苯罐區(qū)VOCs治理裝置的運(yùn)行及改造

閆宗磊,魏理統(tǒng),劉祖虎,蔣劍云

(1．中國(guó)石油華北石化公司油品運(yùn)行部,河北 任丘 062550； 2．江蘇金門能源裝備有限公司,江蘇 句容 212434)

中國(guó)石油華北石化公司老罐區(qū)苯罐為3臺(tái)1000m3的內(nèi)浮頂罐[1]，雖然設(shè)置了氮封系統(tǒng)，但仍存在靜止儲(chǔ)存損耗、發(fā)油損耗和收油損耗[2]，產(chǎn)生VOCs無(wú)組織排放[3]。苯是致癌物，其無(wú)組織排放對(duì)生態(tài)環(huán)境和人員健康有重要影響[4]。

2016年2月，河北省環(huán)保廳發(fā)布《工業(yè)企業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物排放控制標(biāo)準(zhǔn)》(DB13/2322-2016)，規(guī)定：產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)物的主要生產(chǎn)工藝和裝置必須設(shè)立整體或局部氣體收集系統(tǒng)和凈化處理裝置。2017年4月1日，雄安新區(qū)設(shè)立，對(duì)周邊環(huán)境提出了更高的要求。為響應(yīng)國(guó)家建設(shè)雄安新區(qū)政策，貫徹地方減排標(biāo)準(zhǔn)，打造優(yōu)美自然生態(tài)環(huán)境，華北石化油品運(yùn)行部于2017年7月為老罐區(qū)苯罐設(shè)置了VOCs治理裝置，經(jīng)過(guò)近一年的運(yùn)行，顯著減少了VOCs排放，但在運(yùn)行中也出現(xiàn)了部分問(wèn)題?，F(xiàn)將該VOCs治理裝置的運(yùn)行情況、存在的問(wèn)題和改造情況進(jìn)行分析，以期對(duì)類似裝置的運(yùn)行提供指導(dǎo)。

1 裝置概況

1.1 基本參數(shù)

老罐區(qū)苯罐采用江蘇金門能源裝備有限公司設(shè)計(jì)、制造的JM-VRECS-CD/AD-100型VOCs治理裝置，冷凝+吸附集成工藝[5]，裝置主要參數(shù)如表1。

表1 VOCs治理裝置基本參數(shù)

1.2 工藝流程

采用冷凝系統(tǒng)對(duì)VOCs進(jìn)行預(yù)處理，將大部分的可凝組分冷凝回收，降低進(jìn)入吸附系統(tǒng)的VOCs濃度。未凝氣去吸附罐進(jìn)行吸附處理，達(dá)標(biāo)后排放，吸附解吸氣循環(huán)至冷凝裝置處理、回收。該系統(tǒng)的本質(zhì)是冷凝實(shí)現(xiàn)VOCs可凝組分回收，吸附實(shí)現(xiàn)VOCs達(dá)標(biāo)排放[6]。VOCs治理裝置流程圖如圖1。

1-凝液收集罐；2-氣液分離罐；3-液位變送器；4-風(fēng)機(jī)；5-冷箱；6-制冷機(jī)組；7-吸附罐進(jìn)口閥A；8-吸附罐進(jìn)口閥B；9-吸附罐A；10-吸附罐B；11-溫度變送器A；12-溫度變送器B；13-溫度變送器C；14-溫度變送器D；15-溫度變送器E；16-溫度變送器F；17-吸附罐出口閥A；18-吸附罐出口閥B；19-吸附罐破真空閥A；20-吸附罐破真空閥B；21-吹掃氣進(jìn)口閥A；22-吹掃氣進(jìn)口閥B；23-吸附劑床層A；24-吸附劑床層B；25-真空脫附閥A；26-真空脫附閥B；27-真空泵；28-回液泵；29-外輸液流量開關(guān)閥；30-緊急放空閥；31-排放筒

圖1 VOCs治理裝置流程圖

來(lái)自儲(chǔ)罐的VOCs氣體由管道進(jìn)入VOCs治理系統(tǒng)，VOCs入口管道設(shè)置有壓力傳感器和流量計(jì)，當(dāng)壓力高于設(shè)定值時(shí)，變頻防爆風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，VOCs氣體進(jìn)入冷凝單元的冷箱，與來(lái)自制冷機(jī)組的冷媒進(jìn)行換熱，大部分VOCs組分冷凝、液化、析出，低溫VOCs再去回?zé)峤粨Q器與冷凝單元入口VOCs進(jìn)行回?zé)峤粨Q，溫度回升到接近常溫，完成氣路的冷量回收利用。冷凝單元設(shè)置有利用制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)排出的過(guò)熱蒸汽融霜的化霜系統(tǒng)，將冷箱內(nèi)的結(jié)霜融化、回收[7]。

未冷凝的低濃度VOCs，進(jìn)入到吸附單元，吸附系統(tǒng)由兩臺(tái)交替進(jìn)行吸附-脫附的吸附罐組成[8]，VOCs中的大部分有機(jī)組分被吸附罐內(nèi)的活性炭吸附，達(dá)標(biāo)后的氣體經(jīng)排放管放空。當(dāng)吸附罐吸附飽和后，對(duì)吸附罐進(jìn)行抽真空脫附[9]，真空泵出口排放氣循環(huán)至冷凝單元冷箱進(jìn)行冷凝處理。冷箱冷凝下來(lái)的液態(tài)烴進(jìn)入儲(chǔ)罐，經(jīng)輸油泵，泵送至回收儲(chǔ)罐。

2 運(yùn)行情況和存在的問(wèn)題

2.1 運(yùn)行參數(shù)

VOCs治理裝置主要運(yùn)行參數(shù)如表2。

表2 VOCs治理裝置運(yùn)行參數(shù)

表2(續(xù))

2.2 存在的問(wèn)題2.2.1 冷箱回收的液量少

裝置運(yùn)行兩個(gè)月，與冷箱連接的儲(chǔ)罐液位僅30%，約25L，回收的液量明顯偏少，分析原因：

(1)苯儲(chǔ)罐是內(nèi)浮頂罐，且?guī)в械庀到y(tǒng)[10]，排放氣中有機(jī)物濃度低，實(shí)測(cè)VOCs治理裝置入口非甲烷總烴在20000～25000mg/m3之間；

(2)實(shí)際運(yùn)行的氣量較低，遠(yuǎn)達(dá)不到100Nm3/h的設(shè)計(jì)處理量，正常運(yùn)行時(shí)，VOCs治理裝置氣體流量在20～50m3之間；

(3)化霜時(shí)間不夠長(zhǎng)，停止化霜溫度不夠高，經(jīng)手動(dòng)化霜，大量液體自冷箱流出，實(shí)際運(yùn)行中有機(jī)物在進(jìn)入冷箱后直接凝華[11]，在冷箱內(nèi)壁結(jié)晶。

2.2.2 真空泵頻繁自停

由于采用的是干式螺桿真空泵，其優(yōu)點(diǎn)在于其真空度高[12]，可達(dá)到3Pa的極限真空[13]，但同時(shí)對(duì)進(jìn)氣的顆粒物和含液量要求高[14]，運(yùn)行期間，數(shù)次因活性炭粉末和苯蒸汽冷凝積液停機(jī)。

3 排放指標(biāo)不合格

裝置運(yùn)行初期兩個(gè)月，每周取樣檢測(cè)，排放指標(biāo)正常，非甲烷總烴維持在80mg/m3以下，苯維持在2mg/m3以下。

運(yùn)行兩個(gè)月后，非甲烷總烴排放超過(guò)10000mg/m3，活性炭飽和[15]。分析原因，一方面，由于冷箱內(nèi)結(jié)霜嚴(yán)重，提高了進(jìn)入吸附罐的有機(jī)物濃度；另一方面，真空解吸不能完全將活性炭解吸，導(dǎo)致被吸附的有機(jī)物逐漸積累，以致活性炭飽和，甚至失活[16]。

3 裝置改造

3.1 設(shè)備改造

考慮到干式螺桿真空泵的使用要求和本裝置的實(shí)際情況，將干式螺桿真空泵更換為更可靠的無(wú)油干式渦旋真空泵，其對(duì)進(jìn)氣顆粒物和液滴的接受性更強(qiáng)[17]，適于長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

真空泵入口增設(shè)5μm過(guò)濾器，保證最少的雜質(zhì)進(jìn)入真空泵腔體[18]。

真空泵出口管道增設(shè)保溫和電伴熱[19]，防止高濃度解吸氣在環(huán)境溫度較低時(shí)冷凝，保證真空泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.2 工藝改造

考慮到真空解吸不能使活性炭解吸完全，增設(shè)活性炭罐熱氮?dú)獯祾呦到y(tǒng)[20]。

具體地，在現(xiàn)有吸附罐氮?dú)獯祾吖芫€增設(shè)氮?dú)怆娂訜崞?，用于?duì)氮?dú)膺M(jìn)行加熱；在真空泵入口管道引出一條支路至冷箱入口，該支路上設(shè)置開關(guān)閥和風(fēng)冷冷卻器，用于對(duì)吹掃后的熱氮?dú)馕矚膺M(jìn)行降溫和再處理。改造后的VOCs治理裝置流程圖如圖2。

1-凝液收集罐；2-氣液分離罐；3-液位變送器；4-風(fēng)機(jī)；5-冷箱；6-制冷機(jī)組；7-吸附罐進(jìn)口閥A；8-吸附罐進(jìn)口閥B；9-吸附罐A；10-吸附罐B；11-溫度變送器A；12-溫度變送器B；13-溫度變送器C；14-溫度變送器D；15-溫度變送器E；16-溫度變送器F；17-吸附罐出口閥A；18-吸附罐出口閥B；19-吸附罐破真空閥A；20-吸附罐破真空閥B；21-吹掃氣進(jìn)口閥A；22-吹掃氣進(jìn)口閥B；23-吸附劑床層A；24-吸附劑床層B；25-真空脫附閥A；26-真空脫附閥B；27-真空泵；28-回液泵；29-外輸液流量開關(guān)閥；30-緊急放空閥；31-排放筒；32-加熱器；33-熱氣體溫度變送器；34-熱氣體脫附開關(guān)閥；35-冷卻器、36-冷卻溫度變送器

圖2 改造后的VOCs治理裝置流程圖

活性炭吹掃間歇運(yùn)行，現(xiàn)以A罐的吹掃為例，對(duì)流程進(jìn)行說(shuō)明。

依次打開吸附罐A真空閥、吸附罐B進(jìn)氣閥、吸附罐B出口閥、制冷系統(tǒng)、吸附罐A吹掃閥、排氣電磁閥、風(fēng)冷冷卻器，對(duì)吸附罐A進(jìn)行氮?dú)忸A(yù)吹掃，預(yù)吹掃2min，排出吸附罐內(nèi)的空氣。然后，電加熱器打開，開始對(duì)氮?dú)膺M(jìn)行加熱，熱氮?dú)鈱?duì)活性炭床層進(jìn)行吹掃，氮?dú)獯祾邥r(shí)間控制在120min左右，熱吹掃結(jié)束后，關(guān)閉電加熱器，用冷氮?dú)獯祾?，將床層溫度降低?0℃以下。

吹掃過(guò)程中，熱氮?dú)獾穆窂揭来螢椋旱獨(dú)夤艿?電加熱器-吹掃閥-真空閥-排氣開關(guān)閥-風(fēng)冷冷卻器-冷箱-吸附罐-排空。

冷氮?dú)獯祾呓Y(jié)束，將床層溫度降低至30℃以下，排氣電磁閥、風(fēng)冷冷卻器關(guān)閉。

經(jīng)吹掃后，正常運(yùn)行時(shí)，非甲烷總烴排放維持在100mg/m3以下，苯排放維持在4mg/m3以下，達(dá)到了排放要求。

采用該種方式吹掃，可以最大程度的對(duì)活性炭床層進(jìn)行深度解吸附，且解吸氣再次經(jīng)過(guò)冷凝和吸附處理，解吸氣的排放也達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 控制系統(tǒng)改造

(1)吹掃控制系統(tǒng)

為降低吹掃的勞動(dòng)強(qiáng)度，在VOCs治理裝置自帶的PLC系統(tǒng)中增設(shè)吹掃程序，實(shí)現(xiàn)吹掃過(guò)程的一鍵啟動(dòng)。

吹掃程序中，預(yù)吹掃時(shí)間、熱吹掃時(shí)間、吹掃后床層溫度均可以由現(xiàn)場(chǎng)操作員手動(dòng)設(shè)定，增強(qiáng)了吹掃操作的便利性和實(shí)用性。

(2)手動(dòng)化霜程序

考慮到冷箱回收液相少的現(xiàn)狀，如在VOCs治理裝置正常運(yùn)行時(shí)增加化霜時(shí)間，那么將導(dǎo)致化霜期間進(jìn)入活性炭罐的有機(jī)物濃度升高，縮短吸附罐的連續(xù)運(yùn)行周期。而且，自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，不易觀察化霜的實(shí)際效果和狀態(tài)。

基于實(shí)際運(yùn)行要求，考慮間歇手動(dòng)化霜，因此增設(shè)了手動(dòng)化霜程序。手動(dòng)化霜程序中，化霜時(shí)間和化霜停止溫度可自主設(shè)定，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際化霜情況，進(jìn)行化霜的操作，增強(qiáng)了化霜操作的有效性。

3.4 運(yùn)行參數(shù)調(diào)整

經(jīng)過(guò)實(shí)踐的摸索，初始設(shè)定的運(yùn)行參數(shù)對(duì)于VOCs治理裝置的達(dá)標(biāo)排放是不恰當(dāng)?shù)?，具體地：

(1)冷箱溫度上限和下限溫度過(guò)高，不能充分發(fā)揮冷凝單元的效果，需進(jìn)一步降低冷箱溫度[21]；

(2)考慮到手動(dòng)化霜程序的增設(shè)，化霜主要的依靠操作員現(xiàn)場(chǎng)操作，因此，可以合理的減少自動(dòng)化霜時(shí)間，使冷箱長(zhǎng)周期處于低溫狀態(tài)；

(3)考慮到真空解吸的局限，可適當(dāng)延長(zhǎng)吸附時(shí)間。

調(diào)整后VOCs治理裝置主要運(yùn)行參數(shù)如表3。

表3 調(diào)整后 VOCs治理裝置運(yùn)行參數(shù)

4 結(jié)論

采用冷凝+吸附集成工藝進(jìn)行苯儲(chǔ)罐VOCs治理是有效的，能夠?qū)崿F(xiàn)非甲烷總烴≯100mg/m3，苯≯4mg/m3的排放指標(biāo)。

對(duì)于冷凝裝置，運(yùn)行中應(yīng)特別注意冷箱化霜的操作，以及時(shí)回收廢氣中的可凝組分，保證進(jìn)入吸附系統(tǒng)的有機(jī)物濃度不超標(biāo)。

真空解吸對(duì)于苯系物的吸附不能完全解吸附，需借助熱氮?dú)獯祾卟拍艹浞纸馕健?/p>