苯罐區(qū)VOCs治理裝置的運行及改造

閆宗磊,魏理統(tǒng),劉祖虎,蔣劍云

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

中國石油華北石化公司老罐區(qū)苯罐為3臺1000m3的內(nèi)浮頂罐[1]，雖然設(shè)置了氮封系統(tǒng)，但仍存在靜止儲存損耗、發(fā)油損耗和收油損耗[2]，產(chǎn)生VOCs無組織排放[3]。苯是致癌物，其無組織排放對生態(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)性有機物排放控制標準》(DB13/2322-2016)，規(guī)定：產(chǎn)生揮發(fā)性有機物的主要生產(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，對周邊環(huán)境提出了更高的要求。為響應(yīng)國家建設(shè)雄安新區(qū)政策，貫徹地方減排標準，打造優(yōu)美自然生態(tài)環(huán)境，華北石化油品運行部于2017年7月為老罐區(qū)苯罐設(shè)置了VOCs治理裝置，經(jīng)過近一年的運行，顯著減少了VOCs排放，但在運行中也出現(xiàn)了部分問題?，F(xiàn)將該VOCs治理裝置的運行情況、存在的問題和改造情況進行分析，以期對類似裝置的運行提供指導(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、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VOCs進行預(yù)處理，將大部分的可凝組分冷凝回收，降低進入吸附系統(tǒng)的VOCs濃度。未凝氣去吸附罐進行吸附處理，達標后排放，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)是冷凝實現(xiàn)VOCs可凝組分回收，吸附實現(xiàn)VOCs達標排放[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；5-冷箱；6-制冷機組；7-吸附罐進口閥A；8-吸附罐進口閥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-吹掃氣進口閥A；22-吹掃氣進口閥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

來自儲罐的VOCs氣體由管道進入VOCs治理系統(tǒng)，VOCs入口管道設(shè)置有壓力傳感器和流量計，當壓力高于設(shè)定值時，變頻防爆風(fēng)機啟動，VOCs氣體進入冷凝單元的冷箱，與來自制冷機組的冷媒進行換熱，大部分VOCs組分冷凝、液化、析出，低溫VOCs再去回熱交換器與冷凝單元入口VOCs進行回熱交換，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)壓縮機排出的過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，進入到吸附單元，吸附系統(tǒng)由兩臺交替進行吸附-脫附的吸附罐組成[8]，VOCs中的大部分有機組分被吸附罐內(nèi)的活性炭吸附，達標后的氣體經(jīng)排放管放空。當吸附罐吸附飽和后，對吸附罐進行抽真空脫附[9]，真空泵出口排放氣循環(huán)至冷凝單元冷箱進行冷凝處理。冷箱冷凝下來的液態(tài)烴進入儲罐，經(jīng)輸油泵，泵送至回收儲罐。

2 運行情況和存在的問題

2.1 運行參數(shù)

VOCs治理裝置主要運行參數(shù)如表2。

表2 VOCs治理裝置運行參數(shù)

表2(續(xù))

2.2 存在的問題2.2.1 冷箱回收的液量少

裝置運行兩個月，與冷箱連接的儲罐液位僅30%，約25L，回收的液量明顯偏少，分析原因：

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

(2)實際運行的氣量較低，遠達不到100Nm3/h的設(shè)計處理量，正常運行時，VOCs治理裝置氣體流量在20～50m3之間；

(3)化霜時間不夠長，停止化霜溫度不夠高，經(jīng)手動化霜，大量液體自冷箱流出，實際運行中有機物在進入冷箱后直接凝華[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)點在于其真空度高[12]，可達到3Pa的極限真空[13]，但同時對進氣的顆粒物和含液量要求高[14]，運行期間，數(shù)次因活性炭粉末和苯蒸汽冷凝積液停機。

3 排放指標不合格

裝置運行初期兩個月，每周取樣檢測，排放指標正常，非甲烷總烴維持在80mg/m3以下，苯維持在2mg/m3以下。

運行兩個月后，非甲烷總烴排放超過10000mg/m3，活性炭飽和[15]。分析原因，一方面，由于冷箱內(nèi)結(jié)霜嚴重，提高了進入吸附罐的有機物濃度；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際情況，將干式螺桿真空泵更換為更可靠的無油干式渦旋真空泵，其對進氣顆粒物和液滴的接受性更強[17]，適于長周期穩(wěn)定運行。

真空泵入口增設(shè)5μm過濾器，保證最少的雜質(zhì)進入真空泵腔體[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)境溫度較低時冷凝，保證真空泵正常運轉(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)活性炭罐熱氮氣吹掃系統(tǒng)[20]。

具體地，在現(xiàn)有吸附罐氮氣吹掃管線增設(shè)氮氣電加熱器，用于對氮氣進行加熱；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，用于對吹掃后的熱氮氣尾氣進行降溫和再處理。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；5-冷箱；6-制冷機組；7-吸附罐進口閥A；8-吸附罐進口閥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-吹掃氣進口閥A；22-吹掃氣進口閥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

活性炭吹掃間歇運行，現(xiàn)以A罐的吹掃為例，對流程進行說明。

依次打開吸附罐A真空閥、吸附罐B進氣閥、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，對吸附罐A進行氮氣預(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，開始對氮氣進行加熱，熱氮氣對活性炭床層進行吹掃，氮氣吹掃時間控制在120min左右，熱吹掃結(jié)束后，關(guān)閉電加熱器，用冷氮氣吹掃，將床層溫度降低至30℃以下。

吹掃過程中，熱氮氣的路徑依次為：氮氣管道-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。

冷氮氣吹掃結(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，正常運行時，非甲烷總烴排放維持在100mg/m3以下，苯排放維持在4mg/m3以下，達到了排放要求。

采用該種方式吹掃，可以最大程度的對活性炭床層進行深度解吸附，且解吸氣再次經(jīng)過冷凝和吸附處理，解吸氣的排放也達到排放標準要求。

3.3 控制系統(tǒng)改造

(1)吹掃控制系統(tǒng)

為降低吹掃的勞動強度，在VOCs治理裝置自帶的PLC系統(tǒng)中增設(shè)吹掃程序，實現(xiàn)吹掃過程的一鍵啟動。

吹掃程序中，預(yù)吹掃時間、熱吹掃時間、吹掃后床層溫度均可以由現(xiàn)場操作員手動設(shè)定，增強了吹掃操作的便利性和實用性。

(2)手動化霜程序

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

基于實際運行要求，考慮間歇手動化霜，因此增設(shè)了手動化霜程序。手動化霜程序中，化霜時間和化霜停止溫度可自主設(shè)定，根據(jù)現(xiàn)場的實際化霜情況，進行化霜的操作，增強了化霜操作的有效性。

3.4 運行參數(shù)調(diào)整

經(jīng)過實踐的摸索，初始設(shè)定的運行參數(shù)對于VOCs治理裝置的達標排放是不恰當?shù)?，具體地：

(1)冷箱溫度上限和下限溫度過高，不能充分發(fā)揮冷凝單元的效果，需進一步降低冷箱溫度[21]；

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

(3)考慮到真空解吸的局限，可適當延長吸附時間。

調(diào)整后VOCs治理裝置主要運行參數(shù)如表3。

表3 調(diào)整后 VOCs治理裝置運行參數(shù)

4 結(jié)論

采用冷凝+吸附集成工藝進行苯儲罐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。

對于冷凝裝置，運行中應(yīng)特別注意冷箱化霜的操作，以及時回收廢氣中的可凝組分，保證進入吸附系統(tǒng)的有機物濃度不超標。

真空解吸對于苯系物的吸附不能完全解吸附，需借助熱氮氣吹掃才能充分解吸附。