摘 要 某精細化工企業(yè)排放的廢氣具有種類多、成分復(fù)雜、濃度高及風(fēng)量大等特點，結(jié)合廢氣中的成分，采用蓄熱式氧化焚燒爐（RTO）+選擇性催化還原技術(shù)（SCR）的廢氣處理工藝、廢氣緩沖稀釋和煙氣余熱利用裝置，系統(tǒng)投運后運行穩(wěn)定，廢氣中VOCs去除率高、能耗低，處理后的廢氣中非甲烷總烴與NOx的排放濃度遠低于國家和地方的排放規(guī)定，可直接排放，同時提高了企業(yè)環(huán)保治理水平，改善了周邊環(huán)境。

關(guān)鍵詞 廢氣處理 VOCs RTO SCR 蓄熱室 燃燒室

中圖分類號 TQ054.3 " 文獻標(biāo)志碼 B " 文章編號 0254?6094（2024）04?0655?05

隨著我國精細化工產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，在中間體合成、成品及半成品加工過程中會產(chǎn)生大量的工業(yè)廢氣，廢氣中的揮發(fā)性有機物（VOCs）嚴(yán)重危害周邊環(huán)境和人體健康。國家為徹底治理VOCs環(huán)境污染問題，相繼出臺了多個法律法規(guī)［1］。按照相關(guān)規(guī)定，VOCs必須經(jīng)過處理并達標(biāo)后才能排放。目前國內(nèi)治理VOCs的處理工藝主要技術(shù)為吸附法、吸收法、冷凝法、膜分離法及焚燒工藝法等［2，3］，精細化工行業(yè)排放的VOCs主要包括非甲烷碳氫化合物、鹵代烴、含硫有機化合物、含氧有機化合物及含氮有機化合物等易燃易爆的混合有機氣體，具有濃度高、風(fēng)量大、種類繁多及成分復(fù)雜等特點，單一的處理方法很難將其處理徹底，實現(xiàn)穩(wěn)定的達標(biāo)排放。

筆者以某精細化工企業(yè)排放的工業(yè)廢氣為研究對象，采用蓄熱式氧化焚燒爐（Regenerative Thermal Oxidizer，RTO）與選擇性催化還原技術(shù)（Selective Catalytic Reduction，SCR）相結(jié)合的處理方法，工業(yè)廢氣在RTO爐中經(jīng)過高溫焚燒氧化反應(yīng)，使廢氣中的VOCs與O2發(fā)生熱分解反應(yīng)，生成H2O和CO2，能有效去除企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的VOCs和惡性臭味［4］。SCR脫銷技術(shù)是一種以NH3為還原劑，將運行系統(tǒng)中出現(xiàn)的NOx氣體轉(zhuǎn)化為N2和H2O的干法脫硝方法［5］。該組合工藝具有廢氣去除效率和熱回收效率高、運行穩(wěn)定以及能耗低等優(yōu)點，在精細化工行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。

1 裝置介紹及工藝選擇

以某精細化工企業(yè)為例，在成品、半成品及中間體的合成加工過程中，車間生產(chǎn)區(qū)、原材料罐區(qū)、包裝等區(qū)域排放的工業(yè)廢氣經(jīng)過VOCs氣體檢測分析儀測量，廢氣中主要包含苯胺、甲醇、三甲胺、碳酸二甲酯、丙酮、甲苯、甲基異丁基酮以及粉塵顆粒等組分，經(jīng)統(tǒng)計測算，該企業(yè)排放的廢氣中各個組分排放速率和占比情況見表1。

由表1可知，廢氣中VOCs的排放速率為347.01 kg/h，排放濃度過高，超過RTO運行時的廢氣最佳濃度范圍1 000～3 000 mg/m3，必須預(yù)處理以后才能進入RTO裝置焚燒處理［6］。由于企業(yè)排放的廢氣中含有苯胺、三甲胺等組分，在RTO焚燒爐高溫氧化分解時，會產(chǎn)生大量的NOx氣體，它是形成光化學(xué)煙霧和酸雨的一個重要原因，會對人體和環(huán)境產(chǎn)生極大危害，所以必須經(jīng)過SCR脫硝系統(tǒng)處理達標(biāo)后才能排放。

企業(yè)按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 31571—2015《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》和地方性規(guī)定DB 37/2801.6—2018《揮發(fā)性有機物排放標(biāo)準(zhǔn) 第6部分：有機化工行業(yè)》、DB37/2376—2019《區(qū)域性大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中的廢氣濃度排放要求，參照表1中廢氣各組分的排放濃度，并從本質(zhì)安全、經(jīng)濟性角度綜合考慮，經(jīng)測算，擬采用設(shè)計風(fēng)量60 000 Nm3/h的三室RTO和SCR反應(yīng)器作為核心設(shè)備對廢氣進行處理。

2 工藝流程設(shè)計與分析

企業(yè)根據(jù)廢氣組分和環(huán)保排放的要求設(shè)計治理VOCs的工藝流程（圖1）。該流程包括：廢氣稀釋緩沖系統(tǒng)、三室RTO系統(tǒng)、SCR脫硝系統(tǒng)、過程控制與檢測系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)等，輔助系統(tǒng)包括燃料供給系統(tǒng)、空氣壓縮系統(tǒng)及消防應(yīng)急系統(tǒng)等。

2.1 廢氣稀釋緩沖系統(tǒng)

由表1所列的廢氣中VOCs排放速率可以得出廢氣排放濃度為23 134 mg/m3，可燃物濃度超過RTO裝置要求的爆炸下限25%LEL的濃度限值16 534 mg/m3，存在爆炸風(fēng)險，所以廢氣在進入RTO焚燒爐前需要先進行預(yù)處理和稀釋緩沖［7］。企業(yè)先將各個區(qū)域排放的廢氣分別經(jīng)過二級洗滌塔噴淋吸收裝置、冷凝吸附等設(shè)施，除去了廢氣中混有的粉塵顆粒、水溶性有機成分等物質(zhì)，可減輕對下游設(shè)備、管道、閥門等的腐蝕。然后再將預(yù)處理后的各支路廢氣匯入?600 mm的廢氣管道，通過廢氣進口切斷閥接入20 m3的廢氣稀釋緩沖罐，該緩沖罐上開有?600 mm的新鮮空氣進口切斷閥門和經(jīng)新鮮空氣稀釋緩沖后的?1 200 mm主廢氣管道出口切斷閥門。同時在稀釋緩沖罐與RTO焚燒爐之間的?1 200 mm主管道上設(shè)置風(fēng)量60 000 Nm3/h、風(fēng)壓5 000 Pa的防爆變頻增壓引風(fēng)機，使緩沖罐和主管道內(nèi)部形成負壓，不斷補充新鮮空氣對較高濃度的廢氣進行稀釋緩沖。在稀釋緩沖罐廢氣出口的主管道上設(shè)置了用于實時監(jiān)測廢氣中VOCs濃度的LEL在線檢測儀與易燃易爆程度火焰溫度FTA型分析儀，由表1可知，稀釋后的廢氣濃度為2 855.33 mg/m3，恰好在RTO焚燒爐系統(tǒng)的最佳廢氣處理濃度1 000～3 000 mg/m3之間，且低于LEL在線檢測儀的檢測濃度設(shè)定的安全值25%即16 534 mg/m3，此時進入RTO裝置進行處理可安全運行、節(jié)省燃料減小運行成本［6］ 。另外，在緩沖罐后面的主管道上設(shè)有?1 200 mm的緊急泄放旁路，以嚴(yán)格控制進入RTO焚燒爐的有機物濃度，若LEL在線檢測儀的檢測濃度超過設(shè)定的安全值時，緊急泄放閥門通過聯(lián)鎖控制系統(tǒng)及時打開，廢氣進入備用處理系統(tǒng)，避免高濃度廢氣直接進入RTO裝置引發(fā)安全事故，保證系統(tǒng)平穩(wěn)、安全的運行。

2.2 三室RTO系統(tǒng)

該企業(yè)采用的60 000 Nm3/h三室RTO系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)由蓄熱室、燃燒室、切換閥、燃燒器及電氣控制系統(tǒng)等組成。

2.2.1 RTO主體結(jié)構(gòu)

蓄熱室是高溫?zé)煔夂蛷U氣進行蓄放熱的場所，分為A室、B室和C室，即為三室RTO，每個蓄熱室單室尺寸3636 mm×3704 mm×5330 mm，室內(nèi)均填充有高度1.9 m的DX型規(guī)整蓄熱蜂窩陶瓷填料，其作用是將高溫?zé)煔庵械臒崃啃畲嫫饋恚瑐鬟f給低溫的廢氣，使廢氣得到充分預(yù)熱，將廢氣加熱到所需的預(yù)熱溫度，進入爐膛后能快速焚燒分解，實現(xiàn)熱量的極限回收和高效利用，顯著減少廢氣升溫的燃料消耗，降低運行成本［7］。

燃燒室位于RTO裝置的頂端，是廢氣中VOCs高溫氧化分解的場所，燃燒室尺寸13936 mm×3704 mm×3200 mm，燃燒室一側(cè)配置兩臺用于系統(tǒng)預(yù)熱升溫及正常運行中輔助熱量補充的8.37×109 J/h的分體式燃氣燃燒器，燃燒器采用PID自動控制和比例調(diào)節(jié)，可減少燃燒室中溫度波動，使燃燒室維持在特定的溫度760～850 ℃之間，煙氣停留時間設(shè)為1.5～2.0 s，保證廢氣中的VOCs在燃燒室內(nèi)得到充分燃燒分解，保證較高VOCs去除率［8，9］。當(dāng)廢氣中的VOCs濃度較高時，其燃燒分解放出的熱量較多，系統(tǒng)不需再靠燃燒機補充熱量，便能使燃燒室維持在VOCs的氧化分解條件溫度，同時還可對外輸出系統(tǒng)余熱，接入支路連接余熱鍋爐或SCR脫硝系統(tǒng)。燃燒室和蓄熱室的內(nèi)壁均襯有250 mm耐高溫的硅酸鋁纖維模塊，外壁涂覆200 mm的保溫材料減少熱量損失。

由圖1可知，為保證RTO裝置燃燒過程的正常運行，該系統(tǒng)配備了一臺風(fēng)量6 000 Nm3/h、風(fēng)壓5 000 Pa的助燃風(fēng)機和一臺風(fēng)量5 800 Nm3/h、風(fēng)壓7 500 Pa的吹掃風(fēng)機，為防止出現(xiàn)廢氣進口濃度高、火焰燃燒中斷、爐膛及排煙溫度過高、風(fēng)機故障等現(xiàn)象，又配備了帶有聯(lián)鎖前饋控制功能的6套進、排氣切換閥、3套吹掃碟閥、2套新風(fēng)進口閥、1套緊急泄放閥門，同時在主管道廢氣進出口、天然氣進口管道、RTO裝置的蓄熱室、燃燒室及煙氣出口等處分別設(shè)置了現(xiàn)場與遠傳聯(lián)鎖控制的壓力表、溫度表等，以實時監(jiān)測系統(tǒng)運行的壓力和溫度。另外為防止因廢氣濃度過高，系統(tǒng)運行出現(xiàn)異常，導(dǎo)致燃燒室存在超溫超壓的風(fēng)險，在廢氣主管道上和RTO爐燃燒室頂端設(shè)置了?900 mm的爆破片和阻火器，保證爐膛超壓時系統(tǒng)不受破壞［10］。安裝后的三室RTO裝置如圖2所示。

2.2.2 三室RTO工作原理

三室RTO裝置正常工作時經(jīng)過冷啟動預(yù)熱和周期性運行兩個過程，在裝置完成啟動程序后，RTO裝置先進入冷啟動預(yù)熱狀態(tài)，需先對爐體進行預(yù)熱，預(yù)熱階段廢氣進口切斷閥關(guān)閉，向燃燒室通入新鮮空氣，進出氣閥門自動切換，吹掃風(fēng)機打開，氣體在蓄熱室A、B、C間變更流動方向，吹掃可能滯留在爐體內(nèi)部的殘留有機廢氣，以免在點火時發(fā)生危險。吹掃結(jié)束后通過PLC電氣控制開啟燃燒系統(tǒng)，燃燒器系統(tǒng)自動點火，蓄熱陶瓷填充床的溫度逐漸升高，待燃燒室內(nèi)溫度升至650 ℃左右時預(yù)熱階段完畢［11，12］。

預(yù)熱結(jié)束后RTO裝置開始進入周期性循環(huán)運行狀態(tài)，每個周期包括3個階段，每階段的運行時間即閥門切換時間設(shè)為90 s［13］，經(jīng)預(yù)處理和稀釋以后的廢氣由增壓風(fēng)機從廢氣緩沖罐抽出后進入蓄熱室A底部，廢氣被蓄熱陶瓷逐漸加熱后進入RTO焚燒爐上端燃燒室高溫氧化分解，此時蓄熱室B出口切換閥打開，形成的熱風(fēng)進入蓄熱室B進行蓄熱，蓄熱室C下側(cè)的吹掃切換閥打開進行爐膛吹掃。在過程控制系統(tǒng)的自動控制下，焚燒爐通過蓄熱室下側(cè)切換閥的周期性切換，依次輪流進行進氣、吹掃、排氣環(huán)節(jié)，控制廢氣在蓄熱室填料層的流入和流出，使系統(tǒng)周期性的完成蓄熱、燃燒、進排氣3種流程，燃燒分解后的排放溫度在100～120 ℃左右。不同蓄熱室周期性運行狀態(tài)見表2。

2.3 SCR脫硝系統(tǒng)及工作原理

SCR脫硝系統(tǒng)主要由SCR反應(yīng)器、煙氣加熱混合系統(tǒng)、氨水儲存和噴射系統(tǒng)、脈沖吹灰及控制系統(tǒng)等組成。SCR反應(yīng)器是煙氣脫硝系統(tǒng)的核心設(shè)備，垂直布置，煙氣豎直向下流動，入口處設(shè)氣流均布裝置和導(dǎo)流板，保證煙氣流動的順暢與氣流分布的均勻，為脫硝反應(yīng)的順利進行創(chuàng)造條件。反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置4層型鋼焊接的框架，用來承載加快脫硝反應(yīng)速率的催化劑，為脫硝反應(yīng)提供足夠空間。

NH3作為該系統(tǒng)脫硝反應(yīng)的還原劑，以液體形態(tài)儲存于0.5 m3氨水罐中，經(jīng)100 L/h氨水泵噴射進入混合罐后的煙氣管道，高溫氣化后在煙氣進口段與煙氣混合進入SCR反應(yīng)器經(jīng)催化劑進行脫硝反應(yīng)，另外，為防止銨鹽、飛灰小顆粒沉積在催化劑小孔內(nèi)引起催化劑鈍化，阻礙NOx、NH3、O2到達催化劑活性表面，在SCR反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置脈沖吹灰器定期對催化劑進行吹灰［14］。安裝后的SCR脫硝系統(tǒng)如圖3所示。

該裝置采用的催化劑為波紋板式的V2O5，其最大活化溫度在180～200 ℃之間，而RTO裝置排放的煙氣溫度在80 ℃左右，未達到脫硝反應(yīng)催化劑最大活性的溫度，由圖1可知，煙氣在進入SCR反應(yīng)器之前的管道上分別設(shè)置了75 m2列管式換熱器、10 m3氣體混合罐，在RTO裝置燃燒室一側(cè)設(shè)置了由溫度聯(lián)鎖切斷閥控制的高溫?zé)煔庵?。SCR反應(yīng)器完成脫硝反應(yīng)后的煙氣溫度在160 ℃左右，直接排放溫度過高，造成能源浪費，所以將SCR反應(yīng)器的煙氣出口先接入列管式換熱器殼程，對接入換熱器管程的RTO裝置排放的煙氣進行熱交換，熱交換后的煙氣進入混合罐內(nèi)再與RTO裝置燃燒室支路引入的高溫?zé)煔膺M行混合，保證進入SCR反應(yīng)器的煙氣溫度達到脫硝反應(yīng)催化劑所需最大活性溫度200 ℃，SCR反應(yīng)器排放的煙氣在換熱器熱量交換后，溫度降到80 ℃左右，此時由80 000 Nm3/h、風(fēng)壓4 500 Pa的防爆變頻引風(fēng)機抽走接入高度35 m、直徑1 200 mm的煙囪進行排放，節(jié)省了燃料，降低了企業(yè)運行成本。

3 裝置運行效果分析

RTO裝置正常運行后，利用煙囪上安裝的實時在線監(jiān)測系統(tǒng)對RTO裝置排放煙氣中非甲烷總烴濃度和NOx濃度進行了3輪監(jiān)測，每一輪監(jiān)測數(shù)據(jù)為8 h內(nèi)一個班次的排放均值，計算得到相應(yīng)的VOCs去除效率（表3）。其中非甲烷總烴排放濃度15.43 mg/m3左右，NOx排放濃度6.76 mg/m3左右，完全符合國家和地方排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，VOCs去除效率保持在99.23%左右，大幅減少了廢氣中VOCs的排放，實現(xiàn)了對VOCs的高效凈化，可穩(wěn)定達標(biāo)排放。

4 結(jié)束語

精細化工企業(yè)排放的廢氣具有濃度高、種類復(fù)雜、濃度波動大的特點，單一的處理方法很難將其徹底處理，實現(xiàn)穩(wěn)定的達標(biāo)排放。作為一種凈化效率高、熱回收效率高、能耗低、運行穩(wěn)定的VOCs處理設(shè)施，企業(yè)根據(jù)廢氣實際排放特點選用RTO與SCR一體化技術(shù)工藝流程，對預(yù)處理后的廢氣進行集中處理，成功使非甲烷總烴與NOx排放濃度遠低于國家和地方的排放規(guī)定，且該組合工藝處理過程具有高效、節(jié)能的優(yōu)勢，值得被廣泛推廣應(yīng)用。

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（收稿日期：2023-08-24，修回日期：2024-07-11）