煤化工蓄熱式熱氧化焚燒處理VOCs 技術(shù)控制模式研究

陳春峰

（浙江天地環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆憬?杭州 311121）

揮發(fā)性有機(jī)化合（volatile organic compounds，VOCs）是石油化工過(guò)程以及各種使用有機(jī)溶劑的行業(yè)，如噴漆、印刷、制藥、煤化工等行業(yè)排放的最常見(jiàn)的污染物。該類(lèi)化合物多數(shù)具有刺激性氣味和毒性。部分已被列為致癌物;多數(shù)VOCs 氣體易燃易爆，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)安全造成威脅。

煤化工行業(yè)低溫甲醇洗工段排放尾氣中含有大量的甲醇、非甲烷總烴、氮氧化物、氰化氫、二氧化硫等，根據(jù)《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB 31571—2015的相關(guān)規(guī)定，甲醇排放質(zhì)量濃度控制在50 mg/m3。

目前VOCs 的處理技術(shù)主要分兩大類(lèi)，第一類(lèi)是回收技術(shù)，即采用非破壞性的方法將VOCs 回收；第二類(lèi)是銷(xiāo)毀技術(shù)，即將VOCs 降解氧化成無(wú)毒或者低毒物質(zhì)的破壞性方法[1]。蓄熱式熱氧化焚燒法（regenerative thermal oxidizer,簡(jiǎn)稱(chēng)RTO）為銷(xiāo)毀技術(shù)中的其中一種方式，又因RTO 系統(tǒng)有可以處理風(fēng)量大、濃度低的有機(jī)化合物、可以適應(yīng)廢氣中VOC 的組成和濃度的變化，凈化效率較高，維護(hù)工作量少，操作安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，在有機(jī)廢氣凈化過(guò)程中使用頻繁。

1 RTO 系統(tǒng)原理

蓄熱式熱氧化焚燒法是應(yīng)用熱氧化和催化氧化技術(shù)來(lái)破壞排放物中有機(jī)物的方法。RTO 的工作原理是：有機(jī)廢氣經(jīng)預(yù)熱室吸熱升溫后，進(jìn)入燃燒室高溫焚燒，使有機(jī)物氧化成二氧化碳和水，再經(jīng)過(guò)另一個(gè)蓄熱室蓄存熱量后排放，蓄存的熱量用于預(yù)熱新進(jìn)入的有機(jī)廢氣，經(jīng)過(guò)周期性地改變氣流方向從而保持爐膛溫度的穩(wěn)定[2]。RTO 廢氣分解效率達(dá)到99%以上，熱回收效率達(dá)到95%以上。RTO 系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1。

圖1 蓄熱式熱氧化焚燒法原理

2 RTO 系統(tǒng)概況

RTO 系統(tǒng)所需處理的有機(jī)廢氣來(lái)自煤化工行業(yè)煤制氣項(xiàng)目低溫甲醇洗尾氣。在進(jìn)入RTO 系統(tǒng)前，低溫甲醇洗尾氣與稀釋風(fēng)氣體混合充分后進(jìn)入RTO 系統(tǒng)進(jìn)行燃燒。RTO 系統(tǒng)擬設(shè)計(jì)為三室塔式（如圖2），有機(jī)廢氣通過(guò)蓄熱室1 的蓄熱體后溫度升高至750 ℃后進(jìn)入燃燒室，燃燒室燃燒燃料放熱，廢氣中的有機(jī)物被分解成CO2和H2O。燃燒后的高溫凈煙氣溫度在900 ℃～1 050 ℃，一部分直接抽離至余熱回收系統(tǒng)。而另一部分高溫?zé)煔怆x開(kāi)燃燒室，進(jìn)入蓄熱室2（蓄熱體2 和3 已冷卻）釋放熱量，此時(shí)蓄熱室2 的蓄熱體吸熱并貯存熱量（用于下個(gè)循環(huán)加熱使用）。蓄熱室3 在這個(gè)循環(huán)中執(zhí)行吹掃功能。完成后，蓄熱室的進(jìn)氣與出氣閥門(mén)進(jìn)行一次切換，蓄熱室2 進(jìn)氣，蓄熱室3 出氣，蓄熱室1 吹掃；再下個(gè)循環(huán)則是蓄熱室3進(jìn)氣，蓄熱室1 出氣，蓄熱室2 吹掃，如此不斷地交替進(jìn)行。最后，燃燒后的高溫?zé)煔饨?jīng)余熱回收和蓄熱體放熱之后經(jīng)煙囪排放[3-5]。

圖2 RTO 系統(tǒng)圖

3 RTO 系統(tǒng)運(yùn)行控制模式

3.1 RTO 系統(tǒng)熱爐階段

有機(jī)廢氣要在一定的溫度下才能燃燒，在進(jìn)有機(jī)廢氣之前4 h 應(yīng)對(duì)RTO 系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱爐，使RTO 系統(tǒng)爐內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)計(jì)溫度。

RTO 爐預(yù)熱階段，需要采用稀釋風(fēng)作為檢修風(fēng)，對(duì)RTO 爐進(jìn)行通風(fēng)預(yù)熱。

采用天然氣為燃料,通過(guò)燃燒器來(lái)為RTO 爐預(yù)熱階段加熱。

3.2 RTO 系統(tǒng)啟動(dòng)階段

當(dāng)RTO 系統(tǒng)爐內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)計(jì)溫度時(shí)，將稀釋風(fēng)開(kāi)至最大，打開(kāi)有機(jī)廢氣進(jìn)料閥門(mén)，投入稀釋風(fēng)調(diào)節(jié)，投入燃燒器燃料調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)通過(guò)有機(jī)廢氣就能實(shí)現(xiàn)RTO 系統(tǒng)的正常運(yùn)行，無(wú)需額外提供燃料。

3.3 RTO 系統(tǒng)停運(yùn)階段

RTO 系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)，需要考慮安全問(wèn)題，先關(guān)閉有機(jī)廢氣進(jìn)料閥門(mén)，停運(yùn)燃燒器系統(tǒng)，待RTO 爐溫度降到設(shè)定值時(shí)，再停運(yùn)稀釋風(fēng)機(jī)。

4 RTO 系統(tǒng)主要控制回路及廢氣量計(jì)算

4.1 控制回路總體設(shè)計(jì)思路

在進(jìn)行RTO 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，主要有以下幾個(gè)方面：

1）RTO 系統(tǒng)有機(jī)廢氣的可燃物爆炸下限低于25%以下，保證進(jìn)入RTO 系統(tǒng)的有機(jī)化合物不會(huì)引起爆炸。

2）RTO 系統(tǒng)燃燒室溫度一般控制在900 ℃～1 000 ℃，使燃燒更安全、更充分，可以使二噁英充分分解，多余的熱量可以用于余熱回收。

為達(dá)到以上目的，系統(tǒng)的控制方式是：通過(guò)稀釋風(fēng)機(jī)和高溫旁通調(diào)節(jié)閥，將有機(jī)廢氣的可燃物稀釋到爆炸下限低于25%以下，燃燒室溫度控制在900 ℃～1 000 ℃。由此，系統(tǒng)組態(tài)邏輯主要是1 個(gè)調(diào)節(jié)閥和稀釋風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)回路設(shè)計(jì)。

4.2 變頻稀釋風(fēng)機(jī)

變頻稀釋風(fēng)機(jī)，作為RTO 系統(tǒng)的第一個(gè)調(diào)節(jié)控制，主要是控制稀釋風(fēng)量，即：將有機(jī)廢氣稀釋到爆炸下限內(nèi)。變頻器的頻率設(shè)定遵循以下原則：

根據(jù)RTO 系統(tǒng)有機(jī)廢氣母管流量計(jì)算值計(jì)算出所需的稀釋風(fēng)量，根據(jù)所需的稀釋風(fēng)量來(lái)調(diào)節(jié)稀釋風(fēng)機(jī)的頻率。變頻稀釋風(fēng)機(jī)控制策略見(jiàn)圖3。

4.3 高溫旁通調(diào)節(jié)閥

高溫旁通調(diào)節(jié)閥，作為RTO 系統(tǒng)的第二個(gè)調(diào)節(jié)控制，主要是控制RTO 系統(tǒng)的燃燒室溫度，將燃燒室的溫度控制在合理區(qū)間（900 ℃～1 000 ℃）內(nèi)，將多余的熱量進(jìn)行余熱回收。高溫旁通調(diào)節(jié)閥控制策略見(jiàn)圖4。

圖4 高溫旁通調(diào)節(jié)閥控制策略

4.4 廢氣量計(jì)算

RTO 系統(tǒng)處理階段，變頻稀釋風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)風(fēng)量須使得有機(jī)廢氣的可燃物爆炸下限低于25%以下，保證進(jìn)入RTO 爐的有機(jī)廢氣不會(huì)引起爆炸。廢氣量計(jì)算公式見(jiàn)式（1）。

式中：V 為廢氣總量；Q 為低溫甲醇洗尾氣管道流量；3.703 64 為低溫甲醇洗尾氣給定LEL 值。

4.5 蓄熱室切換程序（見(jiàn)圖5）

圖5 蓄熱室切換控制策略

蓄熱室的進(jìn)氣需在蓄熱室1、蓄熱室2、蓄熱室3之間進(jìn)行切換。切換方式可分為延時(shí)切換和溫度切換兩種，兩種方式在任一條件滿(mǎn)足的情況下，就進(jìn)行切換。

5 結(jié)論

通過(guò)了解RTO 系統(tǒng)在熱爐階段、啟動(dòng)階段和停運(yùn)階段的控制模式，有利于更好地指導(dǎo)運(yùn)行控制。在實(shí)際運(yùn)行中還需注意的是：

1）合理控制稀釋風(fēng)頻率調(diào)節(jié)，保證不同的有機(jī)廢氣量下，有機(jī)廢氣不超過(guò)可燃物爆炸25%。

2）運(yùn)行階段需控制好RTO 爐內(nèi)的溫度，使燃燒更安全、更充分，可以使二噁英充分分解。