畢道文(夏禾科技(江蘇)有限公司，江蘇 泰州 225400)

0 引言

隨著我國精細化工行業(yè)不斷發(fā)展，VOCS污染環(huán)境問題日益突出。VOCS在收集和處理過程中，可能會向周圍環(huán)境逸散大量有異味有毒害的氣體，不僅污染環(huán)境，還能危害周圍人群健康[1-2]。如何治理好精細化工工業(yè)廢氣，是目前行業(yè)與環(huán)保監(jiān)管部門最為關注的問題。

一般治理VOCS的方法包括：冷凝法、吸收法、吸附法、低溫等離子法、催化氧化法等，這些VOCS治理工藝確實在一定程度上緩解了企業(yè)的環(huán)保壓力。但面對當前精細化工頻繁多變的生產工況，VOCS成分復雜且濃度波動較大，常規(guī)處理工藝不僅無法滿足廢氣達標排放要求，還會造成環(huán)境二次污染。三室RTO由于凈化效率高(高達99%以上)，適應廢氣中有機物組成和濃度的變化波動，目前在精細化工行業(yè)被廣泛應用。

1 項目概況

以江蘇某精細化工企業(yè)為例：該企業(yè)生產廢氣主要由車間反應釜、離心機、真空泵、干燥機及儲罐等設施環(huán)節(jié)產生，主要廢氣組分包含：甲苯、二甲苯、DMF、叔丁醇、乙酸甲酯、甲醇、乙醇、叔戊醇、四氫呋喃、丙酮、二氯甲烷、二氯乙烷、乙腈、環(huán)己烷、吡啶、正丁醇、甲基環(huán)己烷、甲基叔丁基醚、1,4-二氧六環(huán)、異丙醇、氯苯、二氯苯、氯化氫、H2S、氨等成分。

進入三室RTO治理廢氣分別來源于：1#、2#車間普通工藝廢氣、罐區(qū)普通尾氣、污水站收集廢氣以及工藝含鹵廢氣。由于精細化工廢氣成分復雜、濃度較高、波動性大的特點，目前企業(yè)已對以上幾股廢氣分別進行了收集和預處理，預處理主要除去廢氣中HCl、氨、H2S以及水溶性有機廢氣；另外車間產生的工藝含鹵廢氣單獨收集后，采用“冷凝+洗滌+樹脂吸脫附”預處理工藝，將工藝含鹵廢氣濃度降低至500 mg/m3以下，最后與其他廢氣混合進入三室RTO焚燒處理。

2 設計工藝

根據企業(yè)提供的設計風量為20 000 Nm3/h，進入RTO廢氣濃度，大部分時間一般測定VOCs的濃度為1 500～3 000 mg/m3范圍內，有時候進氣濃度甚至接近4 000 mg/m3左右。

根據國家或地方廢氣排放標準要求，本企業(yè)VOCS排放濃度滿足≤化學工業(yè)揮發(fā)性有機物排放標準≥DB 32/3151—2016 表1揮發(fā)性有機物及臭氣濃度排放限值，二噁英排放濃度滿足≤大氣污染物綜合排放標準≥DB 32/4041—2021 表1大氣污染物有組織排放限值。

根據以上廢氣特點及地方環(huán)保要求，設計如下廢氣處理工藝流程，如圖1所示。

圖1 廢氣處理工藝流程

各股廢氣經過前端收集和預處理后，通過引風機輸送至RTO處理系統(tǒng)，廢氣經過入口洗滌塔去除廢氣成分的無機酸及水溶性的物質，經過除霧器去除廢氣中絕大部分水汽，再進入預熱器對廢氣預熱，降低管道冷凝情況的發(fā)生，后經系統(tǒng)風機送入RTO對有機廢氣進行氧化分解處理，經過RTO處理達標的煙氣通過后置冷卻塔降溫后進入出口洗滌塔對氧化后煙氣中的酸性物質中和吸收，經后置風機輸送至排氣筒，從而達標排放。

三室RTO是將有機廢氣加熱升溫至820～900 ℃之間，將廢氣中的有機物通過高溫焚燒分解成CO2、H2O并釋放出熱量的過程。高溫氧化釋放出的熱量被RTO蓄熱體“貯存”起來。其運行時序如圖2所示。

圖2 運行時序

3 工藝設計特點

預處理的加強：本企業(yè)各股廢氣在匯入RTO之前，針對廢氣性質，分別采用了洗滌處理，降低酸性廢氣濃度；廢氣混合后，進一步通過RTO入口洗滌塔除去酸性氣體，大大減少了對RTO的腐蝕，同時也提高了RTO運行壽命。

特別設計的間接預熱器：預熱能降低腐蝕，降低堵塞，增加系統(tǒng)安全性(防止有機積液產生)，但如何防止預熱器腐蝕，如何防止800 ℃以上的兩側溫差導致變形撕裂是其穩(wěn)定運行的基礎。但混合預熱會導致煙氣中的Cl和廢氣中的胺類物質生產鹽類物質堵塞陶瓷，導致系統(tǒng)運行異常甚至無法運行。因此本企業(yè)采用間接預熱設計方式，避免了煙氣和廢氣直接接觸，故不會有鹽類物質生成。

一鍵反烤設計：由于廢氣中可能會形成鹽類等堵塞陶瓷的物質，附著在陶瓷上容易堵塞下層陶瓷，難以清理。RTO設計了一鍵反烤模式，即將陶瓷底部的溫度升高到 300 ℃左右，以使粘性物質氣化或燃燒掉。當底部陶瓷被鹽類物質堵塞時，能方便地通過一鍵反烤實現(xiàn)清理，一鍵反烤能避免使用水洗的方式清理陶瓷，水洗對陶瓷壽命、保溫棉壽命都有影響，且需要烘爐產生大量天然氣消耗和時間消耗。常見的陶瓷底部堵塞物質如氯化銨、硫化銨、焦油等，如：氯化銨加熱至 100 ℃以上開始顯著揮發(fā)，加熱至 300 ℃時分解。如部分焦油在 300 ℃內能燃燒掉。對于鹽類的堵塞問題，首先應盡量避免生成，比如鹽類物質是廢氣總管過來的，可以增加水洗措施；若是在 RTO入口形成的，間接預熱相比混合預熱能大大降低鹽類生成。

二噁英控制措施：實際運行中，由于RTO除去率≥98%，故在RTO處理中是不可能完全避免不產生二噁英的，因為RTO的蓄熱陶瓷中總會有低溫環(huán)境，但在溫度高于850 ℃且燃燒時間大于1 s時，二噁英就會被完全氧化分解，本企業(yè)的爐膛設計燃燒溫度是850 ℃且停留時間在2 s，是完全可以控制二噁英在爐膛產生。本企業(yè)工藝含鹵廢氣雖然包含二氯甲烷、二氯乙烷、氯苯、二氯苯幾種廢氣組分，但企業(yè)單獨收集并進行樹脂吸脫附預處理，含鹵廢氣降濃后滿足進入RTO治理要求，同時RTO設施采用防腐材料設計，從而減少了二噁英產生，并保證了RTO設施穩(wěn)定地運行。

爐膛設計溫度在820～900 ℃之間，停留時間2 s，除去率可達到 99%以上，廢氣排放濃度遠遠低于當地有組織廢氣排放標準要求；在設計上考慮了精細化工廢氣復雜性、波動性的特點，確保企業(yè)末端治理廢氣穩(wěn)定達標排放。

4 安全設計

(1)為了保證RTO系統(tǒng)的安全運行，在RTO主風管適當距離位置安裝2套LEL濃度檢測儀，在當廢氣濃度高于爆炸下限的25%，需要將高濃度廢氣切換至應急活性炭箱，并經后置風機排至煙囪，由于活性炭吸附到一定程度不能繼續(xù)吸附廢氣，該措施只是臨時應急措施，需要及時調整生產工況，確保RTO穩(wěn)定運行。

(2)為了RTO的安全運行，在RTO爐膛增加旁通管路，當爐膛發(fā)生超溫現(xiàn)象時，可通過開啟旁通風門的措施降低爐膛溫度，并將旁通風排至出口混合箱。出口混合箱排出的煙氣經冷卻塔后從100～180 ℃降溫至60 ℃以內，并經堿洗塔吸收酸性氣體后排至煙囪。

(3) RTO區(qū)域防爆設計：RTO在點火前要進行吹掃，此吹掃的電氣控制回路是硬件和軟件雙重連鎖，連鎖信號有系統(tǒng)風機正常運行、助燃風機正常運行、所有閥門開關位置正確、燃料管路關斷閥關位置、爐膛高溫報警等，吹掃的目的是將殘留在RTO管道和爐膛內的有機物清理干凈，避免點火時引爆。

RTO入口系統(tǒng)風機選擇的是防爆風機，玻璃鋼材質，外殼接地，內部結構為防爆結構，風機內部機器元件摩擦不會產生火花。

所有風管和設備殼體都需要接地，并且在法蘭處要做好接地跨接，RTO上電前要做好接地電阻測試，只有符合接地電阻標準，才能上電和繼續(xù)調試工作。

為防止爆炸事故，在RTO設施關鍵部位加泄爆裝置，比如在RTO爐膛頂部設計1臺泄爆門，總管、阻火器(或防火閥)前后等都需要泄爆裝置，RTO入口處有泄爆片。RTO主管每60 m距離設置爆破片，有這些防爆措施，即使發(fā)生爆炸事故，也會把事故的損失降到最低。

(4) RTO的回火很難進入車間過來的管道，首先入口的洗滌塔會起到阻火的作用，同時在RTO入口有阻火器，都起到阻隔明火作用；各股廢氣在匯入總管之前，都設置了阻火器和緊急切斷閥，大大降低了廢氣系統(tǒng)的事故風險。

(5) RTO廢氣主管每隔30 m設置低點排凝閥，RTO內部管道布置一樣要傾斜布置且留有排污孔，避免底部有積液產生。積液一般是低溫冷凝液體，通過提高RTO入口溫度和出口溫度，確保沒有積液產生，從而避免了RTO底部腔體有明火出現(xiàn)。RTO底部腔體處是漏斗形式，每個腔體底部有積液排放，能夠避免大量的積液產生，也降低了此處明火產生的概率。同時RTO內部管道布置一樣要傾斜布置且留有排污孔，避免底部有積液產生。

(6)爐膛溫度過高保護：爐膛內有4支熱電偶，每支熱電偶都是雙支的，如果一支出現(xiàn)問題，還有一支備用，保證爐膛內溫度有效控制。若熱電偶本身出現(xiàn)問題，比如斷線或者檢測不準確，4支熱電偶會有數值比較，若差值大于200 ℃，則不允許RTO點火和聯(lián)機運行，RTO操作人員需要人為確認此熱電偶，維修好后方可投入使用。

(7) RTO出口高溫保護：RTO出口接洗滌塔，洗滌塔是玻璃鋼材質，則 RTO出口溫度需要控制在100 ℃以下，為了防止廢氣濃度過高時出口溫度過高，RTO出口配置一臺冷卻塔。若出口溫度仍然超過100 ℃，則 RTO自動切斷與生產線之間的聯(lián)機，工藝廢氣直接進入活性炭應急處理后排放。

(8)失電、失氣、失水設計：電控柜配備有UPS電源模塊，當發(fā)生失電時，UPS模塊可支持控制系統(tǒng)及閥門正常工作30 min左右，以應對突發(fā)情況。系統(tǒng)在壓縮空氣管線上設置有壓力傳感器，當壓力不足時傳感器會進行報警，且執(zhí)行緊急停機操作，防止氣動元件因失氣造成無法正常工作。對于關鍵設備，例如冷卻塔，除普通工藝水外，還會接入消防水。當發(fā)生失水時，可通過消防水進行緊急補水，防止溫度異常升高。

5 RTO防腐設計

由于廢氣中含有腐蝕性氣體和含氯化合物等燃燒后會產生腐蝕性氣體，所以在不同位置要采用不同的防腐材料。排放點至RTO區(qū)域的廢氣輸送管道采用防靜電玻璃鋼材質。

為了減小RTO進出口風管、提升閥、陶瓷支撐架和蓄熱體底腔體等部位的腐蝕，將入口廢氣溫度提高后再進入RTO，以保持這些位置處于一個比較干燥的環(huán)境，不結露，減小積液產生和HCl對金屬的腐蝕。

RTO區(qū)域爐體入口前的管道采用不銹鋼316L材質(指預熱后)，預熱前采用防靜電玻璃鋼材質，新風風門采用玻璃鋼材質；RTO入口聯(lián)機/直排風門采用三通提升閥結構，保證泄漏率小，殼體采用碳鋼襯防腐材料，關鍵部位采用雙相鋼2507材質。

RTO出口至冷卻塔間的管道采用雙相鋼2507材質并做外保溫，冷卻塔至煙囪間的管道采用玻璃鋼材質。

陶瓷床支撐架采用雙相不銹鋼2507材質鋼絲網和型材，此支撐架非常重要，如果被腐蝕嚴重而無法支撐陶瓷磚，導致陶瓷磚坍塌，會釀成大事故。

RTO進出口切換閥采用雙相不銹鋼2507材質；蓄熱床底腔體采用雙相不銹鋼2507材質；冷卻塔采用碳鋼內襯耐火材質。

由于化工廠內的環(huán)境較差，很多壓差開關是非常關鍵的安全部件，壓差開關的采樣管會采用不銹鋼316L材質，避免采樣管被腐蝕而導致壓差報警。

6 運行能耗計算

本企業(yè)廢氣風量：20 000 Nm3/h，年運行時間7 200 h：

年運行電費：150 kW×0.7 元/kW·h×7 200 h/年=756 000元/年。

年燃氣費：系統(tǒng)正常運行后，日平均最大天然氣使用量約為250 m3，按3.4 元/m3的天然氣價格計算，年運行燃氣費：250 m3/d×3.4 元/m3×300 d/年=255 000元/年。

液堿消耗約120 kg/d，按1 000元/t的液堿價格計算，年運行藥劑費：0.12 t/d×1 000元/t×300 d/年=36 000 元/年 。

水費：2 m3/d×3 元/m3×300 d/年=1 800元/年。

RTO年最大運行費用：1 048 800元/年。

7 結語

精細化工廢氣因排放濃度高，種類復雜，濃度波動大，需要根據廢氣實際排放特點，采用“分類收集、分質處理”的方式，確保廢氣排放符合當地環(huán)保要求。

三室RTO廢氣治理技術應用在精細化工企業(yè)需充分保證系統(tǒng)安全運行，如雙LEL控制，加裝阻火器、應急旁通閥、泄爆裝置、緊急切斷閥、排凝閥以及設備故障應急措施等。

考慮本企業(yè)運行中可能出現(xiàn)堵塞，特別設計的間接預熱器，預熱能降低腐蝕和堵塞，增加系統(tǒng)安全性；本企業(yè)采用RTO的800 ℃爐膛煙氣進行間接預熱，不僅降低了使用蒸汽預熱而增加的成本，同時避免了煙氣和廢氣直接接觸，因此不會有鹽類物質生成。

本企業(yè)RTO設計了一鍵反銬，當底部陶瓷被鹽類物質堵塞時，能方便地通過一鍵反烤實現(xiàn)在線清理，既方便快捷，又避免了水洗影響了陶瓷和保溫棉壽命。