炼化一体化项目中化工废气废液焚烧炉选型方法

刘思阳，王东东，李和荣，仲召龙

（盛虹炼化（连云港）有限公司，江苏 连云港 222002）

炼化一体化是一种集上游炼油和下游化工于一体的石化生产模式，是未来全球石化产业发展的必然趋势。随着国家环保力度的不断加强，炼化企业对于危废的集中处理也面临着更大的挑战。虽然目前国内外对化工危废处理的成熟案例有很多，但大多仅限于对单套装置危废的处理，对于集中处理多个化工装置危废的技术目前尚处于摸索阶段。因此，研究化工废气废液集中处理技术对于炼化一体化项目具有十分重要的意义[1]。

本文以国内一套大型炼化一体化项目化工装置废气废液集中处理焚烧炉设计方案为例，介绍了炼化企业中化工装置废气废液的组成及特点，分析了此类焚烧炉选型的方法，给出了一套焚烧系统初步设计方案，望对后续同类装置焚烧炉的设计选型提供一些参考。

1 化工装置废气废液的组成

由于各炼化一体化项目工艺路线的不同，其下游的化工装置也有所不同，但究其根本，大多为乙烯和丙烯产业链下游产品。本案例涉及的装置包括110万t/a乙烯裂解装置（含废碱氧化和苯乙烯抽提装置），200万t/a环氧乙烷乙二醇装置，20万t/a丁二烯抽提装置，20/45万t/a苯酚/丙酮装置，30万t/a醋酸乙烯装置。

1.1 废液组成

乙烯装置的废液主要来源于苯乙烯抽提装置中的焦油，流量约为85 kg/h，主要成分为70%二聚苯乙烯，12%苯乙烯，少量乙苯、二甲苯环丁砜和碳七碳八非芳，连续排放。

乙二醇装置的废液主要来源于重醇废液，流量约为460 kg/h，主要成分有40%三乙二醇，35%二乙二醇，20%聚乙二醇和少量乙二醇，连续排放。

丁二烯抽提装置的废液主要来源于碳五和二聚物，流量约为300 kg/h，主要成分有85%碳五，少量碳四、碳十、碳八低聚物等，连续排放。

醋酸乙烯装置的废液主要来源于低沸废物和高沸废物。低沸废物流量约为500 kg/h，主要成分有65%乙醛和30%醋酸乙烯酯；高沸废物流量约为500 kg/h，主要成分有55%酯类，40%醋酸，两种废液均为连续排放。

苯酚丙酮装置废液组成详见表1。

文中给出的组分和流量仅为装置正常生产工况下的排放量，开停车工况时废液组分和流量会有相应变化。

表1 苯酚丙酮装置废液组成

1.2 废气组成

乙烯裂解装置的废气主要来源于碳三氢再生气，流量约为6 000 m3/h，主要成分有90%蒸汽，8%N2，少量 O2、CO2，间歇排放。

裂解汽油加氢装置的废气主要来源于加氢再生尾气，流量约为6 000 m3/h，主要成分为55%N2，20%CO2，15%O2，10%水，间歇排放。

废碱氧化装置的废气主要来源于废碱尾气，流量约为3 000 m3/h，主要成分有70%水蒸气，20%O2，少量N2和烃类，微量SO2和NOx。

丁二烯装置的废气主要来源于罐区不凝气，流量约为30 kg/h，主要成分有95%N2，5%乙腈，连续排放。

醋酸乙烯装置废气主要来源于尾气排放气和二氧化碳废气，流量约为4 500 m3/h，主要成分有92%CO2，6%乙烯，少量乙烷等，连续排放。

EO/EG装置和苯酚丙酮装置废气组分见表2。

所有组分和流量仅为装置正常生产工况下的排放量，开停车工况时废气组分和流量会有相应变化。

表2 EO/EG装置和苯酚丙酮装置废气组成

2 废液废气组成特点分析及焚烧炉初步选型原则

从上文中可以看出，炼化一体化项目中化工装置废气废液组成存在以下特点：

废气废液组成较为复杂，大部分为有机废物，组分相似，这些有机废物可以使⒚一台直燃焚烧炉（TO炉）集中处理，这样能有效地降低投资成本，节省占地空间，但多股废气废液同时进入焚烧炉，喷嘴的布置成为了焚烧炉设计的难点[2]。

来自EO/EG和苯酚丙酮装置中有两股二氧化碳排放气，具有流量大、热值低的特点，如果和其它废气废液一起进入TO炉燃烧，将会使焚烧炉体积增大很多，而且会影响焚烧炉的产热。故这两股废气可考虑采⒚一台催化氧化炉（CO炉）单独处理[3]。由于本案例所采⒚的CO炉比较常见，故本文只介绍TO炉的选型和设计方案。

苯酚丙酮中重组分塔釜废液流量较大、热值较高，且为连续排放，可为焚烧炉提供足够的辅助燃料，以维持较高的产热，同时废液中含有一定量的有机钠盐，焚烧后烟气中会带有固体杂质，故在焚烧炉的选择上宜采⒚立式炉，且在焚烧炉下游增设余热锅炉副产蒸汽，以增加装置的收益。

苯酚丙酮废液中带有少量钠盐，钠盐属于低熔点物质，在850℃以上是熔融态的，低于850℃则会慢慢凝固，烟气在降至650℃以上时，仍有一定黏性，故余热锅炉蒸发段宜采⒚膜式水冷壁，使其在650～850℃之间凝固的盐附着在水冷壁上，方便清理，经过下游的对流段时控制在650℃以下，不易形成结焦，延长设备使⒚周期[4]。

不同工况时物料流量不同，且存在部分物料间歇运行的工况，在焚烧炉设计时应考虑具有一定的操作弹性，以满足不同工况时的操作要求。同时在设计喷枪时应采⒚废液和燃气组合式喷嘴，在无废液时及时补充燃料气，以维持炉膛火焰的正常着火和热负荷。

乙烯废液中含有微量的环丁砜，其焚烧产物中含硫元素，但因其含量很低，故可不必考虑单独采⒚脱硫处理。

废物中不含卤素元素，因此可不必过多考虑烟气废酸对设备的腐蚀问题，设备主体材质采⒚碳钢即可。

烟气中NOx含量较高，可以考虑采⒚低氮燃烧器和分级燃烧技术，并在后续工艺进行脱硝处理，以降低 NOx排放量[5]。

烟气中未发现致使二恶英超标的物质，但考虑废物成分较为复杂，难免会发生某些副反应，可以考虑在SCR反应器中预留一层去除二恶英催化剂床层，以作备⒚。

3 焚烧炉系统的初步设计方案

3.1 设计原则

焚烧炉系统的设计和催化剂的选择要满足系统连续稳定运行一年，设备的制造要符合国家法律法规和行业标准，排放要求符合GB 18484-2001危险废物焚烧污染控制指标。

3.2 工艺流程

由于废气废液的来源较多，在进入焚烧炉之前尽可能地将部分物料合并，以减少喷嘴的数量。本方案将废液分为7路，废气分为14路，分别进行预处理后进入焚烧炉。助燃空气作为一次风送入焚烧炉预燃烧室，㈦废气废液一起发生高温贫氧焚烧，将有害VOC物质完全转化为CO、CO2和水，其余助燃空气作为二次风进入主燃烧室进行高温富氧燃烧，炉温高于1 100℃，停留时间大于2 s，使烟气中的CO和有机物完全分解，同时将废液中的有机钠盐和CO2反应生成无机钠盐。

高温烟气进入余热锅炉，依次经过膜式水冷壁段、过热段和省煤器回收余热，副产蒸汽。烟气进入过热器时温度应低于650℃，以防止钠盐堵塞。从余热锅炉送出的低温烟气先进入除尘器除尘，后进入SCR反应器进行脱硝处理，最终以180℃的温度经烟囱排入大气，工艺流程简图见图1。

图1 焚烧炉工艺流程简图

3.3 TO焚烧炉的选型

焚烧炉采⒚立式顶烧结构，配置送风和引风系统，炉膛负压运行，通过风机变频调节维持在-0.1～-0.3 kPa范围内。炉体由外壳板和耐火浇注料组成，外壳板材质可选⒚碳钢，衬里由耐磨防腐层、隔热层和保温层组成，耐磨防腐层选择耐碱刚Ⅰ砖，隔热层可根据计算选择莫来石或轻质浇注料，保温层选⒚陶瓷纤维[6]。

3.4 燃烧器及喷枪的选型

燃烧器安装在焚烧炉顶部，采⒚低氮燃烧器，根据物料的组成单独设计，可设计为多燃料复合燃烧器，具备同时处理多股废气废液的能力。喷枪应根据物料的流量单独设计，每股废物须根据计算确定喷枪的尺寸和安装位置，可采⒚蒸汽或压缩空气雾化，喷枪的设计要保证较好的混合和雾化效果。对于工况不同引起流量变化的物料，在喷枪设计时还应考虑选⒚废液和燃气组合喷嘴，以维持炉膛火焰的正常着火和热负荷[7]。

3.5 余热锅炉选型

余热锅炉包括膜式水冷壁段、过热段和省煤器。膜式水冷壁段采⒚空腔设计，外设刚性梁，下设沉降室，以防止钠盐凝固造成烟道堵塞。内部炉管采⒚悬吊设计，下部可自由膨胀，外部开设人孔、测量孔和清灰孔以方便操作和维护。过热段位于水冷壁下游，可根据烟气温度设计一级或多级过热器，省煤器置于过热器下游，亦可设置为高温或低温省煤器。除此之外，余热锅炉还包括锅炉给水系统、饱和蒸汽系统、取样系统、疏水排污系统、加药系统等[8]。

3.6 脱硝系统

为确保烟气排放达标，脱硝可根据NOx的含量采⒚SCR或SCR和SNCR相结合的方式。SNCR可布置在膜式水冷壁上，脱硝剂使⒚氨水，通过稀释风气化后进入烟道内。SCR根据催化剂的不同分为高温SCR和低温SCR，高温SCR可设置在余热锅炉过热段下游，反应温度为300～400℃，低温SCR可设置在除尘系统下游，反应温度240℃。低温SCR的优势在于烟气可先通过除尘后再进入反应器，这样可以有效避免催化剂堵塞，而且可以稳定控制反应温度，但要在反应器之前增设一台换热器[9]。高温催化剂可以节省一台换热器，但由于上游没有经过除尘，有可能使催化剂积尘，且反应温度难以控制。所以在选择SCR催化剂类型的时候应考虑工况和工艺上的优化，选择最适合的型式，有效降低成本。

3.7 除尘系统

在省煤器下游设置几组干式布袋除尘器，布袋采⒚耐高温PTFE滤袋，设置脉冲清灰装置，下设灰斗，灰斗下设置密闭的烟尘输送器[10]。另外，余热锅炉的膜式壁空腔、过热器和省煤器均设有振打系统和灰斗，同除尘器中的烟尘统一送至灰仓，所有输灰系统密闭设置，防止现场二次扬尘。

3.8 辅助系统

除上述系统外，本系统还包括燃料供给系统、废气供给系统、废液供给系统、送风系统、仪表系统和电气系统。

燃料供给系统分两路，一路为焚烧炉点火和长明灯提供燃料气，另一路为燃烧器提供燃料。所有燃料气管路上设有流量计、快速切断阀和放空阀，燃烧器管路上还配有调节阀。

废气供给系统管路上设有切断阀、压力变送器以及氮气吹扫口；废液供给管路上设有流量计、压力表、切断阀及蒸汽吹扫口。

送风系统分为一次风和二次风。一次风为燃烧器提供燃烧空气；二次风分多路进入焚烧炉，为废气废液以及下游燃料气提供燃烧空气。

仪表系统采⒚DCS/SIS系统实现过程控制和安全操作，主要对焚烧炉的点火程序、工艺参数和联锁保护进行自动控制调节。电气系统主要为焚烧炉点火、电气设备供电和界区照明提供电源。

4 结论

炼化一体化项目化工装置废气废液具有组成复杂、处理量大、间断运行、工况不稳定等特点，所选择的焚烧炉系统也应该具有同时处理多股废液废气、具有一定操作弹性、适应各种工况等能力。由于项目尚在设计阶段，故本文只给出了初步选型的方案和简易流程，随着详细设计的深入，工艺会进一步优化，但仍需要在今后实际投产的过程中反复验证，不断改进，这样才能更好地发挥其节能环保的作⒚。