低濃度有機廢氣處理工藝的選擇

高魯兵，吳飛(山東濱華新材料有限公司，山東 濱州 256600)

0 引言

目前環(huán)氧丙烷車間氯醇化尾氣經(jīng)過尾氣一級、二級堿洗塔洗滌后，增加空氣稀釋至低于氣體爆炸下限的25%，再送至粒堿車間熔鹽爐進行焚燒。為降低管理、運行成本，計劃將環(huán)氧丙烷車間氯醇化尾氣引入蓄熱式焚燒爐系統(tǒng)處理。

RTO裝置是一種高效的有機廢氣處理設(shè)備，其工作原理是把有機廢氣加熱到800 ℃以上，使廢氣中的VOCs氧化熱解為二氧化碳和水。氧化過程產(chǎn)生的熱量存儲在特制的陶瓷蓄熱體，使蓄熱體升溫“蓄熱”。陶瓷蓄熱體內(nèi)儲存的熱量用于預(yù)熱后續(xù)進入的有機廢氣，該過程為陶瓷蓄熱體的“放熱”過程，可以實現(xiàn)低濃度廢氣(VOCs含量在0.10%～0.25%)的穩(wěn)定熱解而不需要新增熱源，從而節(jié)省廢氣升溫過程的燃料消耗[1]。

1 設(shè)計內(nèi)容及方案

1.1 設(shè)計內(nèi)容

本設(shè)計為環(huán)氧丙烷氯醇化尾氣治理設(shè)計。主要使用助燃風(fēng)機、RTO系統(tǒng)、急冷塔、堿洗塔、水洗塔、活性炭過濾器、緩沖罐及各類機泵等設(shè)備。

1.2 設(shè)計方案

環(huán)氧丙烷氯醇化尾氣成分參數(shù)分別如下：流量400 Nm3/h，丙烯含量0.88%，乙烷含量0.07%，丙烷含量3.24%，二氯丙烷含量0.61%，氧氣含量8.64%，氮氣含量78.06%,水蒸氣含量8.5%。

環(huán)氧丙烷車間氯醇化尾氣經(jīng)水封隔離后，安全稀釋混合送至預(yù)處理系統(tǒng)，預(yù)處理裝置包括廢氣混合器、廢氣風(fēng)機，通過再次將廢氣濃度稀釋，確保輸入RTO系統(tǒng)的廢氣滿足系統(tǒng)安全焚燒的標(biāo)準(zhǔn)。已經(jīng)經(jīng)過新風(fēng)稀釋的廢氣再次采用循環(huán)煙氣對廢氣進行稀釋，既減少了煙氣的排放量，同時又可以降低廢氣的濃度，提高廢氣處理效率和提高系統(tǒng)的安全性，防止因廢氣濃度偏高而引起爐膛溫度超高。

RTO系統(tǒng)出口煙氣溫度約為150 ℃，煙氣中的氯化氫濃度約為750 mg/Nm3，采用循環(huán)堿液(大水量)進行空塔噴淋中和吸收其中的氯化氫，同時通過水蒸發(fā)氣化潛熱降低煙氣溫度，急冷塔對氯化氫的吸收效率約為70%。

經(jīng)冷卻吸收的煙氣先后進入一、二級噴淋吸收塔進行兩級堿吸收，單級堿吸收氯化氫效率90%。一、二級噴淋吸收塔循環(huán)管路設(shè)置列管式冷卻器，通過循環(huán)水將系統(tǒng)中的熱量移出，同時降低煙氣水蒸氣含量。

經(jīng)二級堿洗后的煙氣再進行入水洗噴淋吸收塔進行洗滌，去除廢氣夾帶的堿沫，防止鹽(堿)沫在后續(xù)干燥形成顆粒物。

煙氣凈化所采用的液堿從二級噴淋吸收塔循環(huán)泵進口加入，液堿采用氣動加堿閥與pH計聯(lián)鎖定量加入，確保堿液中和吸收效果。

堿液與煙氣為逆流運行，每級以泵壓打入上一級噴淋管中，最后打入急冷塔循環(huán)系統(tǒng)中，循環(huán)液經(jīng)急冷塔蒸發(fā)提濃后外排至現(xiàn)有車間清液池。

RTO系統(tǒng)排污、廢氣風(fēng)機、引風(fēng)機、高效除霧、煙囪阻火器、均排至排污地溝。

加熱器冷凝水排至急冷塔水池。

1.3 二噁英的防治

煙氣從蓄熱體流過時間＝蓄熱體高度/煙氣流速＝2.1/2.1=1 s。

二噁英為多苯有機化合物，屬于劇毒物質(zhì)，是含氯廢料在燃燒過程中產(chǎn)生的。二噁英氣體在700 ℃以上分解，煙氣在500～200 ℃時又有少量合成。為防止二噁英的生成，煙氣從500 ℃降溫到200 ℃的時間應(yīng)該控制在1 s之內(nèi)，根據(jù)計算得出從500 ℃降溫到200 ℃時間為0.4 s符合二噁英的再生控制標(biāo)準(zhǔn)。

用于平衡爐膛溫度的高溫釋放煙氣與RTO底部的低溫?zé)煔庠跓煔饣旌舷鋬?nèi)迅速混合急冷，混合段容積1.3 m3，當(dāng)廢氣處理量大于4 500 m3/h時，應(yīng)確保高溫急冷(500～200 ℃)停留時間小于1 s。

廢氣中同時含“含氯有機物”、“含苯(或呋喃)環(huán)有機物”，滿足二噁英再合成條件的原料條件，受RTO系統(tǒng)工藝條件的限制，系統(tǒng)排煙可能存在“二噁英”不達標(biāo)的風(fēng)險。

活性炭吸附是危廢焚燒標(biāo)準(zhǔn)處理二噁英的方法，所以煙氣經(jīng)多級堿吸收和水洗后，可以采用高效除霧器去除游離水，再設(shè)置煙氣加熱器降低煙氣濕度后送活性炭過濾去除二噁英。高效除霧器采用纖維除霧器，將5 μm以上的水顆粒去除，去除率達98%以上，同時將煙氣游離水降低至5 mg/Nm3以下。

1.4 工藝特點及優(yōu)勢

根據(jù)廢氣成分分析，采用RTO處理，VOCs去除率高，可滿足相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)；(1)RTO裝置燃燒室內(nèi)的任何位置，在各工況下的燃燒溫度均≥760 ℃，且煙氣停留時間≥0.75 s。幾乎可用于處理所有含有機化合物的廢氣，適用于處理醫(yī)藥化工行業(yè)中VOCs 組成復(fù)雜的氣體，包括烷烴、烯烴、芳香烴、鹵代烴、含氧烴、氮烴、硫烴、低沸點多環(huán)芳烴等均能被氧化分解成CO2和H2O。(2)燃燒產(chǎn)生的高溫氣體流經(jīng)特制的陶瓷蓄熱體，熱量用于預(yù)熱后續(xù)進入的有機廢氣，可以節(jié)省廢氣升溫的燃料消耗，且分解效率較高，一般為95%～99%。(3)蓄熱室內(nèi)溫度均勻分級增加，廢氣在爐內(nèi)高溫蓄熱體中開始逐層燃燒，延緩燃燒能量的釋放，爐內(nèi)溫升均勻，無高溫鋒面，燃燒噪聲低，而且不存在傳統(tǒng)燃燒的高溫高氧區(qū)，抑制了氮氧化物的產(chǎn)生。(4)采用莫來石材料的蓄熱陶瓷，具有耐熱沖擊性能好、導(dǎo)熱系數(shù)高、膨脹系數(shù)低機械強度大、不易變形、使用壽命長等特點。(5)三床式RTO技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，正常運行時三個蓄熱床分別處于蓄熱、放熱、吹掃階段，程控閥自動控制，使氣體能夠持續(xù)穩(wěn)定得到處理。(6)設(shè)置在線可燃氣體監(jiān)測器，實現(xiàn)實時監(jiān)測，安全聯(lián)鎖；設(shè)備入口設(shè)置阻火器、防止燃燒室壓力波動，造成回火；RTO燃燒室設(shè)有爆破片，起到瞬間泄壓作用，防止爆炸危險。(7)RTO系統(tǒng)采用DCS自動控制，可實現(xiàn)一系列安全措施，燃燒室內(nèi)裝有火焰探測器，火焰探測器與長明火燃燒器連鎖控制，當(dāng)火焰檢知器檢測不到火焰時，廢氣進氣閥關(guān)閉，出氣閥門及旁通閥門打開。 燃燒室內(nèi)設(shè)有長明火燃燒器、保證氧化室內(nèi)任何時候都有明火，不會由于氣體濃度的變化而引起爆燃。(8)廢氣進RTO裝置前廢氣管道上裝有不銹鋼阻火器，不會因回火發(fā)生爆炸。廢氣進界區(qū)前設(shè)過濾器，過濾顆粒物和黏性物質(zhì)，避免堵塞陶瓷[2]。

1.5 工藝方案

環(huán)氧丙烷氯醇化尾氣采用三床RTO工藝，RTO設(shè)計負荷為可處理稀釋后的氯醇化尾氣10 000 m3/h，熱效率95%，具體工藝方案如下：(1)風(fēng)量計算：根據(jù)RTO實際運行經(jīng)驗，有機物濃度大于3 000 mg/m3時可維持自身熱平衡，無需增加天然氣用量，但當(dāng)有機物濃度過高，反應(yīng)熱量不能及時移走時也存在安全隱患。本方案采取兩種方式將過剩的熱量移走，一是多余的高溫?zé)煔饨?jīng)過急冷后排放，二是適當(dāng)稀釋至3 000 mg/m3以上濃度，既能維持自運行，又能轉(zhuǎn)移部分過剩熱量，減小急冷塔壓力。綜合考慮輸送安全和運行安全，RTO系統(tǒng)設(shè)計進氣量為10 000 m3/h。(2)配風(fēng)輸送：環(huán)氧丙烷氯醇化尾氣先配風(fēng)至9 000 m3/h以上，然后經(jīng)過LEL可燃氣體在線監(jiān)測儀，經(jīng)過阻火器，再經(jīng)過濾器或除霧器去除顆粒物以防止顆粒物堵塞后續(xù)的設(shè)備設(shè)施，進入主風(fēng)機。(3)蓄熱式燃燒：三床式RTO由三臺蓄熱式組成，正常運行時，三個床分別處于廢氣預(yù)熱階段、煙氣蓄熱階段和吹掃清洗階段，通過PLC控制氣動程控閥的切換，使廢氣周期性地分別進行入三個陶瓷蓄熱床，經(jīng)過蓄熱床的廢氣進入燃燒室時溫度控制在760 ℃以上，正常運行時不需要額外補充燃料，使廢氣持續(xù)穩(wěn)定地達到處理效果。(4)急冷堿洗：燃燒完的煙氣在蓄熱床放熱后溫度降至100 ℃以下，因為反應(yīng)產(chǎn)物中含有HCL，需要用堿液進行急冷噴淋和兩級堿洗中和處理，堿洗后的凈化氣體送水洗工序。廢堿液經(jīng)管線送至PO裝置廢水池，再送污水處理廠。(5)水洗除霧：堿洗后煙氣通過水洗工序?qū)煔庵袏A帶的鹽、堿顆粒洗滌下來，再經(jīng)除霧裝置除去煙氣中絕大部分水分，防止帶入后續(xù)工序造成結(jié)塊堵塞和活性炭失效。(6)活性炭箱：根據(jù)計算和經(jīng)驗，煙氣中的二噁英可以達標(biāo)排放，活性炭箱作為預(yù)防工藝波動造成煙氣中二噁英可能不達標(biāo)排放的把關(guān)手段。

2 主要設(shè)備選擇

2.1 RTO系統(tǒng)靜設(shè)備

廢氣混合器、空氣過濾器、阻火器、廢氣燃燒室、蓄熱室、布風(fēng)箱、燃燒器、煙氣混合箱、噴淋急冷塔、急冷塔外置水池、一級煙氣堿洗塔、1#不銹鋼換熱器、二級煙氣堿洗塔等。

2.2 RTO系統(tǒng)動設(shè)備

廢氣風(fēng)機、燃燒器、助燃風(fēng)機、反吹風(fēng)機等。

3 控制系統(tǒng)

本焚燒系統(tǒng)采用DCS自動控制，設(shè)置有就地控制和集中控制，系統(tǒng)負責(zé)對廢氣處理設(shè)施各動力設(shè)備實施供電和自動控制。對氧化處理設(shè)備中關(guān)鍵點的溫度、關(guān)鍵設(shè)備的運行狀態(tài)和壓力加以監(jiān)測。為保證廢氣處理系統(tǒng)的正常運行，本設(shè)計通過采集傳輸溫度、壓力的參數(shù)變化信號來達到自控氧化與自控聯(lián)鎖的安全保護功能。

DCS保證整套RTO設(shè)備的自動運行。采用DCS控制，對系統(tǒng)的熱風(fēng)流向、爐膛溫度進行自動監(jiān)控。當(dāng)爐膛溫度超過900 ℃時，系統(tǒng)能自動報警；超過 950 ℃時，系統(tǒng)可以自動切斷廢氣輸送。監(jiān)控系統(tǒng)能對主要設(shè)備故障進行聲光報警。

通過對設(shè)置可燃氣體濃度分析儀和循環(huán)煙氣閥開度聯(lián)鎖，確保輸入RTO廢氣濃度在設(shè)計范圍內(nèi)。

4 裝置界區(qū)內(nèi)公用工程設(shè)施

4.1 公用工程設(shè)施

給水系統(tǒng)：生產(chǎn)用水用量約2 m3/h，主要用于水洗水補水和機泵冷卻水。

排水系統(tǒng)：新增生活排水若干，排水系統(tǒng)依托原有；雨水排水系統(tǒng)依托原有；本設(shè)計產(chǎn)生堿洗廢水、中和廢水總量若干，送經(jīng)處理后送污水處理。

供電系統(tǒng)：本設(shè)計供電接自環(huán)氧丙烷車間現(xiàn)有配電室，小時用電量若干，現(xiàn)有供電余量可滿足需求。

天然氣：天然氣接自廠區(qū)現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)，本設(shè)計用氣量若干，現(xiàn)有余量可滿足需求。

儀表風(fēng)：儀表風(fēng)由空壓站供應(yīng)，由環(huán)氧丙烷車間儀表風(fēng)管線接入，小時用氣量為若干，現(xiàn)有余量可滿足需求。

低壓蒸汽：由現(xiàn)有蒸汽管網(wǎng)接入，小時用量為若干，余量可滿足需求。

4.2 工藝裝置“三廢”排放及預(yù)處理

廢氣：本設(shè)計旨在尾氣的治理，治理后可實現(xiàn)達標(biāo)排放。

設(shè)計運營中產(chǎn)生中和廢水及堿洗廢水若干，與清液混合后送污水處理。

生產(chǎn)過程中無固廢產(chǎn)生。

5 RTO 裝置安全風(fēng)險控制措施

RTO裝置在有機廢氣收集、輸送、處理等環(huán)節(jié)均存在較大的安全風(fēng)險，為了實現(xiàn)RT0裝置的本質(zhì)安全，在設(shè)計過程中要充分考慮處理廢氣的理化性質(zhì)、危險特性，同時還要考慮收集、輸送、處置過程等各環(huán)節(jié)，以及RTO裝置燃燒器、風(fēng)機、管道及安全閥、爆破片等安全設(shè)施選型和材質(zhì)等方面產(chǎn)生的安全風(fēng)險。

(1)RTO裝置安全設(shè)施應(yīng)與主體工程執(zhí)行“三同時”設(shè)計、施工并辦理安全、環(huán)保、職業(yè)健康、消防等手續(xù)。(2)RTO裝置現(xiàn)場部分電氣儀表設(shè)備應(yīng)嚴(yán)格按照防爆等級設(shè)計，在爆炸危險區(qū)域選用防爆電氣，預(yù)防電氣火花引發(fā)火災(zāi)事故的風(fēng)險。(3)RTO裝置應(yīng)設(shè)置PLC或DCS控制系統(tǒng)(視情況可設(shè)置安全儀表系統(tǒng))，對風(fēng)機、閥門、燃燒器、爐膛和廢氣管道等設(shè)備設(shè)施的關(guān)鍵參數(shù)進行實時監(jiān)控和聯(lián)鎖。(4)RTO裝置關(guān)鍵設(shè)備的安全儀表系統(tǒng)應(yīng)不低于SIL2標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。對RTO裝置內(nèi)空間應(yīng)杜絕出現(xiàn)爆炸性氣體，點火裝置啟動前應(yīng)使用空氣徹底置換燃燒室內(nèi)氣體，燃燒器與風(fēng)機風(fēng)壓形成聯(lián)鎖，風(fēng)量不足禁止通入天然氣點火；采用火檢系統(tǒng)來檢測點火效果，一旦出現(xiàn)點火故障、混合氣體燃燒濃度不夠等情況，應(yīng)當(dāng)聯(lián)鎖切斷天然氣，同時再次置換系統(tǒng)內(nèi)的有機氣體。(5)RTO裝置應(yīng)設(shè)置UPS備用電源和儀表用氣的壓縮空氣儲氣罐。(6)RTO裝置應(yīng)設(shè)置斷電、斷氣后進氣閥、排氣閥緊急關(guān)閉，防止煙囪效應(yīng)引起蓄熱層下部溫度上升。(7) RTO裝置應(yīng)在廢氣收集管道上安裝在線廢氣濃度檢測儀(總管或每一路支管)，廢氣經(jīng)檢測儀至切斷閥的時間不低于10 s，確保出現(xiàn)高濃度廢氣后廢氣切斷閥有足夠的關(guān)閉時間。(8)RTO裝置要設(shè)計廢(尾)氣管道的防回燃(火)設(shè)施，特別是對于車間之間、區(qū)域之間、管道與RTO連接處等區(qū)域部位，應(yīng)當(dāng)對設(shè)置防止回燃(火)的單向止回、防火閥(阻火器)等安全裝置。(9)在RTO裝置廢氣收集管道和RTO設(shè)備進口等節(jié)點上安裝泄爆膜片。(10)在RTO裝置進口、泄爆膜片前和廢氣收集端設(shè)置阻火器，泄爆膜片壓力低于廢氣管道承受的壓力，以便爆炸發(fā)生后及時泄壓，減少損失。(11)RTO裝置進風(fēng)、排風(fēng)管道及風(fēng)機應(yīng)采用可導(dǎo)電材質(zhì)，采取法蘭跨接、系統(tǒng)接地等措施，防止靜電產(chǎn)生和積聚。(12)對于濃度較高且含有低燃點物質(zhì)的應(yīng)急排空管道，嚴(yán)禁與高溫排空管道共用煙囪排放。(13)燃料供給系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置高低壓保護和泄漏報警裝置，蓄熱燃燒裝置應(yīng)設(shè)置安全可靠的火焰控制系統(tǒng)、溫度監(jiān)測系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)等。(14)在密閉廠房內(nèi)，應(yīng)采用集氣罩、氣相軟管等設(shè)施，回收無組織排放的氣體，同時保持良好的通風(fēng)，減少揮發(fā)物局部積聚現(xiàn)象。做好避免可燃有毒氣體積聚的風(fēng)險分析，制定管控措施并嚴(yán)格落實，避免發(fā)生爆炸。

6 結(jié)語

RTO裝置是一種高效的低濃度有機廢氣處理設(shè)備，在醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，對低濃度廢氣處理效果顯著，可以實現(xiàn)氣體達標(biāo)排放，在合理考慮各項安全防護措施后，能夠?qū)崿F(xiàn)裝置的安全、穩(wěn)定運行。