高效燃燒技術(shù)在VOCs廢氣治理上的應(yīng)用

于示林 王海影 張 帥

（1 中海油節(jié)能環(huán)保服務(wù)有限公司 天津 300450 2 北京勢藍科技有限公司 北京 100020）

引言

國內(nèi)的油品外輸碼頭大多數(shù)未設(shè)置油氣回收或處理裝置，在油品裝船過程中，從船舶呼吸閥處會不斷的排放油氣，油氣直接排入大氣，造成環(huán)境污染和資源浪費[1]。目前市面上的VOCs 廢氣處理工藝在高濃度廢氣處理上存在安全性和達標性的風(fēng)險，本方案采用新型的直接燃燒工藝對裝船油氣進行處理。

1 燃燒法油氣處理工藝介紹

燃燒法油氣處理工藝是將儲運過程中產(chǎn)生的含烴氣體采用直接燃燒、蓄熱氧化燃燒或催化氧化燃燒等方法，絕大部分有機氣體分解成二氧化碳和水排入大氣中，減少環(huán)境污染[2]。因當(dāng)前環(huán)保法規(guī)對VOCs 廢氣排放管控力度越來越大，排放指標也越來越嚴格，傳統(tǒng)的冷凝吸附、膜分離等工藝難以實現(xiàn)達標排放，等離子等工藝又存在安全性隱患，燃燒法是目前使用的較為廣泛且達標性相對較穩(wěn)定的一種控制油氣排放的處理措施，但無論是直接燃燒（TO）、蓄熱氧化燃燒（RTO）還是催化氧化燃燒（RCO）工藝，油氣中可燃物的含量都有較為嚴格的限制，一般需嚴格控制進入焚燒裝置的廢氣濃度不高于5g/m3，在應(yīng)用上受到不同環(huán)境或場地等條件限制，造成設(shè)備無法正常運行或達標穩(wěn)定性無法保證，同時，以上幾種燃燒技術(shù)氣體中可燃物質(zhì)的去除率僅為95%～98%，對于排放要求嚴格的地區(qū)，采用單一燃燒手段無法達到排放要求[2]。

與以上燃燒處理方法不同的是一種新型高效燃燒技術(shù)，采用的是表面燃燒的處理工藝，對可燃物處理效率可達到99.9%以上，可燃物濃度適應(yīng)性強，用于油氣處理時，既可以采用（冷凝工藝VDC、吸收工藝VAU）+高效燃燒HCS 處理工藝，也可單獨使用高效燃燒HCS 處理工藝。高效燃燒裝置占地面積小、處理效率高，火焰溫度高于1000℃，燃燒后產(chǎn)生二次污染較少，一氧化碳和氮氧化物排放少，能耗少，尤其是在有機廢氣濃度較高時，不需要外部提供燃燒，極大的減少資源浪費。

2 高效燃燒油氣處理工藝機理介紹

高效燃燒油氣處理工藝裝置主要包括金屬纖維燃燒器、燃燒器支撐結(jié)構(gòu)、可移動式排氣段、固定排氣段支撐結(jié)構(gòu)、固定排氣段。其中，可移動排氣段包裹在金屬纖維燃燒器外側(cè)，并固定到燃燒器支撐結(jié)構(gòu)上；所述的固定排氣段安裝在可移動排氣段外側(cè)，并固定到固定排氣段支撐結(jié)構(gòu)上；固定排氣段與可移動排氣段無直接連接。通過上述結(jié)構(gòu)，可以極大的節(jié)省現(xiàn)場用地，極大的降低對場地的使用限制要求。空氣、助燃氣、廢氣在特殊設(shè)計的預(yù)混室內(nèi)進行充分混合，特殊設(shè)計的預(yù)混器能夠提高設(shè)備的運行性能，提高燃燒效率。

圖1 高效燃燒裝置結(jié)構(gòu)示意圖

來自現(xiàn)場的空氣通過風(fēng)機輸送進入燃燒系統(tǒng)預(yù)混室，與管道輸送來的助燃氣和有機廢氣進行充分混合，高能點火系統(tǒng)隨時待機，保證系統(tǒng)來廢氣時可快速開機運行。廢氣在預(yù)混室內(nèi)混合后進入高效燃燒器進行燃燒，燃燒器為合金纖維構(gòu)成的多孔燃燒器，每一個微孔都相當(dāng)于一個氣體混合的微分燃燒器，可有效實現(xiàn)氣體的充分混合，提高燃燒效率。

圖2 多孔燃燒器示意圖

來自船舶的船艙有機氣體通過油氣輸送風(fēng)機輸送進入高效燃燒裝置（HCS），HCS 配套補充天然氣，天然氣用量隨油氣濃度的變化可調(diào)，當(dāng)VOCs 廢氣濃度高時，不消耗天然氣，當(dāng)VOCs 濃度低時，需提高天然氣消耗量用于支撐HCS 燃燒。有機廢氣進入高效燃燒裝置前，助燃氣模塊、助燃補風(fēng)模塊首先進入運行狀態(tài)，助燃氣和助燃空氣經(jīng)過氣體混合器充分混合后的混合氣經(jīng)點火模塊點火；儀表監(jiān)控點火正常后，有機廢氣通過廢氣輸送模塊輸送至廢氣高效處理系統(tǒng)，在燃燒器進行燃燒，燃燒后的氣體實現(xiàn)達標排放。在廢氣高效處理系統(tǒng)運行過程中，控制系統(tǒng)通過監(jiān)控不同模塊的溫度、壓力、流量等參數(shù)，并通過控制閥組的動作實現(xiàn)系統(tǒng)燃燒狀態(tài)的自動調(diào)節(jié)。

3 高效燃燒工藝應(yīng)用實例

以國內(nèi)某原油裝船碼頭為例，原油裝船量為30000m3/船，裝船時間為12h。外輸開始后半小時：700-1000m3/小時，輸結(jié)束前半小時：1200-1300m3/小時，外輸中間：2700-2900m3/小時。在之前的外輸過程中，船艙尾氣由船舶上的泄壓閥直接排入大氣中。卸船時，用鍋爐尾氣對船艙進行惰化。經(jīng)檢測，船艙氣油氣濃度如表1 所示。

表1 船艙油氣濃度檢測結(jié)果（體積濃度）

根據(jù)JTS196-12-2017 《碼頭油氣回收設(shè)施建設(shè)技術(shù)規(guī)范》4.3.5.2“裝置處理能力宜按液體貨物裝船體積流量的1.25 倍確定”[4]。

從船上來的油氣：

由于船艙氧含量＜8%，而根據(jù)《碼頭油氣回收設(shè)施建設(shè)技術(shù)規(guī)范》JTS 196-12-2017，船岸安全裝置管道內(nèi)含氧量體積比高于6%時報警，并同時開啟閥門補入惰性氣體。當(dāng)含氧量體積比超過8%時，緊急切斷閥將自動進行關(guān)閉，拒絕船艙尾氣上岸，同時緊急泄放閥開啟，實現(xiàn)尾氣緊急排放[5]，確保系統(tǒng)安全。

待處理VOCs 氣體中氧含量為6.8%。

將含氧6.8%的3625m3/h 的氣體，補入99%的氮氣，將其稀釋為氧含量6%。

補入的氮氣量計算如下：

油氣治理裝置處理量為3625m3/h+483.3m3/h=4108.3m3/h。取4110 m3/h。設(shè)計處理規(guī)模為4110m3/h。

船艙氣經(jīng)過輸氣臂、船岸安裝裝置、油氣輸送風(fēng)機進入高效燃燒裝置，現(xiàn)場設(shè)置兩套高效燃燒處理裝置，高效燃燒裝置（HCS）配套補充燃料氣通過減壓后進入高效燃燒裝置，兩路氣體均設(shè)置自動切斷閥和壓力調(diào)節(jié)閥；助燃空氣通過設(shè)置在底部的風(fēng)機進入燃燒器，氣體在燃燒器內(nèi)充分混合并燃燒，燃燒后的尾氣達標排放，工藝流程圖如圖3 所示。

圖3 原油碼頭船艙氣高效燃燒處理工藝流程圖

VOCs 治理設(shè)備采取了多重防回火措施：在船岸安全裝置配置阻爆器、風(fēng)機模塊配置阻火器、高效燃燒裝置入口配置阻爆器，均采用防爆轟型阻火器，可有效保證系統(tǒng)安全。當(dāng)油氣濃度較高時，高效燃燒裝置不需要消耗天然氣，有機廢氣進入高效處理系統(tǒng)前，助燃氣模塊、助燃補風(fēng)模塊首先進入運行狀態(tài)，助燃氣和助燃空氣經(jīng)過氣體混合器充分混合后的混合氣經(jīng)點火模塊點火；儀表監(jiān)控點火正常后，有機廢氣通過廢氣輸送模塊輸送至廢氣高效處理系統(tǒng)，在燃燒器進行燃燒，燃燒后的氣體實現(xiàn)達標排放。在廢氣高效處理系統(tǒng)運行過程中，控制系統(tǒng)通過監(jiān)控不同模塊的溫度、壓力、流量等參數(shù)，并通過控制閥組的動作實現(xiàn)系統(tǒng)燃燒狀態(tài)的自動調(diào)節(jié)。當(dāng)燃燒溫度過高或過低，均會連鎖空氣風(fēng)機提高或降低風(fēng)量。當(dāng)溫度高過設(shè)定值，將會整體系統(tǒng)停機，同時空氣風(fēng)機開到滿負荷，吹掃設(shè)備，降低溫度。

船艙有機廢氣進入高效燃燒裝置后，在出口采樣口處取樣監(jiān)測，連續(xù)對三艘外輸船舶裝船過程VOCs處理裝置排放口取樣，分別測定前期、中期、后期的非甲烷總烴濃度，經(jīng)化驗分析，結(jié)果如表2 所示。

表2 高效燃燒裝置排放口濃度檢測結(jié)果

從排放口的檢測結(jié)果可以看出，高效燃燒處理設(shè)備處理效果較好，遠低于目前環(huán)保要求的120mg/m3的排放限值要求，實現(xiàn)了VOCs 的超低排放，且達標穩(wěn)定性較高，對于油品外輸過程產(chǎn)生的高濃度有機廢氣的處理效果非常理想。同時，油氣外輸過程中廢氣的流量及濃度等都是不穩(wěn)定的，高效燃燒處理設(shè)備運行穩(wěn)定，未出現(xiàn)熄火或爆燃等現(xiàn)象，燃燒溫度穩(wěn)定，驗證了高效燃燒處理工藝在VOCs 治理領(lǐng)域具備良好的適應(yīng)性。

4 高效燃燒處理設(shè)備存在的問題

上面的工程案例充分驗證了高效燃燒處理工藝在VOCs 治理領(lǐng)域的穩(wěn)定性和高效性，但由于高效燃燒工藝燃燒溫度可達1000～1300℃，煙氣溫度在1000℃左右，目前的在線監(jiān)測設(shè)備尚不具備安裝條件，這是未來需要進一步考慮和研究的地方。

結(jié)語

介紹了新型高效燃燒處理工藝的工作機理，并以國內(nèi)某原油外輸碼頭為例進行了效果論證，通過分析論證，驗證了此工藝在高濃度VOCs 廢氣處理上的運行穩(wěn)定性和達標性，同時也分析了高效燃燒處理工藝目前存在的問題。新型高效燃燒處理工藝突破了RTO/TO、RCO/CO 工藝的局限性，可在油氣裝車、裝船過程尾氣、儲罐呼吸氣等高濃度VOCs 廢氣場合有很好的適應(yīng)性，在當(dāng)前的環(huán)保政策管控力度下，可以有效的實現(xiàn)達標排放，減少大氣污染。