揮發(fā)性氣體深冷冷凝回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孟麗莉，裴玉慶

（山西陽(yáng)煤化工工程有限公司，山西 太原 030021）

0 引 言

自2017 年以來(lái)，環(huán)保形勢(shì)日益嚴(yán)峻，國(guó)家將VOCs 納入《大氣污染防治法》監(jiān)管范圍，各級(jí)環(huán)保部門(mén)要求對(duì)VOCs 限期進(jìn)行治理。

根據(jù)政府辦公廳下發(fā)的《2018 年大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃通知》中提到加快推進(jìn)重點(diǎn)行業(yè)VOCs綜合治理，全面完成《重點(diǎn)行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物綜合治理方案》。

某乙二醇廠的產(chǎn)品罐區(qū)未安裝揮發(fā)性有機(jī)氣體回收裝置，本文針對(duì)此廠區(qū)情況，為其設(shè)計(jì)揮發(fā)性有機(jī)氣體深冷冷凝回收裝置，此設(shè)計(jì)既提高了產(chǎn)品回收量，提升經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，極大的改善了環(huán)境空氣質(zhì)量，積極響應(yīng)國(guó)家政策。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目VOCs 主要來(lái)源于產(chǎn)品儲(chǔ)罐區(qū)，VOCs儲(chǔ)罐區(qū)一覽表見(jiàn)表1。

表1 VOCs 儲(chǔ)罐區(qū)一覽表Table 1 List of VOCs tank farm

根據(jù)生產(chǎn)工況確定本罐區(qū)所涉及的有機(jī)液體儲(chǔ)罐同時(shí)最大工作進(jìn)料量為150 m3/h，兼顧罐區(qū)由溫差引起的小呼吸，綜合計(jì)算罐區(qū)回收量為180 m3/h，本設(shè)計(jì)回收裝置作業(yè)量為200 m3/h。

本罐區(qū)揮發(fā)的主要有機(jī)物為乙二醇和甲醇，甲醇在-80 ℃時(shí)，蒸汽濃度為35 mg/m3；乙二醇在-35 ℃時(shí)蒸汽濃度為26 mg/m3。

由于本廠的罐區(qū)廢氣中VOCs 含量較高，回收后可與原有的雜醇混合作為產(chǎn)品出售，具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

因此，本次罐區(qū)廢氣回收采用“冷凝+吸收”組合工藝進(jìn)行處理。

2 工程設(shè)計(jì)

根據(jù)儲(chǔ)罐區(qū)VOCs 特性及排放流量，結(jié)合裝置的回收處理能力和安全性考慮，對(duì)儲(chǔ)罐區(qū)VOCs 的回收裝置采用冷凝+吸收組合工藝。收集的VOCs氣體直接輸送到回收處理裝置的冷凝單元，尚未液化的余氣進(jìn)入吸收單元。冷凝單元由三級(jí)制冷機(jī)組及四段冷凝換熱器組成；吸收單元由2 臺(tái)吸收塔、閥門(mén)和循環(huán)泵等組成。

2.1 尾氣冷凝單元

根據(jù)尾氣空氣混合氣中各組分不同的飽和溫度、國(guó)家法規(guī)規(guī)定的回收率及尾氣排放濃度限值，確定冷凝工況的溫度，采用分段連續(xù)冷卻的方法降低有機(jī)尾氣溫度，使揮發(fā)的有機(jī)物組分達(dá)到從氣態(tài)到液態(tài)相變的過(guò)飽和狀態(tài)，從而直接得到回收的液態(tài)有機(jī)物。

尾氣冷凝單元設(shè)置分段冷凝的換熱器，由前置級(jí)、第一級(jí)淺冷級(jí)3 ℃、第二級(jí)中冷級(jí)-35 ℃和第三級(jí)深冷級(jí)-80 ℃4 個(gè)冷凝段組成。由引風(fēng)機(jī)經(jīng)過(guò)密閉管道收集并輸送到回收處理裝置的揮發(fā)尾氣，首先經(jīng)前置換熱器，將第三級(jí)深冷級(jí)-80 ℃的冷箱排出的低溫余氣與進(jìn)入裝置的常溫尾氣進(jìn)行熱交換，使進(jìn)入裝置的尾氣初步降溫5～10 ℃，該冷箱沒(méi)有設(shè)計(jì)制冷機(jī)組。然后進(jìn)入第二個(gè)冷箱由第一級(jí)制冷機(jī)組提供冷量，將初步降溫的尾氣冷凝到3℃，大部分有機(jī)物和水氣降溫冷凝液化。未凝結(jié)的少量余氣進(jìn)入與第二級(jí)制冷機(jī)組對(duì)應(yīng)的第三段冷凝箱，繼續(xù)降溫冷凝降溫到-35 ℃。最后，第三級(jí)深冷，從-35 ℃降到-80 ℃將大多數(shù)的有機(jī)物組分冷凝液化，冷凝殘留濃度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定排放限值范圍。

經(jīng)過(guò)多級(jí)冷凝之后尚未液化的余氣進(jìn)入吸收單元的吸收塔，余氣中的有機(jī)氣組分被吸收塔中的吸收劑攔截，待吸收劑接近吸收平衡時(shí)，更換吸收劑為新鮮液體。吸收了有機(jī)物的吸收劑進(jìn)入廢水處理系統(tǒng)。

針對(duì)乙二醇凝固點(diǎn)較高問(wèn)題，本設(shè)計(jì)一是采用大片距（12 mm） 板式換熱器，大片距板式換熱器的結(jié)霜周期時(shí)間比普通換熱器多一倍。二是設(shè)置了氣道壓降控制的融霜設(shè)施，當(dāng)氣道管路壓降＞2 500 Pa 時(shí)，啟動(dòng)融霜系統(tǒng)快速融霜；當(dāng)氣道壓降＞3 000 Pa 時(shí)，切換排氣熱量至換熱器內(nèi)，快速升溫融霜，完全可以避免通道堵塞問(wèn)題。

2.2 尾氣吸收單元

尾氣吸收單元由2 個(gè)吸收塔和3 臺(tái)循環(huán)泵組成。2 個(gè)吸收塔分別擔(dān)任一級(jí)吸收和二級(jí)吸收的操作。吸收塔塔頂氣最后經(jīng)過(guò)除霧器排放，使尾氣經(jīng)過(guò)多次處理后達(dá)標(biāo)排放。

凈化處理后的尾氣，非甲烷總烴含量＜80 mg/m3，轉(zhuǎn)化率≥97%，甲醇含量＜50 mg/m3，乙二醇含量＜50 mg/m3。暫存罐內(nèi)的回收物達(dá)到設(shè)定液位時(shí)，抽出送回到混合醇儲(chǔ)罐中。

根據(jù)收集的VOCs 氣體特性，本設(shè)計(jì)所有收集VOCs 氣體的管道材質(zhì)選用0Cr18Ni9 不銹鋼管。

3 安全設(shè)施設(shè)計(jì)

（1） 本設(shè)計(jì)配置在現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)設(shè)備、電氣、儀表、控制系統(tǒng)等選用防爆產(chǎn)品，防爆等級(jí)為EXdⅡCT4，防護(hù)等級(jí)≥IP65。對(duì)各相關(guān)設(shè)備及管道設(shè)置防雷及防靜電接地系統(tǒng)。

（2） VOCs 揮發(fā)氣回收處理裝置設(shè)計(jì)了以PLC控制器為控制核心的自控系統(tǒng)，可以根據(jù)設(shè)定的條件實(shí)現(xiàn)VOCs 揮發(fā)氣回收裝置自動(dòng)開(kāi)和停，無(wú)人值守。

（3） 根據(jù)儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)發(fā)油泵開(kāi)啟的狀況或VOCs 揮發(fā)氣在輸送管路傳輸壓力變化狀態(tài)，選擇啟動(dòng)與停機(jī)運(yùn)行。設(shè)定控制值：當(dāng)輸送管路傳輸壓力≥微正壓100 Pa 時(shí)引風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，將VOCs 氣體增壓送入撬裝系統(tǒng)；當(dāng)輸送管路傳輸壓力≤微正壓50 Pa 時(shí)引風(fēng)機(jī)停機(jī)。

（4） 本設(shè)計(jì)裝置設(shè)置了報(bào)警和聯(lián)鎖裝置，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，會(huì)立即報(bào)警，嚴(yán)重時(shí)自動(dòng)聯(lián)鎖停機(jī)。裝置現(xiàn)場(chǎng)設(shè)有緊急停機(jī)按鈕，控制系統(tǒng)也可遙控緊急停機(jī)。

（5） 所有動(dòng)設(shè)備均有常規(guī)保護(hù)配置，對(duì)過(guò)壓過(guò)流過(guò)熱狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，有異常情況會(huì)報(bào)警，同時(shí)控制系統(tǒng)會(huì)給出停機(jī)或呼喚信號(hào)。

（6） 制冷壓縮機(jī)排氣壓、回氣壓、油壓都有監(jiān)控儀表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在設(shè)定值臨界（上下限） 給出控制動(dòng)作（停機(jī)） 并報(bào)警。

（7） 吸收塔設(shè)置液位檢測(cè)和報(bào)警聯(lián)鎖、循環(huán)泵運(yùn)行狀況監(jiān)控和聯(lián)鎖等多重控制，當(dāng)1 臺(tái)泵出現(xiàn)故障報(bào)警后，切換到備用泵運(yùn)行，故障泵維修后恢復(fù)運(yùn)行狀態(tài)。

（8） 在每個(gè)儲(chǔ)罐的接出口處設(shè)置單呼閥和全天候防爆轟阻火器，使氣體只能呼出不能呼入，從而防止氣體倒流罐引發(fā)危險(xiǎn)；在罐區(qū)油氣回收總管上設(shè)置在線氧分析儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)排出氣體中的氧含量，氧含量≥3%時(shí)，就會(huì)進(jìn)行聲光報(bào)警。凈化后的尾氣采用15 m 高空排放措施，并設(shè)置阻火器。

（9） 當(dāng)系統(tǒng)停電時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)所有電氣設(shè)備均停機(jī)。此時(shí)，進(jìn)口電動(dòng)閥自動(dòng)關(guān)閉，壓力真空安全閥自動(dòng)打開(kāi)，將尾氣高空放散。

（10） 吸收塔吸收的是冷凝到-80 ℃后的低溫有機(jī)氣體，低溫下吸收處理更安全并能夠改善吸收工況，以規(guī)避吸收熱效應(yīng)帶來(lái)的安全隱患，提高吸收效率。

回收裝置工藝流程如圖1 所示。

圖1 回收裝置工藝流程Fig.1 Process flowchart of recovery unit

4 結(jié) 語(yǔ)

乙二醇儲(chǔ)罐區(qū)排放的有機(jī)氣體經(jīng)過(guò)“冷凝+吸收”組合技術(shù)處理后，終端尾氣通過(guò)高15 m 煙囪排放，排放尾氣中非甲烷總烴排放濃度≤80 mg/m3，處理效率≥97%。

甲醇排放濃度≤50 mg/m3，乙二醇排排放濃度≤50 mg/m3，可以滿足《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》 （GB31571-2015） 及 《VOCs 無(wú)組織排放控制標(biāo)準(zhǔn)》 （GB37822-2019） 要求，滿足環(huán)保部門(mén)排放限值要求。

本設(shè)計(jì)不僅提高了產(chǎn)品回收量，提升了經(jīng)濟(jì)效益，而且極大的改善了環(huán)境空氣質(zhì)量，積極響應(yīng)國(guó)家政策。