張林,趙向雨 ,朱志平,李為敏
(南京都樂制冷設備有限公司,江蘇 南京 211200)
某制冷設備有限公司承接了某能源化工有限公司40萬噸/年合成氣制乙二醇項目中罐區(qū)甲醇VOCs廢氣回收處理成套工藝技術設備的設計、制造、檢驗、驗收、運輸和安裝,甲醇VOCs廢氣處理規(guī)模為1200Nm3/h,操作彈性范圍40%~110%。本文以實際應用為例,分析和探討甲醇VOCs氣體治理的詳細過程,本文所闡述的治理方案對其他類型的VOCs治理過程具有一定的借鑒意義。
目前國內外甲醇VOCs治理技術主要有吸收法、冷凝+吸收法和冷凝+吸附法3種,其中組合法又有多種組合配比。
吸收法利用醇類物質易溶于水的特性,其工藝流程詳見圖1。
圖1 吸收工藝流程圖
吸收段DN700*16000,不銹鋼孔板波紋250Y填料,新鮮水量5t/h,吸收率達99%。此工藝產生了大量的廢水,且廢水中甲醇的含量為8%,將甲醇廢氣轉化成廢水的形式排放,同時為了確保吸收效率,吸收塔塔高提高至16m。對于儲運系統基本沒有廢水治理工序,不合適,雖然該能源化工有限公司有廢水處理系統,但是該企業(yè)地處西北,水資源很緊張,不是最優(yōu)方案。
冷凝法采用多級連續(xù)冷卻的方法,使甲醇VOCs氣體中的甲醇組分的溫度低于凝點從氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài),除水蒸汽外空氣仍保持氣態(tài),從而實現甲醇氣與空氣的分離利用;吸附法是利用吸附劑對甲醇氣/空氣的吸附力不同來實現混合油氣的分離。冷凝預處理吸附深處理組合工藝,實現最后的50mg/m3達標排放。其工藝流程詳見圖2。
圖2 冷凝+吸附工藝流程圖
此工藝完全滿足設計要求,但是甲醇吸附劑長期達標存在隱患,一般2~3年吸附劑就需更換,本案需配吸附劑兩罐,每罐5噸,真空泵功率15kW,維護成本較大。
冷凝耦合吸收工藝流程見圖3。
圖3 冷凝+吸收工藝流程圖
查甲醇的物性可知,飽和濃度隨著溫度降低而降低,30℃時飽和濃度為310.8g/m3,-75℃時飽和濃度為52.1mg/m3,初步選取-75℃為最終冷凝溫度。采用ASPENPLUS模擬計算,物性方法采用NRTL。冷凝計算結果如表1。
表1 冷凝模擬計算參數
由以上模擬計算可知,將冷凝溫度鎖定在-75℃時,甲醇出口濃度僅為39.17mg/m3,理論上直接達標排放,若將冷凝溫度繼續(xù)下移,則制冷系統的COP減小,能耗增大。為確保達標,避免進氣甲醇VOCs氣體中的甲醇濃度增加及氣量增加,制冷溫度波動,后級特增設一級吸收進行深度處理。
采用ASPENPLUS模擬計算,物性方法采用NRTL。吸收計算結果如表2。
表2 吸收模擬計算參數
通過前面對甲醇處理機組設計選型,根據用戶工藝要求選擇了BMCVR1200冷凝+吸收式油氣回收裝置。前級預處理采用風冷三級復疊制冷將甲醇VOCs氣體溫度降到-75℃,制冷功率為136.1kW,吸收塔規(guī)格為DN600*4000,不銹鋼網波紋250Y填料,新鮮水量0.5t/h,吸收率達80%即可達標排放。
圖4 BMCVR1200冷凝+吸收式油氣回收裝置
冷凝預處理的特點是簡明直接,不需二次工藝處理,整個處理過程在一個密閉的管道及容器內完成回收,且物理變化過程,安全性高,同時回收產品為高品質的純質物料。吸收深處理的特點是吸收率高,安全可靠。
制冷技術的進步、制冷設備關鍵零部件價格和整機制造成本的降低,使得冷凝工藝設備投資成本降低、應用效率提高。阻力小,氣液分布均勻,效率高,通量大的規(guī)整填料出現,使用吸收工藝設備投資降低、凈化率提高。
冷凝耦合吸收處理工藝相比吸收和冷凝+吸附工藝,能耗低僅為0.127kW.h/m3,無二次污染,達標排放穩(wěn)定、投資回報率高。
通過甲醇氣體的治理的設計、選型、分析不難發(fā)現:
(1)甲醇尾氣直接采用水吸收,用水量大,產生污水量多,且污水中甲醇含量高(甲醇濃度約80000ppm),污水處理難度大。
(2)甲醇尾氣采用冷凝+吸附工藝,吸附劑用量大,且用過的吸附劑為固廢中的危廢,處理難度大。
(3)甲醇尾氣采用冷凝+吸收工藝,采用冷凝將尾氣中的甲醇冷凝回收,回收率高達99%以上,只有極少量的甲醇采用水吸收,用水量是直接水吸收的10%,且污水中甲醇含量低(甲醇濃度<50ppm),污水處理難度小,可直接進入污水池做污水處理稀釋用水。也可以吸收工藝增設熱水或蒸汽再生系統,即不存在二次污水。本案例甲醇VOCs氣體經裝置處理后濃度實測為4.6mg/m3且整機防爆,防爆等級Ex dⅡBT4 Gb。
(4)另外通過設計延伸, 甲醇的治理有多種方案,應根據使用環(huán)境、公用工程和要求量身訂制,不可生搬硬套。