低溫甲醇洗CO2尾氣治理工藝探討

李棟平

（山西亞樂士環(huán)保技術(shù)股份有限公司，山西 太原030000）

煤制氣中粗煤氣凈化工藝多采用低溫甲醇洗技術(shù)，其凈化原理是利用物理吸收的方法脫除粗煤氣里所含的有害雜質(zhì)（H2S、COS、CO2等）[1]，為后序工段提供合格的原料氣。

低溫甲醇洗工藝中尾氣洗滌塔塔頂會連續(xù)泄放一股CO2尾氣，該股尾氣含有VOCs，其中非甲烷總烴、甲醇等物質(zhì)均超出國家最新規(guī)范要求[2-4]。而目前針對CO2尾氣的主流治理工藝主要分為蓄熱式熱氧化工藝（Regenerative Thermal Oxidation，簡稱RTO）和直燃式熱氧化工藝（Direct Thermal Oxidation，簡稱TO）。現(xiàn)針對內(nèi)蒙古某煤制氣項目的低溫甲醇洗CO2尾氣，以實測數(shù)據(jù)為依據(jù)，從低位熱利用以及運行成本等方面對RTO與TO兩種VOCs治理工藝進行了分析，并給出了治理工藝選擇建議。

1 低溫甲醇洗CO2尾氣治理工藝比對

RTO工藝和TO工藝在安全性、環(huán)保性、穩(wěn)定可靠性等方面的對比見表1。

根據(jù)各煤制氣項目低溫甲醇洗CO2尾氣參數(shù)特點，結(jié)合表1所列兩種工藝的優(yōu)缺點和山西亞樂士公司多個煤化工廢氣治理項目的實際經(jīng)驗，從尾氣熱值出發(fā)，筆者將其治理工藝選擇規(guī)律總結(jié)如下：當(dāng)尾氣熱值小于0.2 MJ/m3時，建議采用RTO工藝，此時由于不同廢氣所需的配風(fēng)量不同，往往在是否需要消耗燃料氣方面存在差別。當(dāng)其熱值在0.2 MJ/m3～0.6 MJ/m3時，若采用RTO工藝，則不消耗燃料氣，此時可通過在入口管路上摻入稀釋空氣或者通過從燃燒室移走少量的熱量，來實現(xiàn)RTO裝置的穩(wěn)定運行；若采用TO工藝，設(shè)置雙預(yù)熱（即將稀釋空氣、廢氣均預(yù)熱）的同時，仍需消耗大量燃料氣。當(dāng)其熱值在0.6 MJ/m3～1.6 MJ/m3時，若采用RTO工藝，亦不消耗燃料氣，但是需要從燃燒室取走熱量，此時對廢熱鍋爐與蓄熱室之間的壓力、流量等匹配以及如何實現(xiàn)自動化的要求非常高；若采用TO工藝，在設(shè)置雙預(yù)熱后，僅需消耗少量的燃料氣。當(dāng)其熱值在1.6 MJ/m3～3.5 MJ/m3時，建議采用TO工藝，利用單預(yù)熱或者雙預(yù)熱，實現(xiàn)不耗燃料氣并副產(chǎn)蒸汽。當(dāng)熱值超過3.5 MJ/m3時，采用TO工藝，可不設(shè)置預(yù)熱器，實現(xiàn)燃料氣的“零消耗”。

2 低溫甲醇洗CO2尾氣治理基礎(chǔ)條件

內(nèi)蒙古某煤制氣項目的低溫甲醇洗CO2尾氣總量為2×114 081 m3/h，溫度為5℃～10℃，壓力約為10 kPa，具體組成見表2。

該項目要求副產(chǎn)4.8 MPa、430℃的過熱蒸汽，同時能提供的鍋爐給水壓力5 MPa～6 MPa、溫度150℃。

現(xiàn)行各特征物的排放標準[7-10]分別為：非甲烷總烴質(zhì)量濃度≤120 mg/m3且去除率≥95%、氮氧化物（NOx）質(zhì)量濃度≤50 mg/m3、二氧化硫質(zhì)量濃度≤50 mg/m3、甲醇質(zhì)量濃度≤12 mg/m3、CO質(zhì)量濃度≤80 mg/m3、顆粒物質(zhì)量濃度≤20 mg/m3、煙氣黑度≤林格曼黑度1級（其中CO換算為基準含氧體積分數(shù)為11%的大氣污染物基準排放質(zhì)量濃度、其余污染物換算為基準含氧體積分數(shù)為3%的大氣污染物基準排放質(zhì)量濃度）。

表1 兩種低溫甲醇洗CO2尾氣治理工藝比對

表2 低溫甲醇洗CO2尾氣組成

該項目主要公用工程的單價見表3。

表3 公用工程的單價

3 低溫甲醇洗CO2尾氣治理工藝分析

從表2可以看出，該項目的非甲烷總烴質(zhì)量濃度為13 955.36 mg/m3，不滿足環(huán)保要求，需要對其進行治理。經(jīng)計算，該股氣的熱值為1.65 MJ/m3，理論上采用RTO或者TO工藝均合適。

3.1 蓄熱式熱氧化工藝（RTO）分析

該項目的低溫甲醇洗CO2尾氣中VOCs占比為4%，經(jīng)計算，VOCs在空氣中的爆炸下限為4.21%，VOCs在惰性氛圍（N2、CO2）中的爆炸下限理論計算值為102.85%，該數(shù)值無意義（＞100%），表明該股低溫甲醇洗CO2尾氣不可燃、不可爆。

采用RTO工藝時，為滿足VOCs的去除率要求，經(jīng)計算需要補充稀釋空氣量230 000 m3/h，以確保出口煙氣含氧體積分數(shù)≥6%。設(shè)置2套5室RTO裝置，在950℃±50℃的高溫環(huán)境下，將VOCs氧化為無害化的CO2和H2O。5室RTO裝置中每個蓄熱室室內(nèi)填充耐高溫蜂窩狀陶瓷蓄熱材料，通過5個蓄熱室輪流進行2進2出1反吹的工序，改變氣體循環(huán)的方向，利用陶瓷蓄熱體較高的熱回收效率，將高溫?zé)煔獾臒崃俊百A存”起來，用于預(yù)熱新進入的有機廢氣，從而節(jié)省升溫所需要的燃料消耗，降低運行成本。

采用RTO工藝后，出口煙氣中SO2排放質(zhì)量濃度（經(jīng)基準氧含量折算后）為17.33 mg/m3，滿足環(huán)保要求（煙氣酸露點為87.5℃）。具體工藝路線為：2×5室RTO+廢熱鍋爐+煙囪，其中RTO蓄熱室出口煙氣溫度控制在120℃、廢熱鍋爐出口煙氣溫度控制在190℃，混合后進煙囪前煙氣溫度為150℃；廢熱鍋爐產(chǎn)能為95.13 t/h。按照年運行時間8 000 h計算，RTO工藝的運行成本見表4。由表4可知，RTO工藝總運行成本為-4 864.39萬元/a。

表4 RTO工藝的運行成本

3.2 直燃式熱氧化工藝（TO）分析

采用TO工藝時，含爆炸風(fēng)險的VOCs氣體與空氣不提前在管路中預(yù)混，不存在爆炸危險。

采用TO工藝時，為滿足VOCs的去除率要求，經(jīng)計算需要補充稀釋空氣162 000 m3/h，以確保出口煙氣含氧體積分數(shù)≥3.5%。設(shè)置1套TO裝置，在950℃±50℃的高溫條件下，將VOCs氧化為無害化的CO2和H2O。

該項目采用將稀釋空氣、廢氣雙預(yù)熱的方式，將煙氣的熱量最大化的回收利用，從而有效減少燃料氣的耗量，降低運行成本，同時利用廢熱鍋爐進行余熱回收，創(chuàng)造經(jīng)濟效益。

采用TO工藝后，出口煙氣中SO2排放質(zhì)量濃度（經(jīng)基準氧含量折算后）為17.31 mg/m3，滿足環(huán)保要求（煙氣酸露點為90.68℃）。

本著低位熱利用最優(yōu)的原則，具體工藝路線為：TO+稀釋空氣預(yù)加熱器+廢氣預(yù)加熱器1+廢熱鍋爐+廢氣預(yù)加熱器2+煙囪。將廢氣預(yù)加熱器分為兩級，其中一級設(shè)置在進煙囪前，能有效將排煙溫度降低至120℃；廢熱鍋爐產(chǎn)能為106.71 t/h。按照年運行時間8 000 h計算，TO工藝的運行成本見表5。由表5可知，TO工藝總運行成本為-5 604.04萬元/a。

表5 TO工藝的運行成本

4 結(jié)論與建議

對蓄熱式熱氧化工藝（RTO）與直燃式熱氧化工藝（TO）進行了綜合比較，針對內(nèi)蒙古煤制氣項目的低溫甲醇洗CO2尾氣治理項目，兩種工藝均能滿足環(huán)保要求，并且通過合理的設(shè)備配置，均可以實現(xiàn)不消耗燃料氣。

采用RTO工藝時，該VOCs治理設(shè)備的年運行費用為-4 864.39萬元；采用TO工藝時，該VOCs治理設(shè)備的年運行費用為-5 604.04萬元。

鑒于現(xiàn)階段RTO工藝在技術(shù)上仍存在換向閥泄漏、動作頻繁、設(shè)備運行不穩(wěn)定等缺點，且與TO工藝相比，其摻入的稀釋空氣量大，故建議該VOCs治理項目采用TO工藝。但是如果能提高換向閥的使用壽命、解決密封性等問題，RTO工藝仍將是低溫甲醇洗CO2尾氣治理的重要選擇。