喻凱強

(中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江 寧波 315207)

1 概述

乙烯和氧氣在銀催化劑存在下，部分氧化反應生成環(huán)氧乙烷，副反應是乙烯直接氧化，生成二氧化碳。二氧化碳解析塔主要是排放系統(tǒng)反應生成的二氧化碳，排放的解析氣中含有微量的乙烯、乙烷，造成VOC排放超標。

當前，VOC廢氣處理技術主要包括氧化處理法、吸附法、生物處理法、變壓吸附分離和凈化技術。其中氧化處理法在化工行業(yè)中運用比較廣泛，氧化法的基本原理是：VOC和O2發(fā)生氧化反應，生成CO2和H2O。氧化法包括催化氧化法和熱氧化法[1]。

為了適應新形勢下的環(huán)保要求，裝置新增一套催化氧化法VOC處理系統(tǒng)，通過催化氧化技術降低非甲烷總烴氧化反應溫度，使得含有機物的低熱值廢氣在不需補充燃料的情況下即可發(fā)生氧化反應，實現(xiàn)解析氣的達標排放。

2 工藝技術方案

2.1 工藝流程

新增催化氧化系統(tǒng)主要流程，是來自二氧化碳解析塔塔頂排放的解析廢氣經(jīng)進料冷卻器冷卻后，進入進料分液罐氣液分離，凝液通過凝液泵加壓后，去裝置廢水總管外排至界外；進料分液罐頂解析廢氣與補氧風機出口空氣混合后，在氣氣換熱器內被催化氧化反應后氣體加熱，再經(jīng)電加熱器加熱到反應溫度，進入催化反應器，在反應器內有機物與氧催化反應，生成二氧化碳和水。反應后的廢氣經(jīng)氣氣換熱器換熱冷卻至80℃，進入煙囪排至大氣。流程見圖1。

圖1 催化氧化系統(tǒng)工藝流程圖

2.2 工藝原理

催化氧化是典型的氣-固相催化反應，其實質是活性氧參與深度氧化作用。在催化氧化過程中，催化劑的作用是降低活化能，同時使反應物分子富聚于表面，提高了反應速率。借助催化劑可使有機廢氣在較低的起燃溫度條件下，發(fā)生無焰燃燒，并氧化分解為CO2和H2O,同時放出大量熱能，其反應過程為：

2.3 解析氣相關參數(shù)

表1 解析氣廢氣組成

本裝置二氧化碳解析塔解析氣排放量初期5880Am3/h、末期10113.92Am3/h，排放壓力91kPa，排放溫度85℃，工藝包廢氣組成見表1。

解析氣廢氣分為初期和末期兩個階段，兩個時期廢氣的質量流量不同，廢氣成分有細微變化，大體是除了含有大量二氧化碳和水(合占>99.6%以上)之外，含有少量甲烷、乙烯、乙烷、環(huán)氧乙烷等有機成分，同時含有微量氧氣和氬氣，廢氣VOCs含量較少，熱值偏低。

3 系統(tǒng)運行分析與效果

3.1 系統(tǒng)控制說明

本裝置催化氧化系統(tǒng)廠家提供的控制系統(tǒng)方案為PLC控制，將部分參數(shù)引至DCS系統(tǒng)顯示，同時在DCS系統(tǒng)設置一個緊停按鈕。裝置從操作的安全角度、故障分析等角度考慮，在原始設計階段提出將PLC控制系統(tǒng)改成控制功能先進、技術可靠的DCS系統(tǒng)，實施對裝置生產過程的監(jiān)測、控制和管理。

3.1.1 催化反應器入口廢氣溫度控制回路

該控制回路采用單回路控制，為保證催化反應器正常工作，反應器入口廢氣溫度必須控制在催化劑起燃溫度以上合理范圍之內。電加熱器出口設置溫度指示TI6291-20A/B/C，三取中控制電加熱器的變頻?？刂苹芈穲D見圖2。

圖2 催化反應器入口廢氣溫度控制回路

3.1.2 催化反應器出口氧含量控制回路

該控制回路采用單回路控制，過量氧是完全破壞VOCs廢氣有機成分的必要條件，為保證VOCs廢氣有機成分去除率，反應器出口含氧量控制在3%以上。反應器出口設置一臺氧化鋯分析儀AI6291-14，控制補氧風機的變頻，若低于設定值，則風機變頻器自動增加風機頻率，反之則降低風機頻率?？刂苹芈穲D見圖3。

圖3 催化反應器出口氧含量控制回路

3.2 系統(tǒng)運行效果

裝置催化氧化系統(tǒng)于2019年3月4日系統(tǒng)預熱升溫到3月9日解析廢氣全部并入系統(tǒng)，整個廢氣投用過程系統(tǒng)運行平穩(wěn)。3月12日采樣分析催化反應器出入口氣體組成，表2采樣分析結果。

表2 催化反應器出入口氣體組成

表2(續(xù))

由表2可以看出，該系統(tǒng)非甲烷總烴成分主要是乙烯，含量731.34 mL/m3，經(jīng)過催化反應器后氧化后，含量降至<10.0mL/m3，非甲烷總烴去除率98%以上，去除效果明顯，達到預期效果。

3.3 系統(tǒng)運行參數(shù)

裝置催化氧化系統(tǒng)于2019年3月完成各項調試后投用，將系統(tǒng)溫度緩慢升高至250℃后，投用廢氣。反應器入口設計值是300℃，裝置從能耗方面考慮，結合催化劑的特性，決定系統(tǒng)升至250℃后緩慢并入廢氣，反應器出口非甲烷總烴分析結果證明反應溫度250℃能非甲烷總烴去除率能達到效果，隨著廢氣的并入反應床層溫度緩慢上升，最終溫升15℃。相對于設計值26℃偏低。反應器床層溫度隨著廢氣進料量的變化見圖4。

圖4 反應器床層溫度隨著廢氣進料量的變化

系統(tǒng)投用后運行平穩(wěn)，各參數(shù)波動范圍小，系統(tǒng)入口壓力、反應器入口溫度、反應器出口氧含量等重要參數(shù)見表3。

表3 系統(tǒng)運行參數(shù)

從表3可以看出系統(tǒng)入口壓力、入口溫度較設計值要低，好于預期效果，更低的入口壓力有利于系統(tǒng)的運行，因為氣氣換熱器采用板換設計，其設計壓力50kPa，為了保護設備的安全運行，入口壓力了設置了壓力高聯(lián)鎖。較低的入口溫度能減少水汽帶入系統(tǒng)，有利于催化劑的運行，該系統(tǒng)催化劑遇液態(tài)水會使催化劑中毒。煙氣溫度比設計溫度高10℃，說明氣氣換熱器設計時換熱面積余量不足，熱量回收較預計出現(xiàn)偏差，但是煙氣溫度低于100℃，達到預期效果。

3.4 系統(tǒng)運行能耗分析

新增催化氧化系統(tǒng)能耗主要電耗和循環(huán)水用量，其中電耗包括電加熱器、補氧風機、凝液泵，電加熱器設計最大負荷300kW。循環(huán)水用戶是解析氣進料冷卻器，目的是脫除解析氣中水，避免液態(tài)水進入反應器導致催化劑失活。表4為系統(tǒng)能耗實際情況。

表4 系統(tǒng)運行能耗

系統(tǒng)實際運行能耗1.165kg標油/噸，占比裝置總能耗0.38%，能耗在可接受范圍，隨著系統(tǒng)的運行，裝置二氧化碳生成量慢慢增加，電加熱器的運行功率緩慢增加，對裝置能耗影響很小。

4 結論與展望

(1)2019年3月裝置新增催化氧化系統(tǒng)投用后，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，操作簡單，安全性高。在較低的反應溫度下，非甲烷總烴去除率達到98%以上，處理后的廢氣非甲烷總烴10mg/m3左右，遠遠低于國家的排放標準，是一種很成熟的技術，值得運用推廣。

(2)當前，中國的工業(yè)發(fā)展進入一個新的階段，環(huán)保問題是一個不可回避的問題，直接影響著人們的工作和生活，降低大氣中的VOC濃度，對提高人們的健康水平有深遠的意義。