三室RTO在精細(xì)化工廢氣治理中的應(yīng)用

畢道文(夏禾科技(江蘇)有限公司，江蘇 泰州 225400)

0 引言

隨著我國精細(xì)化工行業(yè)不斷發(fā)展，VOCS污染環(huán)境問題日益突出。VOCS在收集和處理過程中，可能會向周圍環(huán)境逸散大量有異味有毒害的氣體，不僅污染環(huán)境，還能危害周圍人群健康[1-2]。如何治理好精細(xì)化工工業(yè)廢氣，是目前行業(yè)與環(huán)保監(jiān)管部門最為關(guān)注的問題。

一般治理VOCS的方法包括：冷凝法、吸收法、吸附法、低溫等離子法、催化氧化法等，這些VOCS治理工藝確實在一定程度上緩解了企業(yè)的環(huán)保壓力。但面對當(dāng)前精細(xì)化工頻繁多變的生產(chǎn)工況，VOCS成分復(fù)雜且濃度波動較大，常規(guī)處理工藝不僅無法滿足廢氣達標(biāo)排放要求，還會造成環(huán)境二次污染。三室RTO由于凈化效率高(高達99%以上)，適應(yīng)廢氣中有機物組成和濃度的變化波動，目前在精細(xì)化工行業(yè)被廣泛應(yīng)用。

1 項目概況

以江蘇某精細(xì)化工企業(yè)為例：該企業(yè)生產(chǎn)廢氣主要由車間反應(yīng)釜、離心機、真空泵、干燥機及儲罐等設(shè)施環(huán)節(jié)產(chǎn)生，主要廢氣組分包含：甲苯、二甲苯、DMF、叔丁醇、乙酸甲酯、甲醇、乙醇、叔戊醇、四氫呋喃、丙酮、二氯甲烷、二氯乙烷、乙腈、環(huán)己烷、吡啶、正丁醇、甲基環(huán)己烷、甲基叔丁基醚、1,4-二氧六環(huán)、異丙醇、氯苯、二氯苯、氯化氫、H2S、氨等成分。

進入三室RTO治理廢氣分別來源于：1#、2#車間普通工藝廢氣、罐區(qū)普通尾氣、污水站收集廢氣以及工藝含鹵廢氣。由于精細(xì)化工廢氣成分復(fù)雜、濃度較高、波動性大的特點，目前企業(yè)已對以上幾股廢氣分別進行了收集和預(yù)處理，預(yù)處理主要除去廢氣中HCl、氨、H2S以及水溶性有機廢氣；另外車間產(chǎn)生的工藝含鹵廢氣單獨收集后，采用“冷凝+洗滌+樹脂吸脫附”預(yù)處理工藝，將工藝含鹵廢氣濃度降低至500 mg/m3以下，最后與其他廢氣混合進入三室RTO焚燒處理。

2 設(shè)計工藝

根據(jù)企業(yè)提供的設(shè)計風(fēng)量為20 000 Nm3/h，進入RTO廢氣濃度，大部分時間一般測定VOCs的濃度為1 500～3 000 mg/m3范圍內(nèi)，有時候進氣濃度甚至接近4 000 mg/m3左右。

根據(jù)國家或地方廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)要求，本企業(yè)VOCS排放濃度滿足≤化學(xué)工業(yè)揮發(fā)性有機物排放標(biāo)準(zhǔn)≥DB 32/3151—2016 表1揮發(fā)性有機物及臭氣濃度排放限值，二噁英排放濃度滿足≤大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)≥DB 32/4041—2021 表1大氣污染物有組織排放限值。

根據(jù)以上廢氣特點及地方環(huán)保要求，設(shè)計如下廢氣處理工藝流程，如圖1所示。

圖1 廢氣處理工藝流程

各股廢氣經(jīng)過前端收集和預(yù)處理后，通過引風(fēng)機輸送至RTO處理系統(tǒng)，廢氣經(jīng)過入口洗滌塔去除廢氣成分的無機酸及水溶性的物質(zhì)，經(jīng)過除霧器去除廢氣中絕大部分水汽，再進入預(yù)熱器對廢氣預(yù)熱，降低管道冷凝情況的發(fā)生，后經(jīng)系統(tǒng)風(fēng)機送入RTO對有機廢氣進行氧化分解處理，經(jīng)過RTO處理達標(biāo)的煙氣通過后置冷卻塔降溫后進入出口洗滌塔對氧化后煙氣中的酸性物質(zhì)中和吸收，經(jīng)后置風(fēng)機輸送至排氣筒，從而達標(biāo)排放。

三室RTO是將有機廢氣加熱升溫至820～900 ℃之間，將廢氣中的有機物通過高溫焚燒分解成CO2、H2O并釋放出熱量的過程。高溫氧化釋放出的熱量被RTO蓄熱體“貯存”起來。其運行時序如圖2所示。

圖2 運行時序

3 工藝設(shè)計特點

預(yù)處理的加強：本企業(yè)各股廢氣在匯入RTO之前，針對廢氣性質(zhì)，分別采用了洗滌處理，降低酸性廢氣濃度；廢氣混合后，進一步通過RTO入口洗滌塔除去酸性氣體，大大減少了對RTO的腐蝕，同時也提高了RTO運行壽命。

特別設(shè)計的間接預(yù)熱器：預(yù)熱能降低腐蝕，降低堵塞，增加系統(tǒng)安全性(防止有機積液產(chǎn)生)，但如何防止預(yù)熱器腐蝕，如何防止800 ℃以上的兩側(cè)溫差導(dǎo)致變形撕裂是其穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)。但混合預(yù)熱會導(dǎo)致煙氣中的Cl和廢氣中的胺類物質(zhì)生產(chǎn)鹽類物質(zhì)堵塞陶瓷，導(dǎo)致系統(tǒng)運行異常甚至無法運行。因此本企業(yè)采用間接預(yù)熱設(shè)計方式，避免了煙氣和廢氣直接接觸，故不會有鹽類物質(zhì)生成。

一鍵反烤設(shè)計：由于廢氣中可能會形成鹽類等堵塞陶瓷的物質(zhì)，附著在陶瓷上容易堵塞下層陶瓷，難以清理。RTO設(shè)計了一鍵反烤模式，即將陶瓷底部的溫度升高到 300 ℃左右，以使粘性物質(zhì)氣化或燃燒掉。當(dāng)?shù)撞刻沾杀畸}類物質(zhì)堵塞時，能方便地通過一鍵反烤實現(xiàn)清理，一鍵反烤能避免使用水洗的方式清理陶瓷，水洗對陶瓷壽命、保溫棉壽命都有影響，且需要烘爐產(chǎn)生大量天然氣消耗和時間消耗。常見的陶瓷底部堵塞物質(zhì)如氯化銨、硫化銨、焦油等，如：氯化銨加熱至 100 ℃以上開始顯著揮發(fā)，加熱至 300 ℃時分解。如部分焦油在 300 ℃內(nèi)能燃燒掉。對于鹽類的堵塞問題，首先應(yīng)盡量避免生成，比如鹽類物質(zhì)是廢氣總管過來的，可以增加水洗措施；若是在 RTO入口形成的，間接預(yù)熱相比混合預(yù)熱能大大降低鹽類生成。

二噁英控制措施：實際運行中，由于RTO除去率≥98%，故在RTO處理中是不可能完全避免不產(chǎn)生二噁英的，因為RTO的蓄熱陶瓷中總會有低溫環(huán)境，但在溫度高于850 ℃且燃燒時間大于1 s時，二噁英就會被完全氧化分解，本企業(yè)的爐膛設(shè)計燃燒溫度是850 ℃且停留時間在2 s，是完全可以控制二噁英在爐膛產(chǎn)生。本企業(yè)工藝含鹵廢氣雖然包含二氯甲烷、二氯乙烷、氯苯、二氯苯幾種廢氣組分，但企業(yè)單獨收集并進行樹脂吸脫附預(yù)處理，含鹵廢氣降濃后滿足進入RTO治理要求，同時RTO設(shè)施采用防腐材料設(shè)計，從而減少了二噁英產(chǎn)生，并保證了RTO設(shè)施穩(wěn)定地運行。

爐膛設(shè)計溫度在820～900 ℃之間，停留時間2 s，除去率可達到 99%以上，廢氣排放濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于當(dāng)?shù)赜薪M織廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)要求；在設(shè)計上考慮了精細(xì)化工廢氣復(fù)雜性、波動性的特點，確保企業(yè)末端治理廢氣穩(wěn)定達標(biāo)排放。

4 安全設(shè)計

(1)為了保證RTO系統(tǒng)的安全運行，在RTO主風(fēng)管適當(dāng)距離位置安裝2套LEL濃度檢測儀，在當(dāng)廢氣濃度高于爆炸下限的25%，需要將高濃度廢氣切換至應(yīng)急活性炭箱，并經(jīng)后置風(fēng)機排至煙囪，由于活性炭吸附到一定程度不能繼續(xù)吸附廢氣，該措施只是臨時應(yīng)急措施，需要及時調(diào)整生產(chǎn)工況，確保RTO穩(wěn)定運行。

(2)為了RTO的安全運行，在RTO爐膛增加旁通管路，當(dāng)爐膛發(fā)生超溫現(xiàn)象時，可通過開啟旁通風(fēng)門的措施降低爐膛溫度，并將旁通風(fēng)排至出口混合箱。出口混合箱排出的煙氣經(jīng)冷卻塔后從100～180 ℃降溫至60 ℃以內(nèi)，并經(jīng)堿洗塔吸收酸性氣體后排至煙囪。

(3) RTO區(qū)域防爆設(shè)計：RTO在點火前要進行吹掃，此吹掃的電氣控制回路是硬件和軟件雙重連鎖，連鎖信號有系統(tǒng)風(fēng)機正常運行、助燃風(fēng)機正常運行、所有閥門開關(guān)位置正確、燃料管路關(guān)斷閥關(guān)位置、爐膛高溫報警等，吹掃的目的是將殘留在RTO管道和爐膛內(nèi)的有機物清理干凈，避免點火時引爆。

RTO入口系統(tǒng)風(fēng)機選擇的是防爆風(fēng)機，玻璃鋼材質(zhì)，外殼接地，內(nèi)部結(jié)構(gòu)為防爆結(jié)構(gòu)，風(fēng)機內(nèi)部機器元件摩擦不會產(chǎn)生火花。

所有風(fēng)管和設(shè)備殼體都需要接地，并且在法蘭處要做好接地跨接，RTO上電前要做好接地電阻測試，只有符合接地電阻標(biāo)準(zhǔn)，才能上電和繼續(xù)調(diào)試工作。

為防止爆炸事故，在RTO設(shè)施關(guān)鍵部位加泄爆裝置，比如在RTO爐膛頂部設(shè)計1臺泄爆門，總管、阻火器(或防火閥)前后等都需要泄爆裝置，RTO入口處有泄爆片。RTO主管每60 m距離設(shè)置爆破片，有這些防爆措施，即使發(fā)生爆炸事故，也會把事故的損失降到最低。

(4) RTO的回火很難進入車間過來的管道，首先入口的洗滌塔會起到阻火的作用，同時在RTO入口有阻火器，都起到阻隔明火作用；各股廢氣在匯入總管之前，都設(shè)置了阻火器和緊急切斷閥，大大降低了廢氣系統(tǒng)的事故風(fēng)險。

(5) RTO廢氣主管每隔30 m設(shè)置低點排凝閥，RTO內(nèi)部管道布置一樣要傾斜布置且留有排污孔，避免底部有積液產(chǎn)生。積液一般是低溫冷凝液體，通過提高RTO入口溫度和出口溫度，確保沒有積液產(chǎn)生，從而避免了RTO底部腔體有明火出現(xiàn)。RTO底部腔體處是漏斗形式，每個腔體底部有積液排放，能夠避免大量的積液產(chǎn)生，也降低了此處明火產(chǎn)生的概率。同時RTO內(nèi)部管道布置一樣要傾斜布置且留有排污孔，避免底部有積液產(chǎn)生。

(6)爐膛溫度過高保護：爐膛內(nèi)有4支熱電偶，每支熱電偶都是雙支的，如果一支出現(xiàn)問題，還有一支備用，保證爐膛內(nèi)溫度有效控制。若熱電偶本身出現(xiàn)問題，比如斷線或者檢測不準(zhǔn)確，4支熱電偶會有數(shù)值比較，若差值大于200 ℃，則不允許RTO點火和聯(lián)機運行，RTO操作人員需要人為確認(rèn)此熱電偶，維修好后方可投入使用。

(7) RTO出口高溫保護：RTO出口接洗滌塔，洗滌塔是玻璃鋼材質(zhì)，則 RTO出口溫度需要控制在100 ℃以下，為了防止廢氣濃度過高時出口溫度過高，RTO出口配置一臺冷卻塔。若出口溫度仍然超過100 ℃，則 RTO自動切斷與生產(chǎn)線之間的聯(lián)機，工藝廢氣直接進入活性炭應(yīng)急處理后排放。

(8)失電、失氣、失水設(shè)計：電控柜配備有UPS電源模塊，當(dāng)發(fā)生失電時，UPS模塊可支持控制系統(tǒng)及閥門正常工作30 min左右，以應(yīng)對突發(fā)情況。系統(tǒng)在壓縮空氣管線上設(shè)置有壓力傳感器，當(dāng)壓力不足時傳感器會進行報警，且執(zhí)行緊急停機操作，防止氣動元件因失氣造成無法正常工作。對于關(guān)鍵設(shè)備，例如冷卻塔，除普通工藝水外，還會接入消防水。當(dāng)發(fā)生失水時，可通過消防水進行緊急補水，防止溫度異常升高。

5 RTO防腐設(shè)計

由于廢氣中含有腐蝕性氣體和含氯化合物等燃燒后會產(chǎn)生腐蝕性氣體，所以在不同位置要采用不同的防腐材料。排放點至RTO區(qū)域的廢氣輸送管道采用防靜電玻璃鋼材質(zhì)。

為了減小RTO進出口風(fēng)管、提升閥、陶瓷支撐架和蓄熱體底腔體等部位的腐蝕，將入口廢氣溫度提高后再進入RTO，以保持這些位置處于一個比較干燥的環(huán)境，不結(jié)露，減小積液產(chǎn)生和HCl對金屬的腐蝕。

RTO區(qū)域爐體入口前的管道采用不銹鋼316L材質(zhì)(指預(yù)熱后)，預(yù)熱前采用防靜電玻璃鋼材質(zhì)，新風(fēng)風(fēng)門采用玻璃鋼材質(zhì)；RTO入口聯(lián)機/直排風(fēng)門采用三通提升閥結(jié)構(gòu)，保證泄漏率小，殼體采用碳鋼襯防腐材料，關(guān)鍵部位采用雙相鋼2507材質(zhì)。

RTO出口至冷卻塔間的管道采用雙相鋼2507材質(zhì)并做外保溫，冷卻塔至煙囪間的管道采用玻璃鋼材質(zhì)。

陶瓷床支撐架采用雙相不銹鋼2507材質(zhì)鋼絲網(wǎng)和型材，此支撐架非常重要，如果被腐蝕嚴(yán)重而無法支撐陶瓷磚，導(dǎo)致陶瓷磚坍塌，會釀成大事故。

RTO進出口切換閥采用雙相不銹鋼2507材質(zhì)；蓄熱床底腔體采用雙相不銹鋼2507材質(zhì)；冷卻塔采用碳鋼內(nèi)襯耐火材質(zhì)。

由于化工廠內(nèi)的環(huán)境較差，很多壓差開關(guān)是非常關(guān)鍵的安全部件，壓差開關(guān)的采樣管會采用不銹鋼316L材質(zhì)，避免采樣管被腐蝕而導(dǎo)致壓差報警。

6 運行能耗計算

本企業(yè)廢氣風(fēng)量：20 000 Nm3/h，年運行時間7 200 h：

年運行電費：150 kW×0.7 元/kW·h×7 200 h/年=756 000元/年。

年燃?xì)赓M：系統(tǒng)正常運行后，日平均最大天然氣使用量約為250 m3，按3.4 元/m3的天然氣價格計算，年運行燃?xì)赓M：250 m3/d×3.4 元/m3×300 d/年=255 000元/年。

液堿消耗約120 kg/d，按1 000元/t的液堿價格計算，年運行藥劑費：0.12 t/d×1 000元/t×300 d/年=36 000 元/年 。

水費：2 m3/d×3 元/m3×300 d/年=1 800元/年。

RTO年最大運行費用：1 048 800元/年。

7 結(jié)語

精細(xì)化工廢氣因排放濃度高，種類復(fù)雜，濃度波動大，需要根據(jù)廢氣實際排放特點，采用“分類收集、分質(zhì)處理”的方式，確保廢氣排放符合當(dāng)?shù)丨h(huán)保要求。

三室RTO廢氣治理技術(shù)應(yīng)用在精細(xì)化工企業(yè)需充分保證系統(tǒng)安全運行，如雙LEL控制，加裝阻火器、應(yīng)急旁通閥、泄爆裝置、緊急切斷閥、排凝閥以及設(shè)備故障應(yīng)急措施等。

考慮本企業(yè)運行中可能出現(xiàn)堵塞，特別設(shè)計的間接預(yù)熱器，預(yù)熱能降低腐蝕和堵塞，增加系統(tǒng)安全性；本企業(yè)采用RTO的800 ℃爐膛煙氣進行間接預(yù)熱，不僅降低了使用蒸汽預(yù)熱而增加的成本，同時避免了煙氣和廢氣直接接觸，因此不會有鹽類物質(zhì)生成。

本企業(yè)RTO設(shè)計了一鍵反銬，當(dāng)?shù)撞刻沾杀畸}類物質(zhì)堵塞時，能方便地通過一鍵反烤實現(xiàn)在線清理，既方便快捷，又避免了水洗影響了陶瓷和保溫棉壽命。