全常壓罐區(qū)VOCs 尾氣治理存在的問題及優(yōu)化措施

楊永虎，董改利，曹云飛，任崇新，張磊

（中國石油獨山子石化分公司，新疆獨山子 833699）

某石化企業(yè)儲運聯(lián)合車間常全壓裝置位于化工新區(qū)裝置東南角，東臨預(yù)留化工罐區(qū)、西鄰煉油中間罐區(qū)，南北在廠3 路與廠5 路之間，主要負(fù)責(zé)化工新區(qū)各裝置原料和產(chǎn)品的存儲及輸轉(zhuǎn)。各常壓儲罐大小呼吸排放的VOCs 惡臭尾氣包括有機烴、H2S、硫醚、硫醇等，影響了裝置周邊環(huán)境。2014年新建1 套采用“堿液+柴油”吸收除臭系統(tǒng)，將各儲罐揮發(fā)的尾氣集中收集后進行除臭，改善了裝置環(huán)境[1]?！妒突瘜W(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 31571-2015）實施后，為進一步減少罐區(qū)VOCs 惡臭氣體排放，新增1 套焚燒設(shè)備（CEB-1200），增加了廢氣收集設(shè)施，把收集的廢氣通過離心風(fēng)機加壓后由管道輸送至新增廢氣焚燒設(shè)備進行焚燒處理。同時對常壓罐區(qū)11座儲罐的罐體外壁粉刷防曬漆，將儲罐的呼吸閥、阻火器、緊急泄壓人孔進行了成套更換，達(dá)到了環(huán)保指標(biāo)的排放要求，且現(xiàn)場安全運行無異味。但在實際運行中焚燒爐不穩(wěn)定、燃料氣及資源浪費大，不滿足公司“節(jié)能減排、降本增效”的總體要求。

1 焚燒設(shè)備治理項目簡介及流程

儲運聯(lián)合車間常全壓裝置11臺常壓儲罐頂部的氣相通過在呼吸閥下部增加三通將尾氣抽出，引至風(fēng)機55-K-401增壓，并經(jīng)新增分液罐CEB-T-101排液后送往新增焚燒設(shè)備CEB-1200 處理。常壓儲罐排放的VOCs 尾氣在預(yù)混室內(nèi)混合并通過噴射器進入新增焚燒設(shè)備，依據(jù)尾氣的熱值配比適量的助燃?xì)怏w（由變頻風(fēng)機提供100%的燃燒空氣）在焚燒設(shè)備中燃燒。尾氣進CEB-1200是讓VOCs尾氣湍流后充分混合。廢氣和空氣形成的混合物再經(jīng)內(nèi)部分散器送至頂部的燃燒器（該燃燒器采用鐵鉻合金材質(zhì)的纖維編制構(gòu)成，此結(jié)構(gòu)使用Bekaert專利燃燒器技術(shù)，可形成數(shù)百萬個曲折路徑供氣體通過），使尾氣和空氣混合完全后進行燃燒，保持燃燒溫度在1 100～1 200 ℃，此混合過程是CEB-1200處理尾氣的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，示意流程見圖1，要求引風(fēng)機和CEB-1200 根據(jù)儲罐的壓力間歇運行。1號工業(yè)水廢氣線的手閥保持全開，尾氣量通過風(fēng)機入口調(diào)節(jié)閥自動調(diào)節(jié)，CEB-1200自動運行，常壓罐區(qū)引風(fēng)機55-K-401 的入口閥門根據(jù)儲罐的運行壓力維持開度在8%～25%，為避免回流引起風(fēng)機出口溫度高，風(fēng)機出口的回流閥門保持關(guān)閉，同時在風(fēng)機的出口設(shè)值高壓聯(lián)鎖停機邏輯，異常情況下對風(fēng)機進行保護。此運行工況設(shè)置引風(fēng)機的出口壓力為12～25 kPa，運行比較穩(wěn)定。CEB-1200 聯(lián)鎖時，需要常全壓裝置內(nèi)操崗位人員迅速將風(fēng)機的回流閥門開至80%開度以上，避免風(fēng)機喘振，外操崗位人員到現(xiàn)場將風(fēng)機停機；CEB-1200 啟動正常后，外操崗位人員重新啟動風(fēng)機，在1 號工業(yè)水把VOCs 尾氣閥門打開向CEB-1200 引尾氣后，內(nèi)操崗位人員需將回流調(diào)節(jié)閥門的開度關(guān)至0%，并由現(xiàn)場人員確認(rèn)風(fēng)機無喘振現(xiàn)象，且常壓儲罐的壓力保持平穩(wěn)或穩(wěn)定下降趨勢。風(fēng)機或者常壓儲罐壓力出現(xiàn)異常時，崗位人員需及時匯報值班領(lǐng)導(dǎo)和裝置專業(yè)技術(shù)人員，控制儲罐的壓力≤0.8 kPa，常壓罐區(qū)各儲罐的VOCs尾氣引至CEB-1200 進行1 175 ℃的高溫焚燒，以達(dá)到VOCs尾氣總排口中的非甲烷總烴含量≤120 mg/m3、裝置周邊網(wǎng)格化監(jiān)測非甲烷總烴含量≤4 mg/m3的指標(biāo)要求，確?，F(xiàn)場VOCs監(jiān)控和異味管控同時達(dá)標(biāo)[2]。

圖1 全常壓罐區(qū)尾氣收集、焚燒流程

2 焚燒爐運行存在原理及問題

2.1 運行原理

CEB-1200以天然氣、廢氣為原料，在設(shè)定溫度內(nèi)將廢氣在燃燒器（具有Bekaert專利技術(shù)的Bekinit燃燒編制絲網(wǎng)構(gòu)成）進行明火燃燒以達(dá)到環(huán)保排放要求。CEB-1200爐膛直徑1.37 m，高度8.5 m，直筒狀開口，設(shè)備上方連接有6.7 m 的延長煙囪。燃燒過程中燃燒空氣100%由變頻風(fēng)機輸送。來自常壓罐區(qū)罐頂?shù)膹U氣在預(yù)混室內(nèi)混合后通過廢氣噴射器進入CEB。如需要可提供助燃?xì)怏w進入燃燒系統(tǒng)，讓廢氣湍流進行充分混合。廢氣和空氣的混合物通過分散器傳輸至頂部燃燒器。CEB-1200 點火執(zhí)行自動程序控制，啟動程序后依次自動啟動風(fēng)機進行60 s吹掃、天然氣點火裝置點火、達(dá)到設(shè)定溫度后主天然氣供應(yīng)點爐，自動引入廢氣燃燒，CEB-1200開始正常燃燒工作，進入自動調(diào)節(jié)運行程序。

2.2 運行問題

CEB-1200 焚燒裝置是根據(jù)廢氣壓力及溫度來判斷燃燒工況是否正常，但在廢氣組分發(fā)生變化，壓力沒有變化或稍有變化時，系統(tǒng)不能辨別組分變化，會出現(xiàn)燃燒溫度突升或驟降，當(dāng)PLC調(diào)節(jié)滯后或調(diào)節(jié)幅度過大會時會造成CEB爐高溫或低溫聯(lián)鎖跳停。另外，CEB-1200表面分布網(wǎng)長期工作在高溫環(huán)境下出現(xiàn)局部損壞會造成“回火”，致使燃燒頭爆燃燒毀，需要定期進行更換。

根據(jù)CEB-1200 運行情況統(tǒng)計：2018年總計停爐56 次，其中因風(fēng)機、引燃點火、熱偶、等故障問題停爐21 次，因廢氣組份波動、煙道溫度高聯(lián)鎖、阻火器壓差高等原因造成停爐或無法啟動35次；2019年總計停爐及冒黑煙30次，其中4次為正常檢修，聯(lián)鎖停爐23次，冒黑煙3次。CEB-1200在運行過程中無法連續(xù)穩(wěn)定運行，嚴(yán)重影響了現(xiàn)場異味管控。

2.3 廢氣處理成本

常壓罐區(qū)11 臺儲罐（總?cè)莘e132 000 m3），廢氣經(jīng)收集后，由風(fēng)機增壓后送至CEB-1200 焚燒處理。其中CEB-1200按照年運行8 000 h計算年運行成本約163.28 萬元，見表1；11 臺儲罐排放等廢氣根據(jù)廢氣排放量、廢氣中可燃烴濃度、廢氣排放時間等計算，每年廢氣焚燒損失烴類約1 139.4噸，廢氣中約50%為碳五及以上組份，約569.7 噸可作為石腦油回收利用，其余569.7 噸可作為燃料氣回收使用。現(xiàn)有常壓罐區(qū)廢氣CEB-1200 處理系統(tǒng)運行資源浪費大，不滿足公司節(jié)能減排、降本增效總體要求。

表1 CEB-1200 焚燒設(shè)備運行成本

（1）廢氣排放量[3]：風(fēng)機55-K-401最大風(fēng)量為2 520 m3/h。其中，儲罐小呼吸量按照儲罐平均液位50%，罐內(nèi)氣體2小時溫升20 ℃計算，小呼吸量不大于2 332 m3/h；大呼吸按照間歇收付油進行計算不大于380 m3/h，收付料狀態(tài)見表2。

表2 常壓罐區(qū)儲罐收付料狀態(tài)

（2）廢氣濃度：參照儲罐在受到熱輻射上升時段和低峰時段對應(yīng)風(fēng)機55-K-401B出口的廢氣樣品分析數(shù)據(jù)，以及風(fēng)機入口在線氧分析儀數(shù)值取0.6%（v/v），利用反減法計算得出可燃烴濃度最大為14.59%（v/v），最小為6.15%（v/v）。

（3）廢氣排放時間：為了平衡CEB-1200 和儲罐之間的穩(wěn)定運行，儲罐大、小呼吸作用衰減后將CEB-1200入口閥門關(guān)閉。通過對CEB-1200投用后的廢氣組成變化進行綜合分析：夏季5月1日～10月15日共170天，每日高濃度廢氣時段為8:00～17:00，約9 h；低濃度廢氣時段為17:00～20:30 和次日6:30～8:00共約5 h，其余時段為無廢氣時段，期間尾氣濃度按最高值的50%估算，夏季每日高濃度運行時間9+5/2＝11.5 h，夏季工況廢氣烴濃度按12%計算。冬季10月15日～次年4月30日共195天，每日高濃度廢氣時段為10:00～16:00約6 h；低濃度廢氣時段為16:00～20:00 和次日8:00～10:00 共6 h，濃度按最高值50%計算，其余時段為無廢氣時段，折合每日高濃度運行時間6+6/2＝9小時，冬季工況廢氣烴濃度按10%計算。

由于常壓罐區(qū)風(fēng)機無流量計，廢氣風(fēng)機最大能力為2 520m3/h，夏季風(fēng)機負(fù)荷比在30%～60%之間（取恒定45%核算），則風(fēng)機輸出量保守在1 134 m3/h；冬季風(fēng)機負(fù)荷在10%～30%之間（取恒定20%核算），則風(fēng)機輸出量保守在504 m3/h，廢氣組成按C5計算，分子量72，密度為72/22.4＝3.214 kg/m3。

綜上，CEB-1200 夏季焚燒的物料量為12%×1 134×72/22.4×11.5×170＝855.1噸，冬季焚燒的物料量為10%×504×72/22.4×9×195＝284.3噸，全年廢氣焚燒時損失的烴類物料為855.1+284.3＝1 139.4噸。

3 優(yōu)化改進方案

3.1 優(yōu)化方案的確定

本著宜收皆收、降本增效的原則，經(jīng)現(xiàn)場勘查和統(tǒng)籌考慮，乙烯廠將常壓罐區(qū)VOCs 尾氣計劃引至乙烯二聯(lián)合車間裂解爐進行處理，并先后聯(lián)系兩家設(shè)計單位核實廢氣進裂解爐處理方案的可行性。根據(jù)兩家單位的評估意見，結(jié)合乙烯二聯(lián)合車間6#/7#裂解爐加工原料裝置VOCs尾氣的經(jīng)驗，認(rèn)為常壓罐區(qū)尾氣進6#、7#爐燃燒方案可行，但存在以下事項可進一步優(yōu)化。改造后流程見圖2。

圖2 常壓罐區(qū)VOCs尾氣治理優(yōu)化改造流程

（1）裂解爐NOx容易超標(biāo)。應(yīng)對措施：利用底部燃燒器的蒸汽噴槍可以有效降低NOx生產(chǎn)量，需增加蒸汽耗量。

（2）廢氣中C4、C5組份含量高，熱值高，影響裂解爐熱場分布。應(yīng)對措施：通過改造，利用常全壓裝置乙烯冷凍機脫除常壓罐區(qū)廢氣中的重組分，降低對裂解爐的影響。

（3）廢氣加工量大，乙烯二聯(lián)合車間6#、7#裂解爐無法全部加工。應(yīng)對措施：一是根據(jù)6#、7#裂解爐加工廢氣實際情況，增加5#裂解爐加工廢氣的工藝流程，后期如加工量仍不足，可再增加裂解爐。二是常壓裝置CEB-1200作為備用，在廢氣量較高、裂解爐無法全部加工的工況下，利用CEB-1200平衡部分廢氣，以確保常全壓裝置現(xiàn)場異味受控。

乙烯廠最終確定常壓罐區(qū)VOCs 尾氣送乙烯聯(lián)合車間的管道走向，乙烯二聯(lián)合車間裂解爐接收常壓罐區(qū)尾氣的方案和工藝流程設(shè)置。對常壓罐區(qū)廢氣治理方案改進如下：將常壓罐區(qū)廢氣自分液罐CEB-T101出口三通引出，沿地面布管線至乙烯廠1#火炬南側(cè)管廊上，并借用乙烯二聯(lián)合到2#火炬的排放線、原料裝置VOCs 尾氣至6#/7#裂解爐的尾氣線，將常壓罐區(qū)與原料裝置尾氣合并送至6#/7#裂解爐處理，增加5#裂解爐處理尾氣等流程，增加尾氣處理量，實現(xiàn)5#/6#/7#裂解爐二臺運行一臺備用，CEB-1200焚燒設(shè)備停爐應(yīng)急備用。

3.2 優(yōu)化方案的控制要求

為保證儲運聯(lián)合車間常壓罐區(qū)尾氣送乙烯二聯(lián)合車間裂解爐進行處理項目順利投用，乙烯廠組織相關(guān)單位進行討論，編制了尾氣投用裂解爐方案，以確保尾氣投用過程中裂解爐平穩(wěn)運行和煙氣中NOx排放指標(biāo)受控。應(yīng)急處理和注意事項：

（1）該廢氣線的投用，以乙烯二聯(lián)合裂解爐平穩(wěn)運行及氮氧化物指標(biāo)合格為調(diào)整原則。常全壓裝置風(fēng)機入口調(diào)節(jié)閥及分液罐入口調(diào)節(jié)閥的操作應(yīng)緩慢，嚴(yán)禁速開速關(guān)。

（2）儲運聯(lián)合車間罐區(qū)尾氣并入6#、7#裂解爐期間，如果6#、7#爐NOx≥90 mg/m3時，儲運聯(lián)合車間立即停止并入常壓罐區(qū)VOCs 尾氣，乙烯二聯(lián)合車間進行調(diào)整觀察；待6#、7#爐NOx≤90 mg/m3后，儲運聯(lián)合車間繼續(xù)并入常壓罐區(qū)VOCs 尾氣。如果6#、7#爐NOx≥95 mg/m3時，乙烯二聯(lián)合車間投用6#、7#爐霧化蒸汽，確保煙氣中氮氧化物排放指標(biāo)合格。

（3）該投用過程中常全壓裝置保持CEB-1200正常運行，如乙烯二聯(lián)合車間裂解爐引入廢氣的過程中出現(xiàn)波動，根據(jù)調(diào)度指令及時切出廢氣，將廢氣并入CEB-1200處理。

（4）如果投用期間6#或7#裂解爐出現(xiàn)聯(lián)鎖停車時乙烯二聯(lián)合車間及時匯報調(diào)度，通知儲運聯(lián)合車間停止并入VOCs尾氣，裂解爐聯(lián)鎖停車乙烯二聯(lián)合車間按照裂解爐緊急停車處理進行應(yīng)急操作。

3.3 優(yōu)化方案的投用

在改造方案投用前編制了項目投用方案，方案審批，要求儲運聯(lián)合車間與乙烯二聯(lián)合車間確認(rèn)新增尾氣處理管線已經(jīng)吹掃、氣密及置換合格，管線具備投用條件；相關(guān)工藝流程設(shè)置正確、隔離盲板加裝完成；相關(guān)工藝控制參數(shù)在要求指標(biāo)范圍內(nèi)；應(yīng)急控制措施已準(zhǔn)備就緒。

4月13日13:20分，儲運聯(lián)合常壓罐區(qū)VOCs至6#、7#爐管線投用，投用后現(xiàn)場檢查正常。18:00由于常壓罐區(qū)儲罐壓力低，儲運聯(lián)合車間停風(fēng)機，罐區(qū)尾氣停止送裂解爐。常壓罐區(qū)尾氣送乙烯二聯(lián)合車間優(yōu)化措施按照白天投用、夜間停用運行，期間CEB-1200維持天然氣運行，乙烯聯(lián)合車間裂解爐處理常壓罐區(qū)尾氣連續(xù)穩(wěn)定運行三天后停用CEB-1200。

4 運行效果評價

4.1 裂解爐運行效果

常壓罐區(qū)VOCs 尾氣進入乙烯二聯(lián)合車間6#、7#裂解爐后，尾氣燃燒提供了一部分熱量。對比4月20日—4月26日6#、7#裂解爐燃料氣消耗總量見圖3，在裂解爐相同負(fù)荷下，尾氣并入后裂解爐燃料氣平均減少約400～500 kg/h。綜合考慮常壓罐區(qū)VOCs 尾氣揮發(fā)量和全年氣溫變化情況，按照每年4—10 月共7 個月作為夏季工況進行測算，每年11月—次年3 月共5 個月作為冬季工況并按照以上測算數(shù)據(jù)50%估算，全年總計可節(jié)省燃料氣約1 687.3噸，節(jié)省裂解爐運行成本約310.46萬元。

圖3 6#、7#裂解爐燃料氣消耗量變化情況

4.2 存在問題及處理措施

根據(jù)6#、7#裂解爐處理常壓罐區(qū)VOCs尾氣的實際運行情況，存在以下問題需要重點關(guān)注和預(yù)防：

（1）6#、7#裂解爐爐膛內(nèi)直觀火焰效果變差，火焰發(fā)飄，見圖4。表現(xiàn)為爐膛內(nèi)明火加劇，火焰亂竄，舔舐爐管及爐墻。主要原因是原料裝置罐區(qū)VOCs量較小約500 Nm3/h，常壓罐區(qū)VOCs尾氣并入后尾氣量增大、壓力低，導(dǎo)致燃燒效果較之前差。

圖4 常壓罐區(qū)尾氣進入7#裂解爐前后爐膛內(nèi)火焰情況對比

（2）在常壓罐區(qū)VOCs 尾氣并入時，因尾氣燃燒產(chǎn)生一定的熱量，裂解爐需要減少燃料氣補入量進行調(diào)整；在常壓罐區(qū)VOCs 尾氣切出時，因尾氣撤出熱量損失，需要裂解爐及時補入天然氣。在并入和切出時均會影響裂解爐爐管出口COT溫度波動幅度約10～20 ℃；若在VOCs投用時并入較快，會造成裂解爐無氧燃燒，同時造成氮氧化物波動。

（3）對6#、7#裂解爐爐管及爐墻進行測溫，常壓罐區(qū)VOCs 尾氣投用前裂解爐南北兩側(cè)爐管及爐墻溫度偏差約10 ℃；投用后南北兩側(cè)爐管及爐墻溫度偏差約15～20 ℃，爐膛內(nèi)熱場分布偏差略有增加。

（4）通過熱成像對裂解爐膛熱負(fù)荷分布進行檢測，發(fā)現(xiàn)在常壓罐區(qū)VOCs 尾氣投用后爐膛熱負(fù)荷分布較投用前有一定偏差，需要現(xiàn)場調(diào)整各燃燒器的燃料氣量進行平衡熱分布。

綜上，常壓罐區(qū)VOCs 尾氣并入6#、7#裂解爐，爐膛火焰燃燒情況差，火焰舔舐爐管及爐墻等問題在長期的運行過程中可能會對爐管及爐墻使用 壽命產(chǎn)生影響。針對VOCs 燃燒對爐管及爐墻的影響，在裝置日常運行過程中需運行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)問題及時匯報處理，裂解爐檢修時對6#、7#爐爐管及爐墻進行重點檢查。另外，常壓罐區(qū)VOCs 尾氣排放是一個間歇排放過程，在尾氣進入和切出裂解爐爐膛的瞬間，對裂解爐COT 溫度和爐膛熱場分布波動較大，需要儲運聯(lián)合車間在輸送或中斷尾氣供應(yīng)時，及時和乙烯二聯(lián)合車間進行聯(lián)系，崗位內(nèi)操人員要隨時關(guān)注6#、7#裂解爐的COT 溫度和NOx變化，及時調(diào)整，防止裂解爐COT溫度劇烈波動，同時調(diào)控氧含量，避免氮氧化物在線監(jiān)測超標(biāo)。

5 小結(jié)

常壓罐區(qū)VOCS 尾氣進入乙烯二聯(lián)合車間6#、7#裂解爐后，一是6#、7#裂解爐燃燒常壓罐區(qū)的尾氣替代裂解爐日常運行消耗的燃料氣，年節(jié)省運行成本310.46萬元；二是儲運聯(lián)合車間全常壓裝置CEB-1200在尾氣并入裂解爐處理后停止運行，年節(jié)省運行成本163.28萬元；合計節(jié)省運行成本473.74萬元/年，達(dá)到了節(jié)能減排、降本增效的目的。另一方面，也避免了CEB-1200 運行過程頻繁故障和聯(lián)鎖問題，確保了儲運聯(lián)合車間全常壓罐區(qū)異味管控達(dá)到環(huán)境治理要求。