃燒）結(jié)合才能使廢氣達標(biāo)排放，流程比較復(fù)雜，投資較大；現(xiàn)有的生物凈化法對高VOCs濃度廢氣去除效果有限［3］；催化燃燒工藝對廢氣中的污染物凈化效率高，可滿足苛刻的國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求，因此在石油化工企業(yè)含VOCs廢氣治理中應(yīng)用廣泛［4-7］。

本研究針對工藝尾氣和污水處理場逸散廢氣的特點，研究了催化燃燒工藝在處理這兩類廢氣時工藝流程及控制方案，以使催化燃燒工藝在處理上述兩種廢氣時更加安全有效。

1 催化燃燒處理工藝尾氣

1.1 工藝尾氣特點

煉油與石油化工企業(yè)工藝單元排放（有組織排放）的有機工藝尾氣具有以下特點（以聚丙烯裝置尾氣為例）：

（1）濃度與流量波動較小；

（2）有機工藝尾氣中不含有氧氣；

（3）對高濃度具有回收價值的尾氣應(yīng)首先采用回收工藝進行回收，回收之后的尾氣采用催化燃燒工藝達標(biāo)處理，對低濃度尾氣直接采用催化燃燒工藝處理；

（4）尾氣中可能含有氯化物、硫化物等易使催化燃燒催化劑中毒的組分。

1.2 工藝尾氣處理工藝流程

根據(jù)工藝尾氣的特點，處理工藝尾氣的催化燃燒工藝如圖1所示。

圖1 催化燃燒工藝處理工藝尾氣工藝流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the catalytic combustion process for exhaust treatment

如圖1 所示，工藝裝置排放的有機廢氣在增壓風(fēng)機的作用下首先進入堿洗塔，利用堿液脫除廢氣中的氯化物、硫化物等對催化燃燒催化劑有毒的物質(zhì)。堿洗塔上部設(shè)置水洗段，除去廢氣攜帶的堿液。經(jīng)過預(yù)處理后的工藝廢氣進入尾氣換熱器，與燃燒后的高溫尾氣充分換熱，預(yù)熱到反應(yīng)溫度后進入催化燃燒反應(yīng)器，在催化劑的作用下，與氧氣進行催化燃燒反應(yīng)，將廢氣中的VOCs轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水。從催化燃燒反應(yīng)器出來的凈化氣體進入尾氣換熱器回收熱量，凈化尾氣通過排氣筒排放到大氣中。在本工藝中，設(shè)置循環(huán)尾氣冷卻器及循環(huán)鼓風(fēng)機，將循環(huán)尾氣冷卻到40～50 ℃引入尾氣換熱器入口，以此來控制催化燃燒反應(yīng)器出口溫度。由于工藝尾氣中不含有氧氣，因此進行催化燃燒反應(yīng)所必須的氧氣由空氣鼓風(fēng)機從大氣中引入裝置。本工藝開工階段利用電加熱器加熱尾氣的方式進行開工預(yù)熱，正常運行時電加熱器停用。

1.3 主要控制方案

為保證催化燃燒工藝在處理工藝尾氣時能高效安全平穩(wěn)的運行，主要的控制與聯(lián)鎖方案如下：

（1）催化燃燒反應(yīng)器出口溫度控制——催化燃燒反應(yīng)器的出口溫度控制是通過調(diào)節(jié)循環(huán)凈化尾氣量來實現(xiàn)的。當(dāng)催化燃燒反應(yīng)器出口溫度大于設(shè)定值時，增大循環(huán)鼓風(fēng)機入口調(diào)節(jié)閥的開度，增大循環(huán)尾氣量，使催化燃燒反應(yīng)器出口溫度回到設(shè)定值；當(dāng)催化燃燒反應(yīng)器出口溫度小于設(shè)定值時，減小循環(huán)鼓風(fēng)機入口調(diào)節(jié)閥的開度，降低循環(huán)尾氣量，使催化燃燒反應(yīng)器出口溫度回到設(shè)定值。

（2）催化燃燒反應(yīng)器入口溫度控制——催化燃燒反應(yīng)器的入口溫度是通過調(diào)節(jié)尾氣換熱器旁路調(diào)節(jié)閥來實現(xiàn)的。當(dāng)催化燃燒反應(yīng)器入口溫度大于設(shè)定值時，增大尾氣換熱器旁路調(diào)節(jié)閥的開度，減小換熱尾氣量，使催化燃燒反應(yīng)器入口溫度回到設(shè)定值；當(dāng)催化燃燒反應(yīng)器入口溫度小于設(shè)定值時，減小尾氣換熱器旁路調(diào)節(jié)閥的開度，增大換熱尾氣量，使催化燃燒反應(yīng)器入口溫度回到設(shè)定值。

（3）當(dāng)催化燃燒反應(yīng)器催化劑床層測溫超過設(shè)定值、循環(huán)尾氣冷卻器出口測溫超過設(shè)定值、循環(huán)鼓風(fēng)機出口流量低于設(shè)定值、循環(huán)鼓風(fēng)機停止運行或空氣鼓風(fēng)機停止運行時，以上條件，只要滿足一個即觸發(fā)聯(lián)鎖，即關(guān)閉尾氣調(diào)節(jié)閥，同時打開尾氣放空閥、關(guān)閉空氣鼓風(fēng)機、空氣調(diào)節(jié)閥以及停增壓風(fēng)機。

1.4 應(yīng)用效果

某石化公司聚丙烯裝置在生產(chǎn)過程中會向大氣中排放聚丙烯尾氣，其組成如表1所示。

表1 聚丙烯尾氣組成和性質(zhì)Table 1 Composition and properties of polypropylene tail gas

M-303尾氣中非甲烷總烴數(shù)值約為65 477 mg/ Nm3，遠超國家標(biāo)準(zhǔn)《合成樹脂工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 31572-2015）對合成樹脂工業(yè)非甲烷總烴的排放要求（非甲烷總烴排放限值為100 mg/m3）。

由于M-303尾氣有機烴濃度不高，回收沒有太大的經(jīng)濟價值，考慮直接采用催化燃燒工藝對M-303尾氣進行治理。由于尾氣中含有少量對催化劑有毒物質(zhì)HCL，首先采用堿洗除去HCL，之后進入催化燃燒單元除去尾氣中的非甲烷總烴，工藝流程如圖1所示。

在反應(yīng)器入口溫度350～450 ℃的條件下，經(jīng)過催化燃燒裝置處理，凈化氣體中的非甲烷總烴濃度低于60 mg/m3，符合我國《合成樹脂工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 31572-2015）規(guī)定的排放要求。

2 催化燃燒處理污水處理場廢氣

2.1 污水處理場廢氣特點

煉油與石油化工企業(yè)污水處理場排放的廢氣具有以下特點：

（1）濃度與流量波動較大；

（2）污水處理場排放的廢氣含有充足的氧氣；

（3）污水處理場前端構(gòu)筑物如隔油池、浮選池等排放的廢氣中非甲烷總烴濃度較高，約為 2 000～5 000 mg/m3，可考慮直接采用催化燃燒工藝來進行處理；后端構(gòu)筑物如曝氣池、生化池等排放的廢氣中非甲烷總烴濃度較低，約為100～500 mg/m3，如直接采用催化燃燒工藝處理能耗較高，可考慮先采用吸附濃縮再采用催化燃燒工藝來進行處理；

（4）污水處理場排放的廢氣中含有硫化氫、硫醇、硫醚等易使催化燃燒催化劑中毒的組分。

2.2 污水處理場廢氣處理工藝流程

根據(jù)污水處理場排放廢氣的特點，處理污水處理場廢氣的催化燃燒工藝如圖2所示。

圖2 催化燃燒工藝處理污水處理場廢氣工藝流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of the catalytic combustion process for treatment of waste gas from wastewater treatment plant

隔油池、浮選池等構(gòu)筑物逸散的含VOCs廢氣由催化風(fēng)機引出經(jīng)阻火器進入脫硫罐，脫硫罐中內(nèi)置脫硫吸附劑，脫除廢氣中的有機硫、無機硫。脫硫處理之后的廢氣之后進入均化罐，利用均化罐中的均化劑完成廢氣總烴濃度的均化，使廢氣中的總烴濃度維持在較穩(wěn)定的水平避免對催化燃燒反應(yīng)器的沖擊。經(jīng)過脫硫、均化的廢氣與空氣混合，使廢氣中的總烴濃度滿足催化燃燒反應(yīng)器對濃度的要求（濃度低于爆炸下限的 25%），之后廢氣進入過濾器，脫除廢氣中的顆粒物，避免堵塞催化劑床層。經(jīng)過預(yù)處理后的廢氣進入尾氣換熱器，與燃燒后的高溫尾氣充分換熱，進入催化燃燒反應(yīng)器，在催化劑的作用下，與氧氣進行催化燃燒反應(yīng)，將廢氣中的VOCs組分轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水，并釋放出大量的反應(yīng)熱。從催化燃燒反應(yīng)器出來的凈化氣體攜帶熱量，進入尾氣換熱器與待處理廢氣進行充分換熱。最后凈化尾氣通過排氣筒排放到大氣中。

2.3 主要控制方案

為保證催化燃燒工藝在處理污水處理場廢氣時能高效安全平穩(wěn)的運行，主要的控制與聯(lián)鎖方案如下：

（1）催化燃燒反應(yīng)器出口溫度控制——催化燃燒反應(yīng)器的出口溫度控制是通過調(diào)節(jié)空氣量來實現(xiàn)的。當(dāng)催化燃燒反應(yīng)器出口溫度大于設(shè)定值時，增大空氣入口調(diào)節(jié)閥的開度，增大空氣量，使催化燃燒反應(yīng)器出口溫度回到設(shè)定值；當(dāng)催化燃燒反應(yīng)器出口溫度小于設(shè)定值時，減小空氣入口調(diào)節(jié)閥的開度，降低空氣量，使催化燃燒反應(yīng)器出口溫度回到設(shè)定值。

（2）催化燃燒反應(yīng)器入口溫度控制——催化燃燒反應(yīng)器的入口溫度是通過調(diào)節(jié)電加熱器輸出功率來實現(xiàn)的。當(dāng)催化燃燒反應(yīng)器入口溫度大于設(shè)定值時，降低電加熱器輸出功率，使催化燃燒反應(yīng)器入口溫度回到設(shè)定值；當(dāng)催化燃燒反應(yīng)器入口溫度小于設(shè)定值時，增大電加熱器輸出功率，使催化燃燒反應(yīng)器入口溫度回到設(shè)定值。

（3）當(dāng)催化燃燒反應(yīng)器入口溫度超過設(shè)定值、催化燃燒反應(yīng)器出口溫度超過設(shè)定值、電加熱器內(nèi)部溫度超過設(shè)定值或電加熱器故障時，以上條件，只要滿足一個即觸發(fā)聯(lián)鎖即切斷廢氣進裝置、全開空氣閥、關(guān)閉電加熱器。

2.4 應(yīng)用效果

某污水處理場預(yù)處理設(shè)施在水處理過程中會向外逸散含VOCs惡臭廢氣，其組成如表2所示。

表2 污水處理場廢氣組成和性質(zhì)Table 2 Composition and properties of waste gas from wastewater treatment plant

由表2可知，污水處理場隔油池、浮選池等污水預(yù)處理設(shè)施排放的廢氣遠超國家標(biāo)準(zhǔn)《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 31570-2015）對污水處理場廢氣排放要求（非甲烷總烴排放限值為120 mg/ Nm3，苯排放限值為4 mg/Nm3，甲苯排放限值為15 mg/ Nm3，二甲苯排放限值為20 mg/Nm3）。

由于污水處理場預(yù)處理設(shè)施排放的廢氣達到3 000 mg/Nm3，廢氣燃燒放出的熱量可維持系統(tǒng)的熱量平衡，因此考慮直接采用催化燃燒工藝對廢氣進行治理。廢氣中含有的對催化劑有毒物質(zhì)硫化氫、甲硫醇，首先采用干法脫硫吸附脫除（總硫小于10mg/Nm3），之后進入催化燃燒單元除去尾氣中的非甲烷總烴、三苯類物質(zhì)，工藝流程如圖2所示。

表3 催化燃燒處理工藝尾氣及污水處理場廢氣對比表Table 3 Comparison of catalytic combustion process for treatment of process exhaust gas and wastewater treatment exhaust gas

在反應(yīng)器入口溫度250～350 ℃的條件下，經(jīng)過催化燃燒裝置處理，凈化氣體中的非甲烷總烴濃度低于100 mg/Nm3、苯濃度低于3 mg/Nm3、甲苯濃度低于10 mg/Nm3，二甲苯濃度低于10 mg/Nm3，符合我國《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 31570-2015）規(guī)定的排放要求。

3 結(jié) 論

針對工藝尾氣及污水處理場廢氣的不同特點，對催化燃燒工藝處理這兩類廢氣的工藝流程及主要控制方案進行了研究，結(jié)果對比如表3所示。

采用催化燃燒工藝來處理工藝尾氣及污水處理場廢氣時，應(yīng)根據(jù)不同種類廢氣的特點合理組織工藝流程及控制聯(lián)鎖方案：針對工藝尾氣采用堿洗—催化燃燒組合工藝，針對污水處理場廢氣采用脫硫—均化—催化燃燒組合工藝。研究表明，針對上述兩種廢氣，合理選擇催化燃燒組合工藝及控制方案，能夠有效處理廢氣中的VOCs組分，且處理后的氣體烴類濃度均可達到國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

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Study on Catalytic Combustion Technology for Treatment of Waste Gas Containing VOCs in Petrochemical Enterprises

LIANG Kai,CUI Ya-jun,CUI Jiu-tao,WANG Jian

（China Petroleum Engineering Construction Corporation Dalian Design Branch, Liaoning Dalian 116033，China）

The exhaust gas from the production process and the waste water treatment plant in petrochemical enterprises contains VOCs, so it brings serious threat to the regional air quality and human health. In this paper, according to the characteristics of the exhaust gas from the production process and the waste water treatment plant, the process flow and control scheme of the catalytic combustion process for treating these two types of exhaust gases were studied. It's pointed out that the combination of caustic washing and catalytic combustion should be used for treating the exhaust gas from production process; A desulfurization-homogenization-catalyzed combusting process should be applied to treat the exhaust gas of waste water treatment plant. Research shows that, in view of the above two kinds of exhaust gas, a reasonable choice of catalytic process and control scheme of combined combustion, can effectively treat VOCs in the exhaust gas, and hydrocarbon concentration after treatment can reach the national standard.

Wastewater treatment system；Process exhaust gas；VOCs；Catalytic combustion

TE 991

A

1671-0460（2017）04-0707-04

2017-03-01

梁凱，男，山東省聊城市人，工程師，碩士，2015年畢業(yè)于天津大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)，研究方向：從事煉油化工研究設(shè)計工作。E-mail：liangkai-dl@cpecc.com.cn。