RTO+SCR一體化技術在廢氣處理中的應用

摘 要 某精細化工企業排放的廢氣具有種類多、成分復雜、濃度高及風量大等特點，結合廢氣中的成分，采用蓄熱式氧化焚燒爐（RTO）+選擇性催化還原技術（SCR）的廢氣處理工藝、廢氣緩沖稀釋和煙氣余熱利用裝置，系統投運后運行穩定，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定，可直接排放，同時提高了企業環保治理水平，改善了周邊環境。

關鍵詞 廢氣處理 VOCs RTO SCR 蓄熱室 燃燒室

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

隨著我國精細化工產業的迅猛發展，在中間體合成、成品及半成品加工過程中會產生大量的工業廢氣，廢氣中的揮發性有機物（VOCs）嚴重危害周邊環境和人體健康。國家為徹底治理VOCs環境污染問題，相繼出臺了多個法律法規［1］。按照相關規定，VOCs必須經過處理并達標后才能排放。目前國內治理VOCs的處理工藝主要技術為吸附法、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、風量大、種類繁多及成分復雜等特點，單一的處理方法很難將其處理徹底，實現穩定的達標排放。

筆者以某精細化工企業排放的工業廢氣為研究對象，采用蓄熱式氧化焚燒爐（Regenerative Thermal Oxidizer，RTO）與選擇性催化還原技術（Selective Catalytic Reduction，SCR）相結合的處理方法，工業廢氣在RTO爐中經過高溫焚燒氧化反應，使廢氣中的VOCs與O2發生熱分解反應，生成H2O和CO2，能有效去除企業生產過程中產生的VOCs和惡性臭味［4］。SCR脫銷技術是一種以NH3為還原劑，將運行系統中出現的NOx氣體轉化為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、運行穩定以及能耗低等優點，在精細化工行業中的應用越來越廣泛。

1 裝置介紹及工藝選擇

以某精細化工企業為例，在成品、半成品及中間體的合成加工過程中，車間生產區、原材料罐區、包裝等區域排放的工業廢氣經過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，經統計測算，該企業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，必須預處理以后才能進入RTO裝置焚燒處理［6］。由于企業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，會產生大量的NOx氣體，它是形成光化學煙霧和酸雨的一個重要原因，會對人體和環境產生極大危害，所以必須經過SCR脫硝系統處理達標后才能排放。

企業按照國家標準GB 31571—2015《石油化學工業污染物排放標準》和地方性規定DB 37/2801.6—2018《揮發性有機物排放標準 第6部分：有機化工行業》、DB37/2376—2019《區域性大氣污染物綜合排放標準》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，并從本質安全、經濟性角度綜合考慮，經測算，擬采用設計風量60 000 Nm3/h的三室RTO和SCR反應器作為核心設備對廢氣進行處理。

2 工藝流程設計與分析

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

2.1 廢氣稀釋緩沖系統

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，存在爆炸風險，所以廢氣在進入RTO焚燒爐前需要先進行預處理和稀釋緩沖［7］。企業先將各個區域排放的廢氣分別經過二級洗滌塔噴淋吸收裝置、冷凝吸附等設施，除去了廢氣中混有的粉塵顆粒、水溶性有機成分等物質，可減輕對下游設備、管道、閥門等的腐蝕。然后再將預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主管道上設置風量60 000 Nm3/h、風壓5 000 Pa的防爆變頻增壓引風機，使緩沖罐和主管道內部形成負壓，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置了用于實時監測廢氣中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、節省燃料減小運行成本［6］ 。另外，在緩沖罐后面的主管道上設有?1 200 mm的緊急泄放旁路，以嚴格控制進入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定的安全值時，緊急泄放閥門通過聯鎖控制系統及時打開，廢氣進入備用處理系統，避免高濃度廢氣直接進入RTO裝置引發安全事故，保證系統平穩、安全的運行。

2.2 三室RTO系統

該企業采用的60 000 Nm3/h三室RTO系統主體結構由蓄熱室、燃燒室、切換閥、燃燒器及電氣控制系統等組成。

2.2.1 RTO主體結構

蓄熱室是高溫煙氣和廢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，室內均填充有高度1.9 m的DX型規整蓄熱蜂窩陶瓷填料，其作用是將高溫煙氣中的熱量蓄存起來，傳遞給低溫的廢氣，使廢氣得到充分預熱，將廢氣加熱到所需的預熱溫度，進入爐膛后能快速焚燒分解，實現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，燃燒室一側配置兩臺用于系統預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自動控制和比例調節，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，煙氣停留時間設為1.5～2.0 s，保證廢氣中的VOCs在燃燒室內得到充分燃燒分解，保證較高VOCs去除率［8，9］。當廢氣中的VOCs濃度較高時，其燃燒分解放出的熱量較多，系統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余熱，接入支路連接余熱鍋爐或SCR脫硝系統。燃燒室和蓄熱室的內壁均襯有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，該系統配備了一臺風量6 000 Nm3/h、風壓5 000 Pa的助燃風機和一臺風量5 800 Nm3/h、風壓7 500 Pa的吹掃風機，為防止出現廢氣進口濃度高、火焰燃燒中斷、爐膛及排煙溫度過高、風機故障等現象，又配備了帶有聯鎖前饋控制功能的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置了現場與遠傳聯鎖控制的壓力表、溫度表等，以實時監測系統運行的壓力和溫度。另外為防止因廢氣濃度過高，系統運行出現異常，導致燃燒室存在超溫超壓的風險，在廢氣主管道上和RTO爐燃燒室頂端設置了?900 mm的爆破片和阻火器，保證爐膛超壓時系統不受破壞［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裝置正常工作時經過冷啟動預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熱狀態，需先對爐體進行預熱，預熱階段廢氣進口切斷閥關閉，向燃燒室通入新鮮空氣，進出氣閥門自動切換，吹掃風機打開，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部的殘留有機廢氣，以免在點火時發生危險。吹掃結束后通過PLC電氣控制開啟燃燒系統，燃燒器系統自動點火，蓄熱陶瓷填充床的溫度逐漸升高，待燃燒室內溫度升至650 ℃左右時預熱階段完畢［11，12］。

預熱結束后RTO裝置開始進入周期性循環運行狀態，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為90 s［13］，經預處理和稀釋以后的廢氣由增壓風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，形成的熱風進入蓄熱室B進行蓄熱，蓄熱室C下側的吹掃切換閥打開進行爐膛吹掃。在過程控制系統的自動控制下，焚燒爐通過蓄熱室下側切換閥的周期性切換，依次輪流進行進氣、吹掃、排氣環節，控制廢氣在蓄熱室填料層的流入和流出，使系統周期性的完成蓄熱、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見表2。

2.3 SCR脫硝系統及工作原理

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

NH3作為該系統脫硝反應的還原劑，以液體形態儲存于0.5 m3氨水罐中，經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反應器經催化劑進行脫硝反應，另外，為防止銨鹽、飛灰小顆粒沉積在催化劑小孔內引起催化劑鈍化，阻礙NOx、NH3、O2到達催化劑活性表面，在SCR反應器內設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，未達到脫硝反應催化劑最大活性的溫度，由圖1可知，煙氣在進入SCR反應器之前的管道上分別設置了75 m2列管式換熱器、10 m3氣體混合罐，在RTO裝置燃燒室一側設置了由溫度聯鎖切斷閥控制的高溫煙氣支路。SCR反應器完成脫硝反應后的煙氣溫度在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再與RTO裝置燃燒室支路引入的高溫煙氣進行混合，保證進入SCR反應器的煙氣溫度達到脫硝反應催化劑所需最大活性溫度200 ℃，SCR反應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、風壓4 500 Pa的防爆變頻引風機抽走接入高度35 m、直徑1 200 mm的煙囪進行排放，節省了燃料，降低了企業運行成本。

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測系統對RTO裝置排放煙氣中非甲烷總烴濃度和NOx濃度進行了3輪監測，每一輪監測數據為8 h內一個班次的排放均值，計算得到相應的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準規定，VOCs去除效率保持在99.23%左右，大幅減少了廢氣中VOCs的排放，實現了對VOCs的高效凈化，可穩定達標排放。

4 結束語

精細化工企業排放的廢氣具有濃度高、種類復雜、濃度波動大的特點，單一的處理方法很難將其徹底處理，實現穩定的達標排放。作為一種凈化效率高、熱回收效率高、能耗低、運行穩定的VOCs處理設施，企業根據廢氣實際排放特點選用RTO與SCR一體化技術工藝流程，對預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定，且該組合工藝處理過程具有高效、節能的優勢，值得被廣泛推廣應用。

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（收稿日期：2023-08-24，修回日期：2024-07-11）