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催化燃烧技术处理石油化工企业含VOCS废气的工艺

文章出处:未知 人气:发表时间:2020-12-04
石油化工企业工艺装置尾气及污水处理场逸散的废气均含有VOCs,其排放给区域空气质量和人体健康带来严重威胁.针对工艺尾气和污水处理场废气的特点,研究了催化燃烧工艺在处理这两类废气时工艺流程及控制方案.对工艺尾气采用碱洗—催化燃烧组合工艺,对污水处理场废气采用脱硫一均化—催化燃烧组合工艺.研究表明,针对上述两种废气,合理选择催化燃烧组合工艺及控制方案,能够有效处理废气中的VOCs组分,且处理后的气体烃类浓度均可达到国家有关标准.

石油化工企业工艺装置及污水处理场会向空气中逸散含VOCs废气。此类废气不仅会导致区域空气质量下降,而且其中的某些成分会刺激人体的呼吸道系统、血液系统和神经系统,职工长期接触这类废气会对人体健康造成严重威胁,因此这类废气需要进行治理。 

现有技术中,处理含VOCs废气治理方法主要有焚烧法、催化燃烧法、冷凝法、吸收法、吸附法、生物法等。
焚烧法处理低浓度废气时存在能耗较高的缺点;
采用冷凝法和吸收法时,对低浓度废气处理效果有限,且须于其他技术(如催化燃烧)结合才能使废气达标排放,流程比较复杂,投资较大;
现有的生物净化法对高VOCs浓度废气去除效果有限;
催化燃烧工艺对废气中的污染物净化效率高,可满足苛刻的国家环保标准要求,因此在石油化工 企业含 VOCs废气治理中应用广泛。 

本研究针对工艺尾气和污水处理场逸散废气的特点,研究了催化燃烧工艺在处理这两类废气时工艺流程及控制方案,以使催化燃烧工艺在处理上述两种废气时更加安全有效。 
1 催化燃烧处理工艺尾气 
1.1 工艺尾气特点

炼油与石油化工企业工艺单元排放(有组织排放)的有机工艺尾气具有以下特点(以聚丙烯装置尾气为例): 
(1)浓度与流量波动较小;
(2)有机工艺尾气中不含有氧气;
(3)对高浓度具有回收价值的尾气应首先采用回收工艺进行回收,回收之后的尾气采用催化燃烧工艺达标处理,对低浓度尾气直接采用催化燃烧工艺处理;
(4)尾气中可能含有氯化物、硫化物等易使催化燃烧催化剂中毒的组分。

1.2 工艺尾气处理工艺流程
根据工艺尾气的特点,处理工艺尾气的催化燃烧工艺如图 1 所示。
 
图 1 催化燃烧工艺处理工艺尾气工艺流程示意图

如图 1 所示,工艺装置排放的有机废气在增压风机的作用下首先进入碱洗塔,利用碱液脱除废气中的氯化物、硫化物等对催化燃烧催化剂有毒的物质。碱洗塔上部设置水洗段,除去废气携带的碱液。 经过预处理后的工艺废气进入尾气换热器,与燃烧后的高温尾气充分换热,预热到反应温度后进入催化燃烧反应器,在催化剂的作用下,与氧气进行催化燃烧反应,将废气中的VOCs转化为二氧化碳和水。从催化燃烧反应器出来的净化气体进入尾气换热器回收热量,净化尾气通过排气筒排放到大气中。 

在本工艺中,设置循环尾气冷却器及循环鼓风机,将循环尾气冷却到40~50℃引入尾气换热器入口,以此来控制催化燃烧反应器出口温度。由于工艺尾气中不含有氧气,因此进行催化燃烧反应所必须的 氧气由空气鼓风机从大气中引入装置。本工艺开工 阶段利用电加热器加热尾气的方式进行开工预热, 正常运行时电加热器停用。
 
1.3 主要控制方案
为保证催化燃烧工艺在处理工艺尾气时能高效安全平稳的运行,主要的控制与联锁方案如下: 
(1)催化燃烧反应器出口温度控制——催化燃烧反应器的出口温度控制是通过调节循环净化尾气量来实现的。当催化燃烧反应器出口温度大于设定值时,增大循环鼓风机入口调节阀的开度,增大循 环尾气量,使催化燃烧反应器出口温度回到设定值;当催化燃烧反应器出口温度小于设定值时,减小循环鼓风机入口调节阀的开度,降低循环尾气量,使催化燃烧反应器出口温度回到设定值。
(2)催化燃烧反应器入口温度控制——催化燃烧反应器的入口温度是通过调节尾气换热器旁路调节阀来实现的。当催化燃烧反应器入口温度大于设定值时,增大尾气换热器旁路调节阀的开度,减小 换热尾气量,使催化燃烧反应器入口温度回到设定值;当催化燃烧反应器入口温度小于设定值时,减小尾气换热器旁路调节阀的开度,增大换热尾气量,使催化燃烧反应器入口温度回到设定值。
(3)当催化燃烧反应器催化剂床层测温超过设定值、循环尾气冷却器出口测温超过设定值、循环 鼓风机出口流量低于设定值、循环鼓风机停止运行或空气鼓风机停止运行时,以上条件,只要满足一 个即触发联锁,即关闭尾气调节阀,同时打开尾气放空阀、关闭空气鼓风机、空气调节阀以及停增压风机。
 
1.4 应用效果
某石化公司聚丙烯装置在生产过程中会向大气中排放聚丙烯尾气,其组成如表 1 所示。
 
表 1 聚丙烯尾气组成和性质
 
M-303 尾气中非甲烷总烃数值约为 65 477 mg/ Nm3,远超国家标准《合成树脂工业污染物排放标 准》(GB 31572-2015)对合成树脂工业非甲烷总烃 的排放要求(非甲烷总烃排放限值为 100 mg/m3 )。 由于 M-303 尾气有机烃浓度不高,回收没有太 大的经济价值,考虑直接采用催化燃烧工艺对M-303尾气进行治理。

由于尾气中含有少量对催化 剂有毒物质 HCL,首先采用碱洗除去 HCL,之后进 入催化燃烧单元除去尾气中的非甲烷总烃,工艺流 程如图 1 所示。
在反应器入口温度 350~450 ℃的条件下,经过 催化燃烧装置处理,净化气体中的非甲烷总烃浓度 低于 60 mg/m3 ,符合我国《合成树脂工业污染物排放标准》(GB 31572-2015)规定的排放要求。

2 催化燃烧处理污水处理场废气
2.1 污水处理场废气特点
 
炼油与石油化工企业污水处理场排放的废气 具有以下特点: 
(1)浓度与流量波动较大;
(2)污水处理场排放的废气含有充足的氧气;
(3)污水处理场前端构筑物如隔油池、浮选 池等排放的废气中非甲烷总烃浓度较高,约为 2 000~5 000 mg/m3 ,可考虑直接采用催化燃烧工艺来 进行处理;后端构筑物如曝气池、生化池等排放的 废气中非甲烷总烃浓度较低,约为 100~500 mg/m3 , 如直接采用催化燃烧工艺处理能耗较高,可考虑先 采用吸附浓缩再采用催化燃烧工艺来进行处理;
(4)污水处理场排放的废气中含有硫化氢、 硫醇、硫醚等易使催化燃烧催化剂中毒的组分。

2.2 污水处理场废气处理工艺流程
根据污水处理场排放废气的特点,处理污水处 理场废气的催化燃烧工艺如图 2 所示。
 
图 2 催化燃烧工艺处理污水处理场废气工艺流程示意图

隔油池、浮选池等构筑物逸散的含 VOCs 废气 由催化风机引出经阻火器进入脱硫罐,脱硫罐中内 置脱硫吸附剂,脱除废气中的有机硫、无机硫。脱 硫处理之后的废气之后进入均化罐,利用均化罐中 的均化剂完成废气总烃浓度的均化,使废气中的总 烃浓度维持在较稳定的水平避免对催化燃烧反应器 的冲击。

经过脱硫、均化的废气与空气混合,使废 气中的总烃浓度满足催化燃烧反应器对浓度的要求 (浓度低于爆炸下限的 25%),之后废气进入过滤 器,脱除废气中的颗粒物,避免堵塞催化剂床层。 经过预处理后的废气进入尾气换热器,与燃烧后的 高温尾气充分换热,进入催化燃烧反应器,在催化 剂的作用下,与氧气进行催化燃烧反应,将废气中 的 VOCs 组分转化为二氧化碳和水,并释放出大量 的反应热。从催化燃烧反应器出来的净化气体携带 热量,进入尾气换热器与待处理废气进行充分换热。 最后净化尾气通过排气筒排放到大气中。
 
2.3 主要控制方案
为保证催化燃烧工艺在处理污水处理场废气时能 高效安全平稳的运行,主要的控制与联锁方案如下:
(1)催化燃烧反应器出口温度控制——催化燃 烧反应器的出口温度控制是通过调节空气量来实现 的。当催化燃烧反应器出口温度大于设定值时,增 大空气入口调节阀的开度,增大空气量,使催化燃 烧反应器出口温度回到设定值;当催化燃烧反应器 出口温度小于设定值时,减小空气入口调节阀的开 度,降低空气量,使催化燃烧反应器出口温度回到 设定值。
(2)催化燃烧反应器入口温度控制——催化燃 烧反应器的入口温度是通过调节电加热器输出功率 来实现的。当催化燃烧反应器入口温度大于设定值 时,降低电加热器输出功率,使催化燃烧反应器入 口温度回到设定值;当催化燃烧反应器入口温度小 于设定值时,增大电加热器输出功率,使催化燃烧 反应器入口温度回到设定值。
(3)当催化燃烧反应器入口温度超过设定值、 催化燃烧反应器出口温度超过设定值、电加热器内 部温度超过设定值或电加热器故障时,以上条件, 只要满足一个即触发联锁即切断废气进装置、全开 空气阀、关闭电加热器。

2.4 应用效果
某污水处理场预处理设施在水处理过程中会向 外逸散含 VOCs 恶臭废气,其组成如表 2 所示。
 
表 2 污水处理场废气组成和性质
 
由表 2 可知,污水处理场隔油池、浮选池等污 水预处理设施排放的废气远超国家标准《石油炼制 工业污染物排放标准》(GB 31570-2015)对污水处 理场废气排放要求(非甲烷总烃排放限值为 120 mg/ Nm3 ,苯排放限值为 4 mg/Nm3 ,甲苯排放限值为 15 mg/ Nm3 ,二甲苯排放限值为 20 mg/Nm3 )。

由于污水处理场预处理设施排放的废气达到 3 000 mg/Nm3 ,废气燃烧放出的热量可维持系统的 热量平衡,因此考虑直接采用催化燃烧工艺对废气 进行治理。废气中含有的对催化剂有毒物质硫化氢、 甲硫醇,首先采用干法脱硫吸附脱除(总硫小于 10 mg/Nm3 ),之后进入催化燃烧单元除去尾气中的非 甲烷总烃、三苯类物质,工艺流程如图 2 所示。 
 
表 3 催化燃烧处理工艺尾气及污水处理场废气对比表
 
在反应器入口温度 250~350 ℃的条件下,经过 催化燃烧装置处理,净化气体中的非甲烷总烃浓度 低于 100 mg/Nm3 、苯浓度低于 3 mg/Nm3 、甲苯浓度 低于 10 mg/Nm3 ,二甲苯浓度低于 10 mg/Nm3 ,符合 我国《石油炼制工业污染物排放标准》( GB 31570-2015)规定的排放要求。

3 结 论
针对工艺尾气及污水处理场废气的不同特点, 对催化燃烧工艺处理这两类废气的工艺流程及主要 控制方案进行了研究,结果对比如表 3 所示。 采用催化燃烧工艺来处理工艺尾气及污水处理 场废气时,应根据不同种类废气的特点合理组织工 艺流程及控制联锁方案:针对工艺尾气采用碱洗— 催化燃烧组合工艺,针对污水处理场废气采用脱硫 —均化—催化燃烧组合工艺。研究表明,针对上述 两种废气,合理选择催化燃烧组合工艺及控制方案, 能够有效处理废气中的 VOCs 组分,且处理后的气 体烃类浓度均可达到国家有关标准。

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