低濃度有機廢氣處理工藝的選擇

高魯兵，吳飛(山東濱華新材料有限公司，山東 濱州 256600)

0 引言

目前環氧丙烷車間氯醇化尾氣經過尾氣一級、二級堿洗塔洗滌后，增加空氣稀釋至低于氣體爆炸下限的25%，再送至粒堿車間熔鹽爐進行焚燒。為降低管理、運行成本，計劃將環氧丙烷車間氯醇化尾氣引入蓄熱式焚燒爐系統處理。

RTO裝置是一種高效的有機廢氣處理設備，其工作原理是把有機廢氣加熱到800 ℃以上，使廢氣中的VOCs氧化熱解為二氧化碳和水。氧化過程產生的熱量存儲在特制的陶瓷蓄熱體，使蓄熱體升溫“蓄熱”。陶瓷蓄熱體內儲存的熱量用于預熱后續進入的有機廢氣，該過程為陶瓷蓄熱體的“放熱”過程，可以實現低濃度廢氣(VOCs含量在0.10%～0.25%)的穩定熱解而不需要新增熱源，從而節省廢氣升溫過程的燃料消耗[1]。

1 設計內容及方案

1.1 設計內容

本設計為環氧丙烷氯醇化尾氣治理設計。主要使用助燃風機、RTO系統、急冷塔、堿洗塔、水洗塔、活性炭過濾器、緩沖罐及各類機泵等設備。

1.2 設計方案

環氧丙烷氯醇化尾氣成分參數分別如下：流量400 Nm3/h，丙烯含量0.88%，乙烷含量0.07%，丙烷含量3.24%，二氯丙烷含量0.61%，氧氣含量8.64%，氮氣含量78.06%,水蒸氣含量8.5%。

環氧丙烷車間氯醇化尾氣經水封隔離后，安全稀釋混合送至預處理系統，預處理裝置包括廢氣混合器、廢氣風機，通過再次將廢氣濃度稀釋，確保輸入RTO系統的廢氣滿足系統安全焚燒的標準。已經經過新風稀釋的廢氣再次采用循環煙氣對廢氣進行稀釋，既減少了煙氣的排放量，同時又可以降低廢氣的濃度，提高廢氣處理效率和提高系統的安全性，防止因廢氣濃度偏高而引起爐膛溫度超高。

RTO系統出口煙氣溫度約為150 ℃，煙氣中的氯化氫濃度約為750 mg/Nm3，采用循環堿液(大水量)進行空塔噴淋中和吸收其中的氯化氫，同時通過水蒸發氣化潛熱降低煙氣溫度，急冷塔對氯化氫的吸收效率約為70%。

經冷卻吸收的煙氣先后進入一、二級噴淋吸收塔進行兩級堿吸收，單級堿吸收氯化氫效率90%。一、二級噴淋吸收塔循環管路設置列管式冷卻器，通過循環水將系統中的熱量移出，同時降低煙氣水蒸氣含量。

經二級堿洗后的煙氣再進行入水洗噴淋吸收塔進行洗滌，去除廢氣夾帶的堿沫，防止鹽(堿)沫在后續干燥形成顆粒物。

煙氣凈化所采用的液堿從二級噴淋吸收塔循環泵進口加入，液堿采用氣動加堿閥與pH計聯鎖定量加入，確保堿液中和吸收效果。

堿液與煙氣為逆流運行，每級以泵壓打入上一級噴淋管中，最后打入急冷塔循環系統中，循環液經急冷塔蒸發提濃后外排至現有車間清液池。

RTO系統排污、廢氣風機、引風機、高效除霧、煙囪阻火器、均排至排污地溝。

加熱器冷凝水排至急冷塔水池。

1.3 二噁英的防治

煙氣從蓄熱體流過時間＝蓄熱體高度/煙氣流速＝2.1/2.1=1 s。

二噁英為多苯有機化合物，屬于劇毒物質，是含氯廢料在燃燒過程中產生的。二噁英氣體在700 ℃以上分解，煙氣在500～200 ℃時又有少量合成。為防止二噁英的生成，煙氣從500 ℃降溫到200 ℃的時間應該控制在1 s之內，根據計算得出從500 ℃降溫到200 ℃時間為0.4 s符合二噁英的再生控制標準。

用于平衡爐膛溫度的高溫釋放煙氣與RTO底部的低溫煙氣在煙氣混合箱內迅速混合急冷，混合段容積1.3 m3，當廢氣處理量大于4 500 m3/h時，應確保高溫急冷(500～200 ℃)停留時間小于1 s。

廢氣中同時含“含氯有機物”、“含苯(或呋喃)環有機物”，滿足二噁英再合成條件的原料條件，受RTO系統工藝條件的限制，系統排煙可能存在“二噁英”不達標的風險。

活性炭吸附是危廢焚燒標準處理二噁英的方法，所以煙氣經多級堿吸收和水洗后，可以采用高效除霧器去除游離水，再設置煙氣加熱器降低煙氣濕度后送活性炭過濾去除二噁英。高效除霧器采用纖維除霧器，將5 μm以上的水顆粒去除，去除率達98%以上，同時將煙氣游離水降低至5 mg/Nm3以下。

1.4 工藝特點及優勢

根據廢氣成分分析，采用RTO處理，VOCs去除率高，可滿足相關排放標準；(1)RTO裝置燃燒室內的任何位置，在各工況下的燃燒溫度均≥760 ℃，且煙氣停留時間≥0.75 s。幾乎可用于處理所有含有機化合物的廢氣，適用于處理醫藥化工行業中VOCs 組成復雜的氣體，包括烷烴、烯烴、芳香烴、鹵代烴、含氧烴、氮烴、硫烴、低沸點多環芳烴等均能被氧化分解成CO2和H2O。(2)燃燒產生的高溫氣體流經特制的陶瓷蓄熱體，熱量用于預熱后續進入的有機廢氣，可以節省廢氣升溫的燃料消耗，且分解效率較高，一般為95%～99%。(3)蓄熱室內溫度均勻分級增加，廢氣在爐內高溫蓄熱體中開始逐層燃燒，延緩燃燒能量的釋放，爐內溫升均勻，無高溫鋒面，燃燒噪聲低，而且不存在傳統燃燒的高溫高氧區，抑制了氮氧化物的產生。(4)采用莫來石材料的蓄熱陶瓷，具有耐熱沖擊性能好、導熱系數高、膨脹系數低機械強度大、不易變形、使用壽命長等特點。(5)三床式RTO技術成熟，應用廣泛，正常運行時三個蓄熱床分別處于蓄熱、放熱、吹掃階段，程控閥自動控制，使氣體能夠持續穩定得到處理。(6)設置在線可燃氣體監測器，實現實時監測，安全聯鎖；設備入口設置阻火器、防止燃燒室壓力波動，造成回火；RTO燃燒室設有爆破片，起到瞬間泄壓作用，防止爆炸危險。(7)RTO系統采用DCS自動控制，可實現一系列安全措施，燃燒室內裝有火焰探測器，火焰探測器與長明火燃燒器連鎖控制，當火焰檢知器檢測不到火焰時，廢氣進氣閥關閉，出氣閥門及旁通閥門打開。 燃燒室內設有長明火燃燒器、保證氧化室內任何時候都有明火，不會由于氣體濃度的變化而引起爆燃。(8)廢氣進RTO裝置前廢氣管道上裝有不銹鋼阻火器，不會因回火發生爆炸。廢氣進界區前設過濾器，過濾顆粒物和黏性物質，避免堵塞陶瓷[2]。

1.5 工藝方案

環氧丙烷氯醇化尾氣采用三床RTO工藝，RTO設計負荷為可處理稀釋后的氯醇化尾氣10 000 m3/h，熱效率95%，具體工藝方案如下：(1)風量計算：根據RTO實際運行經驗，有機物濃度大于3 000 mg/m3時可維持自身熱平衡，無需增加天然氣用量，但當有機物濃度過高，反應熱量不能及時移走時也存在安全隱患。本方案采取兩種方式將過剩的熱量移走，一是多余的高溫煙氣經過急冷后排放，二是適當稀釋至3 000 mg/m3以上濃度，既能維持自運行，又能轉移部分過剩熱量，減小急冷塔壓力。綜合考慮輸送安全和運行安全，RTO系統設計進氣量為10 000 m3/h。(2)配風輸送：環氧丙烷氯醇化尾氣先配風至9 000 m3/h以上，然后經過LEL可燃氣體在線監測儀，經過阻火器，再經過濾器或除霧器去除顆粒物以防止顆粒物堵塞后續的設備設施，進入主風機。(3)蓄熱式燃燒：三床式RTO由三臺蓄熱式組成，正常運行時，三個床分別處于廢氣預熱階段、煙氣蓄熱階段和吹掃清洗階段，通過PLC控制氣動程控閥的切換，使廢氣周期性地分別進行入三個陶瓷蓄熱床，經過蓄熱床的廢氣進入燃燒室時溫度控制在760 ℃以上，正常運行時不需要額外補充燃料，使廢氣持續穩定地達到處理效果。(4)急冷堿洗：燃燒完的煙氣在蓄熱床放熱后溫度降至100 ℃以下，因為反應產物中含有HCL，需要用堿液進行急冷噴淋和兩級堿洗中和處理，堿洗后的凈化氣體送水洗工序。廢堿液經管線送至PO裝置廢水池，再送污水處理廠。(5)水洗除霧：堿洗后煙氣通過水洗工序將煙氣中夾帶的鹽、堿顆粒洗滌下來，再經除霧裝置除去煙氣中絕大部分水分，防止帶入后續工序造成結塊堵塞和活性炭失效。(6)活性炭箱：根據計算和經驗，煙氣中的二噁英可以達標排放，活性炭箱作為預防工藝波動造成煙氣中二噁英可能不達標排放的把關手段。

2 主要設備選擇

2.1 RTO系統靜設備

廢氣混合器、空氣過濾器、阻火器、廢氣燃燒室、蓄熱室、布風箱、燃燒器、煙氣混合箱、噴淋急冷塔、急冷塔外置水池、一級煙氣堿洗塔、1#不銹鋼換熱器、二級煙氣堿洗塔等。

2.2 RTO系統動設備

廢氣風機、燃燒器、助燃風機、反吹風機等。

3 控制系統

本焚燒系統采用DCS自動控制，設置有就地控制和集中控制，系統負責對廢氣處理設施各動力設備實施供電和自動控制。對氧化處理設備中關鍵點的溫度、關鍵設備的運行狀態和壓力加以監測。為保證廢氣處理系統的正常運行，本設計通過采集傳輸溫度、壓力的參數變化信號來達到自控氧化與自控聯鎖的安全保護功能。

DCS保證整套RTO設備的自動運行。采用DCS控制，對系統的熱風流向、爐膛溫度進行自動監控。當爐膛溫度超過900 ℃時，系統能自動報警；超過 950 ℃時，系統可以自動切斷廢氣輸送。監控系統能對主要設備故障進行聲光報警。

通過對設置可燃氣體濃度分析儀和循環煙氣閥開度聯鎖，確保輸入RTO廢氣濃度在設計范圍內。

4 裝置界區內公用工程設施

4.1 公用工程設施

給水系統：生產用水用量約2 m3/h，主要用于水洗水補水和機泵冷卻水。

排水系統：新增生活排水若干，排水系統依托原有；雨水排水系統依托原有；本設計產生堿洗廢水、中和廢水總量若干，送經處理后送污水處理。

供電系統：本設計供電接自環氧丙烷車間現有配電室，小時用電量若干，現有供電余量可滿足需求。

天然氣：天然氣接自廠區現有天然氣管網，本設計用氣量若干，現有余量可滿足需求。

儀表風：儀表風由空壓站供應，由環氧丙烷車間儀表風管線接入，小時用氣量為若干，現有余量可滿足需求。

低壓蒸汽：由現有蒸汽管網接入，小時用量為若干，余量可滿足需求。

4.2 工藝裝置“三廢”排放及預處理

廢氣：本設計旨在尾氣的治理，治理后可實現達標排放。

設計運營中產生中和廢水及堿洗廢水若干，與清液混合后送污水處理。

生產過程中無固廢產生。

5 RTO 裝置安全風險控制措施

RTO裝置在有機廢氣收集、輸送、處理等環節均存在較大的安全風險，為了實現RT0裝置的本質安全，在設計過程中要充分考慮處理廢氣的理化性質、危險特性，同時還要考慮收集、輸送、處置過程等各環節，以及RTO裝置燃燒器、風機、管道及安全閥、爆破片等安全設施選型和材質等方面產生的安全風險。

(1)RTO裝置安全設施應與主體工程執行“三同時”設計、施工并辦理安全、環保、職業健康、消防等手續。(2)RTO裝置現場部分電氣儀表設備應嚴格按照防爆等級設計，在爆炸危險區域選用防爆電氣，預防電氣火花引發火災事故的風險。(3)RTO裝置應設置PLC或DCS控制系統(視情況可設置安全儀表系統)，對風機、閥門、燃燒器、爐膛和廢氣管道等設備設施的關鍵參數進行實時監控和聯鎖。(4)RTO裝置關鍵設備的安全儀表系統應不低于SIL2標準設計。對RTO裝置內空間應杜絕出現爆炸性氣體，點火裝置啟動前應使用空氣徹底置換燃燒室內氣體，燃燒器與風機風壓形成聯鎖，風量不足禁止通入天然氣點火；采用火檢系統來檢測點火效果，一旦出現點火故障、混合氣體燃燒濃度不夠等情況，應當聯鎖切斷天然氣，同時再次置換系統內的有機氣體。(5)RTO裝置應設置UPS備用電源和儀表用氣的壓縮空氣儲氣罐。(6)RTO裝置應設置斷電、斷氣后進氣閥、排氣閥緊急關閉，防止煙囪效應引起蓄熱層下部溫度上升。(7) RTO裝置應在廢氣收集管道上安裝在線廢氣濃度檢測儀(總管或每一路支管)，廢氣經檢測儀至切斷閥的時間不低于10 s，確保出現高濃度廢氣后廢氣切斷閥有足夠的關閉時間。(8)RTO裝置要設計廢(尾)氣管道的防回燃(火)設施，特別是對于車間之間、區域之間、管道與RTO連接處等區域部位，應當對設置防止回燃(火)的單向止回、防火閥(阻火器)等安全裝置。(9)在RTO裝置廢氣收集管道和RTO設備進口等節點上安裝泄爆膜片。(10)在RTO裝置進口、泄爆膜片前和廢氣收集端設置阻火器，泄爆膜片壓力低于廢氣管道承受的壓力，以便爆炸發生后及時泄壓，減少損失。(11)RTO裝置進風、排風管道及風機應采用可導電材質，采取法蘭跨接、系統接地等措施，防止靜電產生和積聚。(12)對于濃度較高且含有低燃點物質的應急排空管道，嚴禁與高溫排空管道共用煙囪排放。(13)燃料供給系統應設置高低壓保護和泄漏報警裝置，蓄熱燃燒裝置應設置安全可靠的火焰控制系統、溫度監測系統、壓力控制系統等。(14)在密閉廠房內，應采用集氣罩、氣相軟管等設施，回收無組織排放的氣體，同時保持良好的通風，減少揮發物局部積聚現象。做好避免可燃有毒氣體積聚的風險分析，制定管控措施并嚴格落實，避免發生爆炸。

6 結語

RTO裝置是一種高效的低濃度有機廢氣處理設備，在醫藥、化工等領域有廣泛的應用前景，對低濃度廢氣處理效果顯著，可以實現氣體達標排放，在合理考慮各項安全防護措施后，能夠實現裝置的安全、穩定運行。