伍偉偉

華東理工大學(xué)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司 上海 200237

設(shè)計(jì)技術(shù)

焦?fàn)t煤氣制甲醇裝置中含硫廢氣處理的工藝設(shè)計(jì)

伍偉偉*

華東理工大學(xué)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司 上海 200237

介紹吸附法、熱破壞法、液體吸收法、冷凝法、生物膜法和冷等離子法等有機(jī)廢氣處理技術(shù)，分析其特點(diǎn)及其應(yīng)用場合。根據(jù)焦?fàn)t煤氣制甲醇項(xiàng)目的尾氣組分及其濃度特點(diǎn)，通過對各有機(jī)廢氣處理技術(shù)的比較和公司的實(shí)際情況，再根據(jù)ASPEN計(jì)算得出的物流及能量值，確定了“6臺(tái)RTO并聯(lián)燃燒+余熱回收系統(tǒng)+帶急冷器的脫硫塔”的工藝設(shè)計(jì)方案。通過合理的設(shè)備選型及選材、對系統(tǒng)的壓力和溫度的匹配，使系統(tǒng)在安全運(yùn)行的同時(shí)達(dá)到了達(dá)標(biāo)排放的要求。

含硫廢氣 酸露點(diǎn) 急冷器 脫硫塔 熱管式換熱器

山西某焦化廠焦?fàn)t煤氣制甲醇項(xiàng)目中尾氣水洗塔后的排放氣含硫量約10～50ppm，氣體排放臭味較大，且烴類含量稍高。根據(jù)《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB 31571-2015的要求，非甲烷總烴的排放限值120mg/m3，二氧化硫的排放限值20mg/m3，為保證生產(chǎn)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行及降低對廠區(qū)周圍居民的影響，同時(shí)滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，要求將排放尾氣中非甲烷類的烴脫除后放空，能脫除甲烷亦可。

1 有機(jī)廢氣處理技術(shù)及其特點(diǎn)

目前國內(nèi)外VOCs的處理方法主要有兩類：一類是所謂非破壞性技術(shù)即回收法，一般通過改變一定工藝過程中溫度、壓力等物理?xiàng)l件使VOCs富集分離，此類方法包括活性炭吸附法、溶液吸收法、冷凝法及膜分離等常見技術(shù)；一類是所謂破壞性技術(shù),即通過化學(xué)或生物的技術(shù)使VOCs轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水以及氯化氫等無毒或毒性小的無機(jī)物，此類方法包括直接燃燒、催化燃燒、熱力燃燒、生物降解、光分解法、微波催化氧化等技術(shù)。各種處理方法及應(yīng)用場合如下：

1.1 回收法[1，2]

1.1.1 吸附法

流量范圍：500～10000m3/h；不適用于熱廢氣，用于低濃度、大流量。

1.1.2 吸收法

流量沒有嚴(yán)格要求，不適用于烷烴和烯烴處理；不適用于熱廢氣；用于高濃度、大流量、低溫度且有一定回收價(jià)值的污染氣體。

1.1.3 冷凝法

適合用于小于3000m3/h 的VOCs 氣體處理；TVOC 大于10000mg/m3的高濃度氣體。不適用于低沸點(diǎn)烷烴和烯烴處理；該方法適用于高濃度、氣量小、高沸點(diǎn)VOCs的回收。

1.1.4 冷凝+吸附組合技術(shù)

適合用于小于3000m3/h的VOCs氣體處理；TVOC大于10000mg/m3的高濃度氣體。該方法適用于高濃度、氣量小、高沸點(diǎn)VOCs的回收。

1.1.5 吸收+氣提+冷凝組合式技術(shù)

流量沒有嚴(yán)格要求，該方法適用于大氣量、低溫度、高濃度且有一定回收價(jià)值的污染氣體的處理。

1.2 破壞法[1，2]

1.2.1 直接燃燒法

流量沒有嚴(yán)格要求。濃度范圍：TVOC 2000～10000mg/m3的高濃度氣體。適用于熱廢氣。

1.2.2 催化燃燒法

流量應(yīng)用范圍較廣，從1000～50000m3/h 均有較多工程案例。濃度范圍：TVOC 2000～10000mg/m3的高濃度氣體。適用于熱廢氣；凈化效率高(>98%)。

1.2.3 熱力式燃燒法

流量應(yīng)用范圍較廣，從1000～50000m3/h 均有較多工程案例。濃度范圍：TVOC 2000～10000mg/m3的高濃度氣體。

1.2.4 吸附/解吸+燃燒

流量沒有嚴(yán)格要求。適用于低溫、低濃度、大氣量的不宜采用直接燃燒或催化燃燒法及回收處理法的有機(jī)廢氣。

2 廢氣處理方案

2.1 廢氣組成

山西某焦化廠焦?fàn)t煤氣制甲醇項(xiàng)目中尾氣水洗塔后的排放氣組成見表1。

表1 尾氣設(shè)計(jì)參數(shù)

注：廢氣的溫度為10℃，壓力為11.5kPa(G)。

2.2 方案的選擇

對該廢氣進(jìn)行分析，該尾氣成分較多，有機(jī)物濃度低，回收價(jià)值不大，經(jīng)與業(yè)主溝通后，采

用燃燒法來處理該尾氣，燃燒法分為催化燃燒、熱力燃燒、直接燃燒。該廢氣中含有COS、H2S，含硫組分廢氣的處理不適合用催化燃燒；該廢氣的濃度低不適合采用直接燃燒法，確定采用熱力式燃燒法。

熱力式燃燒法分為直燃式廢氣焚燒和蓄熱式廢氣焚燒，兩者的原理是相同的，其差異主要是廢氣的預(yù)熱方式不同：直燃式廢氣焚燒爐的廢氣預(yù)熱是通過外部的熱交換器來完成的；而蓄熱式廢氣焚燒爐的廢氣預(yù)熱是通過蓄熱材料(多數(shù)采用“蜂窩陶瓷”)來實(shí)現(xiàn)的[3]，且蓄熱式燃燒的熱量回收率要遠(yuǎn)高于直燃式焚燒，在廢氣的熱值較高有熱量回收價(jià)值時(shí)最好選用蓄熱式焚燒的方法。

2.3 工藝計(jì)算及關(guān)鍵設(shè)計(jì)

一般熱力式氧化反應(yīng)溫度大于800℃ 。用ASPEN 軟件進(jìn)行模擬，得到：10℃尾氣與常溫空氣預(yù)熱至800℃所需熱量為3.14×1011J/h。

經(jīng)ASPEN計(jì)算，該廢氣的總風(fēng)量6797kmol/h，即152247Nm3/h，需摻空氣至氧含量達(dá)到5%～6%(mol)后再燃燒，摻空氣后的總氣量達(dá)到2.3×105Nm3/h；廢氣焚燒后含有一定的二氧化硫及三氧化硫，經(jīng)計(jì)算該廢氣的酸露點(diǎn)為76℃，為了避免酸腐蝕，廢氣的排氣溫度控制在90℃以上。利用ASPEN軟件中的反應(yīng)器模塊，對反應(yīng)進(jìn)行模擬，得到燃燒后的尾氣可用熱量為3.33×1011J/h。

通過以上分析，該尾氣可選用蓄熱式焚燒法，燃燒后尾氣的熱值在滿足預(yù)熱廢氣后還有約4.7Gcal/h的熱量可以利用。對該項(xiàng)目情況進(jìn)行分析，有104℃、2MPa(G)的鍋爐補(bǔ)水，為此可用該余熱產(chǎn)生約8.2t/h的2MPa(G)的飽和蒸汽。ASPEN模擬流程見圖1。

圖1 ASPEN模擬流程

根據(jù)圖1模擬結(jié)果，工藝設(shè)計(jì)時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：

(1)蓄熱式焚燒設(shè)備選用6臺(tái)并聯(lián)的RTO設(shè)備完成，每臺(tái)RTO的處理風(fēng)量為38000Nm3/h，因廢氣為酸性氣體，RTO內(nèi)襯材料需防腐，可選用“含鋯纖維模塊涂沖蝕涂料”。

(2)經(jīng)ASPEN分析，廢氣來氣中含有約0.5%的液相，為了減少能耗，在廢氣進(jìn)焚燒系統(tǒng)前需加一個(gè)氣液分離器。

(3)燃燒后廢氣中二氧化硫的濃度為73.82mg/m3，大于《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB 31571-2015中的20mg/m3，為此在燃燒系統(tǒng)后還需串聯(lián)一個(gè)堿吸收塔用于吸收焚燒尾氣中的二氧化硫。

(4)廢氣來氣壓力為11.5kPa(G)，經(jīng)系統(tǒng)壓損分析，整個(gè)系統(tǒng)的阻力損失約11kPa，則廢氣基本不需要風(fēng)機(jī)增壓，整個(gè)系統(tǒng)微正壓操作；但摻空氣需要風(fēng)機(jī)增壓，適當(dāng)考慮裕量。

(5)廢氣來氣溫度10℃，先混合空氣后用換

熱器升溫到90℃左右，避免排煙時(shí)的酸露點(diǎn)；煙氣酸露點(diǎn)溫度大概為76℃。

(6)因以熱管為傳熱元件的換熱器具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、流體阻損小、有利于控制露點(diǎn)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，預(yù)熱器可以采用熱管式換熱器，為避免酸露點(diǎn)對換熱器的腐蝕，換熱器可選用耐腐蝕性能好的ND鋼，且煙氣的排煙溫度不能太低[4]，本項(xiàng)目中的排煙溫度高于酸露點(diǎn)15℃，取91℃。

(7)煙氣的排氣溫度為91℃，溫度過高不利于吸收且不利于防腐蝕塔的選型，一般的玻璃鋼耐溫在70℃以下，為此需在吸收塔前加一急冷塔將腐蝕性氣體的溫度降低到30℃左右，該急冷塔需選用耐高溫及耐腐蝕的材質(zhì)，本項(xiàng)目選用哈氏合金。

2.4 流程簡述

經(jīng)以上分析及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，最終確定如下方案：選用6臺(tái)RTO并聯(lián)，同時(shí)并聯(lián)1套8.2t/h的余熱鍋爐及一只帶急冷器的脫硫塔，具體的工藝流程見圖2。

圖2 工藝流程

來自低溫甲醇洗的廢氣，經(jīng)氣液分離器后，摻空氣至氧含量達(dá)到5%～6%(mol)，之后經(jīng)預(yù)熱器預(yù)熱至93℃左右后進(jìn)6臺(tái)并聯(lián)的蓄熱式熱氧化爐進(jìn)行高溫氧化焚燒，同時(shí)并聯(lián)1套8.2t/h的余熱鍋爐。

本系統(tǒng)內(nèi)RTO焚燒爐采用三室切換形式，見圖3。

每一個(gè)運(yùn)行周期中，一個(gè)蓄熱室處于高溫狀態(tài)，尾氣進(jìn)該蓄熱室后溫度升高，與此同時(shí)該蓄熱室的溫度逐漸降低；一個(gè)蓄熱室處于排煙狀態(tài)，該蓄熱室溫度由低溫逐漸升高，與此同時(shí)排煙溫度降低；一個(gè)蓄熱室處于低溫狀態(tài)并用新鮮風(fēng)進(jìn)行反吹，防止上一周期中尾氣通過而未進(jìn)燃燒室的部分不經(jīng)高溫焚燒而直接排放。

在蓄熱室中，填充蜂窩狀陶瓷。蓄熱陶瓷中儲(chǔ)存著前一周期中煙氣中的熱能，尾氣經(jīng)蓄熱室后吸收熱量溫度升高至800℃以上，然后進(jìn)熱氧化室，在熱氧化室中充分氧化分解。

為了保證廢氣中有害物質(zhì)的分解效率，爐膛內(nèi)的溫度控制在850℃，在高溫下有害物質(zhì)氧化分解成無害的CO2、H2O等。

圖3 三室RTO運(yùn)行形式

2.5 設(shè)備選型

依據(jù)物流數(shù)據(jù)和能量數(shù)據(jù)計(jì)算得出的設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

2.6 公用工程用量及副產(chǎn)蒸汽量

公用工程消耗量及蒸汽產(chǎn)量見表3。

3 結(jié)語

(1)通過以上的設(shè)計(jì)分析和計(jì)算，得到該VOCs尾氣處理的工藝流程、設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)、公用工程消耗量及副產(chǎn)蒸汽量。依據(jù)該工藝流程和設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)，可進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。

表2 設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 公用工程消耗量

(2)廢氣經(jīng)焚燒及堿液吸收處理后，進(jìn)煙囪尾氣的二氧化硫及三氧化硫總濃度約為15mg/m3，小于標(biāo)準(zhǔn)的20mg/m3，達(dá)標(biāo)排放。

1 李澤清.含VOC廢氣的回收凈化工藝[J].環(huán)境工程.2003.21(5):38-39.

2 盧 軍.揮性有機(jī)廢氣的催化治理[J].貴金屬.2002.23(2):53-55.

3 徐歆桐.苯酚丙酮裝置廢氣焚燒爐的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].化工設(shè)計(jì).2011.21(1):24-30.

4 從海濤.加熱爐余熱回收設(shè)備煙氣露點(diǎn)腐蝕及其抑制[J].石油化工腐蝕與防護(hù).2001,218(3)：14-15.

2017-03-13)

*伍偉偉：工程師，全國注冊化工工程師。2009年畢業(yè)于華東理工大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)。主要從事精細(xì)化工產(chǎn)品的工程放大及工程設(shè)計(jì)工作。獲得中國發(fā)明專利4項(xiàng)，實(shí)用新型專利14項(xiàng)。聯(lián)系電話：13524980228，E-mail：wuww@eccei.com。