挥发性气体深冷冷凝回收系统设计

孟丽莉，裴玉庆

（山西阳煤化工工程有限公司，山西 太原 030021）

0 引 言

自2017 年以来，环保形势日益严峻，国家将VOCs 纳入《大气污染防治法》监管范围，各级环保部门要求对VOCs 限期进行治理。

根据政府办公厅下发的《2018 年大气污染防治行动计划通知》中提到加快推进重点行业VOCs综合治理，全面完成《重点行业挥发性有机物综合治理方案》。

某乙二醇厂的产品罐区未安装挥发性有机气体回收装置，本文针对此厂区情况，为其设计挥发性有机气体深冷冷凝回收装置，此设计既提高了产品回收量，提升经济效益的同时，极大的改善了环境空气质量，积极响应国家政策。

1 项目概况

本项目VOCs 主要来源于产品储罐区，VOCs储罐区一览表见表1。

表1 VOCs 储罐区一览表Table 1 List of VOCs tank farm

根据生产工况确定本罐区所涉及的有机液体储罐同时最大工作进料量为150 m3/h，兼顾罐区由温差引起的小呼吸，综合计算罐区回收量为180 m3/h，本设计回收装置作业量为200 m3/h。

本罐区挥发的主要有机物为乙二醇和甲醇，甲醇在-80 ℃时，蒸汽浓度为35 mg/m3；乙二醇在-35 ℃时蒸汽浓度为26 mg/m3。

由于本厂的罐区废气中VOCs 含量较高，回收后可与原有的杂醇混合作为产品出售，具有一定的经济价值。

因此，本次罐区废气回收采用“冷凝+吸收”组合工艺进行处理。

2 工程设计

根据储罐区VOCs 特性及排放流量，结合装置的回收处理能力和安全性考虑，对储罐区VOCs 的回收装置采用冷凝+吸收组合工艺。收集的VOCs气体直接输送到回收处理装置的冷凝单元，尚未液化的余气进入吸收单元。冷凝单元由三级制冷机组及四段冷凝换热器组成；吸收单元由2 台吸收塔、阀门和循环泵等组成。

2.1 尾气冷凝单元

根据尾气空气混合气中各组分不同的饱和温度、国家法规规定的回收率及尾气排放浓度限值，确定冷凝工况的温度，采用分段连续冷却的方法降低有机尾气温度，使挥发的有机物组分达到从气态到液态相变的过饱和状态，从而直接得到回收的液态有机物。

尾气冷凝单元设置分段冷凝的换热器，由前置级、第一级浅冷级3 ℃、第二级中冷级-35 ℃和第三级深冷级-80 ℃4 个冷凝段组成。由引风机经过密闭管道收集并输送到回收处理装置的挥发尾气，首先经前置换热器，将第三级深冷级-80 ℃的冷箱排出的低温余气与进入装置的常温尾气进行热交换，使进入装置的尾气初步降温5～10 ℃，该冷箱没有设计制冷机组。然后进入第二个冷箱由第一级制冷机组提供冷量，将初步降温的尾气冷凝到3℃，大部分有机物和水气降温冷凝液化。未凝结的少量余气进入与第二级制冷机组对应的第三段冷凝箱，继续降温冷凝降温到-35 ℃。最后，第三级深冷，从-35 ℃降到-80 ℃将大多数的有机物组分冷凝液化，冷凝残留浓度达到标准规定排放限值范围。

经过多级冷凝之后尚未液化的余气进入吸收单元的吸收塔，余气中的有机气组分被吸收塔中的吸收剂拦截，待吸收剂接近吸收平衡时，更换吸收剂为新鲜液体。吸收了有机物的吸收剂进入废水处理系统。

针对乙二醇凝固点较高问题，本设计一是采用大片距（12 mm） 板式换热器，大片距板式换热器的结霜周期时间比普通换热器多一倍。二是设置了气道压降控制的融霜设施，当气道管路压降＞2 500 Pa 时，启动融霜系统快速融霜；当气道压降＞3 000 Pa 时，切换排气热量至换热器内，快速升温融霜，完全可以避免通道堵塞问题。

2.2 尾气吸收单元

尾气吸收单元由2 个吸收塔和3 台循环泵组成。2 个吸收塔分别担任一级吸收和二级吸收的操作。吸收塔塔顶气最后经过除雾器排放，使尾气经过多次处理后达标排放。

净化处理后的尾气，非甲烷总烃含量＜80 mg/m3，转化率≥97%，甲醇含量＜50 mg/m3，乙二醇含量＜50 mg/m3。暂存罐内的回收物达到设定液位时，抽出送回到混合醇储罐中。

根据收集的VOCs 气体特性，本设计所有收集VOCs 气体的管道材质选用0Cr18Ni9 不锈钢管。

3 安全设施设计

（1） 本设计配置在现场的动设备、电气、仪表、控制系统等选用防爆产品，防爆等级为EXdⅡCT4，防护等级≥IP65。对各相关设备及管道设置防雷及防静电接地系统。

（2） VOCs 挥发气回收处理装置设计了以PLC控制器为控制核心的自控系统，可以根据设定的条件实现VOCs 挥发气回收装置自动开和停，无人值守。

（3） 根据储运系统发油泵开启的状况或VOCs 挥发气在输送管路传输压力变化状态，选择启动与停机运行。设定控制值：当输送管路传输压力≥微正压100 Pa 时引风机启动，将VOCs 气体增压送入撬装系统；当输送管路传输压力≤微正压50 Pa 时引风机停机。

（4） 本设计装置设置了报警和联锁装置，当出现异常时，会立即报警，严重时自动联锁停机。装置现场设有紧急停机按钮，控制系统也可遥控紧急停机。

（5） 所有动设备均有常规保护配置，对过压过流过热状态实时监控，有异常情况会报警，同时控制系统会给出停机或呼唤信号。

（6） 制冷压缩机排气压、回气压、油压都有监控仪表实时监测，在设定值临界（上下限） 给出控制动作（停机） 并报警。

（7） 吸收塔设置液位检测和报警联锁、循环泵运行状况监控和联锁等多重控制，当1 台泵出现故障报警后，切换到备用泵运行，故障泵维修后恢复运行状态。

（8） 在每个储罐的接出口处设置单呼阀和全天候防爆轰阻火器，使气体只能呼出不能呼入，从而防止气体倒流罐引发危险；在罐区油气回收总管上设置在线氧分析仪，实时监测排出气体中的氧含量，氧含量≥3%时，就会进行声光报警。净化后的尾气采用15 m 高空排放措施，并设置阻火器。

（9） 当系统停电时，系统内所有电气设备均停机。此时，进口电动阀自动关闭，压力真空安全阀自动打开，将尾气高空放散。

（10） 吸收塔吸收的是冷凝到-80 ℃后的低温有机气体，低温下吸收处理更安全并能够改善吸收工况，以规避吸收热效应带来的安全隐患，提高吸收效率。

回收装置工艺流程如图1 所示。

图1 回收装置工艺流程Fig.1 Process flowchart of recovery unit

4 结 语

乙二醇储罐区排放的有机气体经过“冷凝+吸收”组合技术处理后，终端尾气通过高15 m 烟囱排放，排放尾气中非甲烷总烃排放浓度≤80 mg/m3，处理效率≥97%。

甲醇排放浓度≤50 mg/m3，乙二醇排排放浓度≤50 mg/m3，可以满足《石油化学工业污染物排放标准》 （GB31571-2015） 及 《VOCs 无组织排放控制标准》 （GB37822-2019） 要求，满足环保部门排放限值要求。

本设计不仅提高了产品回收量，提升了经济效益，而且极大的改善了环境空气质量，积极响应国家政策。