焦爐煤氣制甲醇裝置中含硫廢氣處理的工藝設計

伍偉偉

華東理工大學工程設計研究院有限公司 上海 200237

設計技術

焦爐煤氣制甲醇裝置中含硫廢氣處理的工藝設計

伍偉偉*

華東理工大學工程設計研究院有限公司 上海 200237

介紹吸附法、熱破壞法、液體吸收法、冷凝法、生物膜法和冷等離子法等有機廢氣處理技術，分析其特點及其應用場合。根據焦爐煤氣制甲醇項目的尾氣組分及其濃度特點，通過對各有機廢氣處理技術的比較和公司的實際情況，再根據ASPEN計算得出的物流及能量值，確定了“6臺RTO并聯燃燒+余熱回收系統+帶急冷器的脫硫塔”的工藝設計方案。通過合理的設備選型及選材、對系統的壓力和溫度的匹配，使系統在安全運行的同時達到了達標排放的要求。

含硫廢氣 酸露點 急冷器 脫硫塔 熱管式換熱器

山西某焦化廠焦爐煤氣制甲醇項目中尾氣水洗塔后的排放氣含硫量約10～50ppm，氣體排放臭味較大，且烴類含量稍高。根據《石油化學工業污染物排放標準》GB 31571-2015的要求，非甲烷總烴的排放限值120mg/m3，二氧化硫的排放限值20mg/m3，為保證生產裝置的穩定運行及降低對廠區周圍居民的影響，同時滿足排放標準，要求將排放尾氣中非甲烷類的烴脫除后放空，能脫除甲烷亦可。

1 有機廢氣處理技術及其特點

目前國內外VOCs的處理方法主要有兩類：一類是所謂非破壞性技術即回收法，一般通過改變一定工藝過程中溫度、壓力等物理條件使VOCs富集分離，此類方法包括活性炭吸附法、溶液吸收法、冷凝法及膜分離等常見技術；一類是所謂破壞性技術,即通過化學或生物的技術使VOCs轉化為二氧化碳、水以及氯化氫等無毒或毒性小的無機物，此類方法包括直接燃燒、催化燃燒、熱力燃燒、生物降解、光分解法、微波催化氧化等技術。各種處理方法及應用場合如下：

1.1 回收法[1，2]

1.1.1 吸附法

流量范圍：500～10000m3/h；不適用于熱廢氣，用于低濃度、大流量。

1.1.2 吸收法

流量沒有嚴格要求，不適用于烷烴和烯烴處理；不適用于熱廢氣；用于高濃度、大流量、低溫度且有一定回收價值的污染氣體。

1.1.3 冷凝法

適合用于小于3000m3/h 的VOCs 氣體處理；TVOC 大于10000mg/m3的高濃度氣體。不適用于低沸點烷烴和烯烴處理；該方法適用于高濃度、氣量小、高沸點VOCs的回收。

1.1.4 冷凝+吸附組合技術

適合用于小于3000m3/h的VOCs氣體處理；TVOC大于10000mg/m3的高濃度氣體。該方法適用于高濃度、氣量小、高沸點VOCs的回收。

1.1.5 吸收+氣提+冷凝組合式技術

流量沒有嚴格要求，該方法適用于大氣量、低溫度、高濃度且有一定回收價值的污染氣體的處理。

1.2 破壞法[1，2]

1.2.1 直接燃燒法

流量沒有嚴格要求。濃度范圍：TVOC 2000～10000mg/m3的高濃度氣體。適用于熱廢氣。

1.2.2 催化燃燒法

流量應用范圍較廣，從1000～50000m3/h 均有較多工程案例。濃度范圍：TVOC 2000～10000mg/m3的高濃度氣體。適用于熱廢氣；凈化效率高(>98%)。

1.2.3 熱力式燃燒法

流量應用范圍較廣，從1000～50000m3/h 均有較多工程案例。濃度范圍：TVOC 2000～10000mg/m3的高濃度氣體。

1.2.4 吸附/解吸+燃燒

流量沒有嚴格要求。適用于低溫、低濃度、大氣量的不宜采用直接燃燒或催化燃燒法及回收處理法的有機廢氣。

2 廢氣處理方案

2.1 廢氣組成

山西某焦化廠焦爐煤氣制甲醇項目中尾氣水洗塔后的排放氣組成見表1。

表1 尾氣設計參數

注：廢氣的溫度為10℃，壓力為11.5kPa(G)。

2.2 方案的選擇

對該廢氣進行分析，該尾氣成分較多，有機物濃度低，回收價值不大，經與業主溝通后，采

用燃燒法來處理該尾氣，燃燒法分為催化燃燒、熱力燃燒、直接燃燒。該廢氣中含有COS、H2S，含硫組分廢氣的處理不適合用催化燃燒；該廢氣的濃度低不適合采用直接燃燒法，確定采用熱力式燃燒法。

熱力式燃燒法分為直燃式廢氣焚燒和蓄熱式廢氣焚燒，兩者的原理是相同的，其差異主要是廢氣的預熱方式不同：直燃式廢氣焚燒爐的廢氣預熱是通過外部的熱交換器來完成的；而蓄熱式廢氣焚燒爐的廢氣預熱是通過蓄熱材料(多數采用“蜂窩陶瓷”)來實現的[3]，且蓄熱式燃燒的熱量回收率要遠高于直燃式焚燒，在廢氣的熱值較高有熱量回收價值時最好選用蓄熱式焚燒的方法。

2.3 工藝計算及關鍵設計

一般熱力式氧化反應溫度大于800℃ 。用ASPEN 軟件進行模擬，得到：10℃尾氣與常溫空氣預熱至800℃所需熱量為3.14×1011J/h。

經ASPEN計算，該廢氣的總風量6797kmol/h，即152247Nm3/h，需摻空氣至氧含量達到5%～6%(mol)后再燃燒，摻空氣后的總氣量達到2.3×105Nm3/h；廢氣焚燒后含有一定的二氧化硫及三氧化硫，經計算該廢氣的酸露點為76℃，為了避免酸腐蝕，廢氣的排氣溫度控制在90℃以上。利用ASPEN軟件中的反應器模塊，對反應進行模擬，得到燃燒后的尾氣可用熱量為3.33×1011J/h。

通過以上分析，該尾氣可選用蓄熱式焚燒法，燃燒后尾氣的熱值在滿足預熱廢氣后還有約4.7Gcal/h的熱量可以利用。對該項目情況進行分析，有104℃、2MPa(G)的鍋爐補水，為此可用該余熱產生約8.2t/h的2MPa(G)的飽和蒸汽。ASPEN模擬流程見圖1。

圖1 ASPEN模擬流程

根據圖1模擬結果，工藝設計時需要注意以下幾點：

(1)蓄熱式焚燒設備選用6臺并聯的RTO設備完成，每臺RTO的處理風量為38000Nm3/h，因廢氣為酸性氣體，RTO內襯材料需防腐，可選用“含鋯纖維模塊涂沖蝕涂料”。

(2)經ASPEN分析，廢氣來氣中含有約0.5%的液相，為了減少能耗，在廢氣進焚燒系統前需加一個氣液分離器。

(3)燃燒后廢氣中二氧化硫的濃度為73.82mg/m3，大于《石油化學工業污染物排放標準》GB 31571-2015中的20mg/m3，為此在燃燒系統后還需串聯一個堿吸收塔用于吸收焚燒尾氣中的二氧化硫。

(4)廢氣來氣壓力為11.5kPa(G)，經系統壓損分析，整個系統的阻力損失約11kPa，則廢氣基本不需要風機增壓，整個系統微正壓操作；但摻空氣需要風機增壓，適當考慮裕量。

(5)廢氣來氣溫度10℃，先混合空氣后用換

熱器升溫到90℃左右，避免排煙時的酸露點；煙氣酸露點溫度大概為76℃。

(6)因以熱管為傳熱元件的換熱器具有傳熱效率高、結構緊湊、流體阻損小、有利于控制露點腐蝕等優點，預熱器可以采用熱管式換熱器，為避免酸露點對換熱器的腐蝕，換熱器可選用耐腐蝕性能好的ND鋼，且煙氣的排煙溫度不能太低[4]，本項目中的排煙溫度高于酸露點15℃，取91℃。

(7)煙氣的排氣溫度為91℃，溫度過高不利于吸收且不利于防腐蝕塔的選型，一般的玻璃鋼耐溫在70℃以下，為此需在吸收塔前加一急冷塔將腐蝕性氣體的溫度降低到30℃左右，該急冷塔需選用耐高溫及耐腐蝕的材質，本項目選用哈氏合金。

2.4 流程簡述

經以上分析及相關經驗，最終確定如下方案：選用6臺RTO并聯，同時并聯1套8.2t/h的余熱鍋爐及一只帶急冷器的脫硫塔，具體的工藝流程見圖2。

圖2 工藝流程

來自低溫甲醇洗的廢氣，經氣液分離器后，摻空氣至氧含量達到5%～6%(mol)，之后經預熱器預熱至93℃左右后進6臺并聯的蓄熱式熱氧化爐進行高溫氧化焚燒，同時并聯1套8.2t/h的余熱鍋爐。

本系統內RTO焚燒爐采用三室切換形式，見圖3。

每一個運行周期中，一個蓄熱室處于高溫狀態，尾氣進該蓄熱室后溫度升高，與此同時該蓄熱室的溫度逐漸降低；一個蓄熱室處于排煙狀態，該蓄熱室溫度由低溫逐漸升高，與此同時排煙溫度降低；一個蓄熱室處于低溫狀態并用新鮮風進行反吹，防止上一周期中尾氣通過而未進燃燒室的部分不經高溫焚燒而直接排放。

在蓄熱室中，填充蜂窩狀陶瓷。蓄熱陶瓷中儲存著前一周期中煙氣中的熱能，尾氣經蓄熱室后吸收熱量溫度升高至800℃以上，然后進熱氧化室，在熱氧化室中充分氧化分解。

為了保證廢氣中有害物質的分解效率，爐膛內的溫度控制在850℃，在高溫下有害物質氧化分解成無害的CO2、H2O等。

圖3 三室RTO運行形式

2.5 設備選型

依據物流數據和能量數據計算得出的設備設計參數見表2。

2.6 公用工程用量及副產蒸汽量

公用工程消耗量及蒸汽產量見表3。

3 結語

(1)通過以上的設計分析和計算，得到該VOCs尾氣處理的工藝流程、設備設計參數、公用工程消耗量及副產蒸汽量。依據該工藝流程和設備設計參數，可進行工程設計。

表2 設備設計參數

表3 公用工程消耗量

(2)廢氣經焚燒及堿液吸收處理后，進煙囪尾氣的二氧化硫及三氧化硫總濃度約為15mg/m3，小于標準的20mg/m3，達標排放。

1 李澤清.含VOC廢氣的回收凈化工藝[J].環境工程.2003.21(5):38-39.

2 盧 軍.揮性有機廢氣的催化治理[J].貴金屬.2002.23(2):53-55.

3 徐歆桐.苯酚丙酮裝置廢氣焚燒爐的系統設計[J].化工設計.2011.21(1):24-30.

4 從海濤.加熱爐余熱回收設備煙氣露點腐蝕及其抑制[J].石油化工腐蝕與防護.2001,218(3)：14-15.

2017-03-13)

*伍偉偉：工程師，全國注冊化工工程師。2009年畢業于華東理工大學化學工程專業。主要從事精細化工產品的工程放大及工程設計工作。獲得中國發明專利4項，實用新型專利14項。聯系電話：13524980228，E-mail：wuww@eccei.com。