废气废液焚烧装置在煤制乙二醇工程中应用

2022-06-14李成科苏子义王冠之王丰丰

广州化工 2022年10期

李成科，苏子义，王冠之，王丰丰

(陕煤集团榆林化学有限责任公司，陕西榆林 719000)

随着国内工业化进程不断发展，工业废气、废液污染问题成为阻碍工业产业进步发展的重要原因，也切实对人类生活环境造成影响。在相关产业的实际生产和发展中，废气、废液或其他污染物没有进行科学合理的处理，会造成自然生态环境污染，自然生态平衡受到破坏，严重情况下还会损害人类身体健康。因此，我国颁布了一系列环境保护法律，以有效规范工业废物的排放，进一步实施可持续发展战略。在社会各界对工业污染问题越来越重视的同时，具体企业也开始对其废气废液排放问题进行深入探讨，提高废气废液治理水平，有效促进工业产业可持续发展[1]。

1 煤制乙二醇废气废液来源及处理现状

近年来煤制乙二醇行业的迅速发展，乙二醇装置不断放大，副产的废气、废液体量不断增大，成为了企业现今面临的巨大环保问题，对于其综合就地处理利用势在必行。

1.1 废气废液来源

煤制乙二醇过程中主要的废气来源有乙二醇驰放气氢回收系统解析气、MN回收塔尾气、液相加氢废气、乙二醇合成低压闪蒸槽闪蒸气以及煤制乙二醇VOCs装置排放气，其废气组成及排放量见表1。主要的废液来源有DMC回收工段产生的DMC轻馏分、DMC重组分，DMO精馏工段产生DMO重组、回收MF，乙二醇精馏工段产生的乙醇产品塔废液、乙二醇火炬凝液，其废液组成及排放量见表2。

由表1和表2可知，煤制乙二醇过程中产生的废气、废液成分较为复杂，大部分为有机废物，具有有毒有害，易燃易爆，环境污染大，人体伤害性强等特性，且排放量较大，直接排放到大气或环境中，会带来较大的环境破坏，严重时会造成人体伤害。

表1 废气组成及排放量

表2 废液组成及排放量

1.2 废气废液处理现状

草酸二甲酯、乙二醇生产过程中不可避免的会产生VOCs气体和危险化学废液，目前国内乙二醇厂对于VOCs气体主要是火炬燃烧之后排放大气处理，对于工艺中产生危险废液如轻馏分、杂醇油、DMO重组分、DMC重组分、EG重馏分等，只有部分容易分离的废液经过二次精馏提纯回收，大部分分离难度较大、成分复杂、技术要求高、能源消耗高的废液委托危废处理公司进行处理，其中产生的处理费用和危废厂家处理能力尚不能满足原有生产能力的要求，处置需求与能力不足之间的矛盾日益突出，对草酸二甲酯及乙二醇产能扩大造成制约。

通过目前现状研究和实践经验，相关人员发现焚烧法对于废气、废液的处理尤为显著，且针对废气废液的联合焚烧处理已经初步得到成效。吴文生[2]早在2003年将BHK废气废液处理技术在安庆石化丙烯腈装置中进行应用，有效减少丙烯腈生产过程中有毒有害物质的排放，降低了温室气体的排放，同时显著降低丙烯腈装置的综合能耗。罗秀朋等[3]将焚烧装置用于处理蛋氨酸生产过程中产生的废气废液，运行中该装置具有高效、环保、可操作性强、处理量可长期维持满负荷以及对工况的匹配性好等优点。张晓东等[4]将废气废液焚烧联合蒸汽过热技术在100万t/a合成气制乙二醇装置中应用，既能解决蒸汽过热后再利用的问题，又能解决废气废液焚烧处理的环保问题，优势显著，且过热蒸汽需要的天然气量降低了，NOx生成减少了，又提高了系统热效率，更经济节能。赵会兵[5]对化工厂废液、废气处理进行研究发现，热力燃烧法是非常有效的一种途径，不但能彻底消除有机物，使VOC达标排放，而且焚烧产生的热量也能被利用。

对于有机废气废液的处理，国内通常采用高温焚烧法，将废气废液高温焚烧处理尽其中的有害物质，再进行余热回收和烟气治理，最终实现达标排放、热能回收目的。因此，在大型煤制乙二醇工艺中使用废气废液焚烧装置，一方面，在保证该公司草酸二甲酯、乙二醇装置正常运行的前提下可以解决全厂有机废液的出路问题，且能够回收大量能源，为企业带来了较大的经济效益，成为推动化工行业可持续发展的新的经济增长点；另一方面，企业的环保状况将得到极大的改善，可显著提高企业周边的环境质量，社会效益尤其显著[6]。

2 煤制乙二醇废气废液联合焚烧技术及工艺流程

2.1 废气废液焚烧装置简介

本装置对“陕煤榆林化学180万吨/年乙二醇工程”排放的废气、废液(水)进行焚烧及无害化处理。根据处理能力和其他技术要求，本项目设置两套焚烧系统，一套烟气处理系统。本系统处理能力大、效率高、热量利用合理、自动化程度高，工艺方案及选材合理，通过相应的净化处理工艺保证烟气排放符合环保要求(兼顾 GB31571-2015《石油化学工业污染物排放标准》、GB 18484-2001)，整个工艺系统先进、成熟、可靠、安全，具有较高的实用性和经济性。可以实现废气处理量为22886 Nm3/h，废液处理量为14650 kg/h，每小时可回收中压蒸汽(3.5 MPa，245 ℃)100 t/h。

2.2 工艺流程简介

煤制乙二醇工程废气、废液焚烧装置工艺过程包括：废气废液输送系统、焚烧炉系统、余热回收系统、SNCR脱硝系统、SCR脱硝系统、锅炉给水预热系统、空气预热系统、引风排烟系统、烟气在线监测系统、燃料系统及所有的设备、管道、配电系统及自控系统。煤制乙二醇工程废气、废液焚烧装置流程如图1所示。

图1 煤制乙二醇工程废气、废液焚烧装置流程

废气、废液经管道输送至焚烧装置界区内废气、废液缓冲罐，废气由管道送至焚烧炉内，废液由泵送至焚烧炉进行焚烧。焚烧炉产生的1226 ℃高温烟气送至余热锅炉，烟气经水保护段降温至1100 ℃，通过SNCR喷枪喷入20%浓度氨水，初步脱除烟气中NOx，烟气继续与余热锅炉膜式壁+管束进行换热，将烟气温度降至380 ℃，副产3.5 MPa饱和蒸汽。烟气继续进入SCR反应器，烟气中的NOx与还原剂(浓度为20%的氨水)在催化剂层表面进行选择性反应，达到进一步脱除烟气中NOx的目的。经SCR脱硝后的烟气依次进入锅炉给水预热器、空气预热器，进一步回收烟气中热量，锅炉给水预热后去余热锅炉汽包，预热空气去焚烧炉助燃，烟气经引风机送至烟囱排放。

2.3 工艺技术特点及主要设备

采用直接燃烧法，以一定的过剩空气与被处理的废气废液在焚烧炉中进行氧化反应，废物中的有害物质在高温下催化、氧化、分解而被破坏，使有害物质转化成无害物质后放空，避免了环境污染，同时可利用焚烧的高温烟气的余热产生蒸汽。其工艺技术具有如下特点：根据该项目处理的废气、废液特性中硝酸根离子含量高的特性，结合在废气、废液焚烧处置过程中产生的烟气种类、浓度，本项目烟气处理采用SNCR+SCR脱硝组合工艺，确保尾气中NOx小于35 mg/m3，排放烟气污染物成分及浓度完全满足排放标准；能够同时焚烧有机物含量很低的废气和废液；采用强旋流燃烧技术，废气、废液中的可燃成分能完全燃烧并且可降低助燃用的燃料量；利用氨水的还原性，还原燃烧过程中产生的氮氧化物，减少其了排放量；充分利用燃烧后高温烟气中余热，副产蒸汽，节约了能源消耗。

2.3.1 焚烧炉

燃烧采用3T+E的原则(温度、时间、涡流+空气过剩系数)。焚烧炉为立式焚烧炉，控制温度在1100 ℃左右，烟气流速控制在3～5 m/s，同时保证烟气在炉膛内停留时间在2 s以上。烟气在整个焚烧炉内由上往下做旋转流动，增强了湍流强度，有利于燃烧的组织，同时增加了烟气的停留时间，有利于有机废液的燃尽。

2.3.2 燃烧器

废气燃烧器采用同轴式多通道强旋流燃烧器，燃烧稳定性好，燃烧效率高。废液燃烧器采用强旋流燃烧器，能够有效的形成回流区，卷吸雾滴，增大停留时间。废气燃烧器布置在焚烧炉顶部，废液燃烧器均匀的布置在炉身上，与轴线夹角45°布置，这样实现了废气和废液的单独燃烧，削弱了物料波动对燃烧稳定性的影响。废气燃烧器的旋转方向和废液燃烧器形成的切圆方向一致，能够最大程度的增强烟气掺混，增强炉内热稳定性，极大的延长烟气停留时间，提高燃烧效率。为保证燃烧过程稳定进行，在烧嘴的出口处均设置了相应的稳焰器以稳定火焰。

2.3.3 废液喷枪

量取30 mL酒于分液漏斗中，加入纯净水降度至5%vol，加入适量NaCl饱和。再加入50 mL CH2Cl2，振荡萃取20 min，收集有机相；重复以上步骤1次，合并有机相，无水Na2SO4干燥，温和氮气吹扫浓缩至0.5 mL。

为了得到较好的雾化质量，提高燃烧效率，一般采用气动雾化喷嘴。气动雾化喷嘴利用高速气流与液体相撞，最终破碎为细小的雾滴。相比于机械式雾化喷嘴，气动雾化喷嘴的优势在于所需供应压力小，雾化粒径小，雾滴出口速度小，炉内停留时间长等。废液喷嘴使用空气辅助雾化，提高雾化质量和均匀度，高温烟气与废液喷雾场相互作用，促进掺混，加快废液的蒸发和分解速度。

2.3.4 余热锅炉

余热锅炉科学地配置锅炉各部分受热面，同时采用具有高效传热性能的膜式水冷壁结构，并利用尾迹旋涡理论有效组织烟气的三维强湍流动力场，强化锅炉传热，减少锅炉漏风，提高了锅炉的热效率。高温烟气与水冷壁换热后温度降至380 ℃，冷却后的烟气经过出口烟道进入SCR脱硝系统。系统热源来自焚烧炉排出的烟气，锅炉给水经锅炉给水预热器预热后进入锅筒，然后经水冷壁下降管流入下集箱，水冷壁的导管从下集箱引向上集箱，经过辐射和对流换热变为饱和蒸汽，再引回锅筒，饱和蒸汽在汽水分离装置作用下从锅筒引出，通过主蒸汽管送至界外蒸汽管网。

2.3.5 SNCR+SCR脱硝技术

初步脱硝拟采用非催化法(SNCR法)脱除烟气中的NOx。脱硝设置在焚烧炉出口烟道上，用液氨制备浓度为20%的氨水，经氨水泵送入焚烧炉出口烟道脱硝喷枪，烟气与浓度为20%的氨水充分混合，烟气中NOx组分在O2的存在下与NH3发生还原反应，脱硝效率设计为>60%。完成初步脱硝之后烟气经余热锅炉后进入SCR反应器进一步脱硝。SCR脱硝系统设置1级反应器，催化剂布置采用“3+1”方式，即安装三层，预留一层。SCR脱硝效率设计为>90%，通过此系统后，烟气中NOx能够完全满足环保排放要求。

3 技术分析及评价

3.1 环保技术分析及评价

废气、废液经焚烧之后烟气组成指标详见表3。从表3中可知，烟气排放符合(兼顾《石油化学工业污染物排放标准》GB31571-2015、GB 18484-2001)所规定的指标要求。

表3 排放烟气污染物成分及浓度

本装置燃烧效率≥99.9%，且烟囱上安装烟气在线监测装置，烟气排放温度高于露点20 ℃以上，最终所排烟气不带水汽，不冒白烟、黑烟、黄烟或拖尾。

3.1.2 固废排放

本项目无燃烧残渣产生，固废主要为SCR废催化剂，由SCR催化剂供货方负责回收。

3.1.3 废水排放

本项目产生的废水主要为设备及地面冲洗水等，将排入污水管网送至界外污水站集中处理。

3.1.4 噪声排放

本项目噪声主要来自风机、泵等各种生产设备噪声。采取的隔声降噪措施有：采用低噪声设备、加装消声器或隔音罩等。噪声排放符合《工业企业厂界环境噪声排放标准》(GB12348-2008)3类标准。

3.2 温室气体排放及运行成本分析

根据系统设计要求，对废气、废液焚烧装置工艺消耗进行核算，按照GB/T32151.10-2015《工业企业温室气体排放核算与报告要求》及其他项目装置运行情况，对工艺消耗所带来的二氧化碳排放量进行核算，且根据市场价格对运行成本进行计算。其工艺消耗及CO2排放量和装置运行费用见表4。

表4 工艺消耗指标及CO2排放量与装置运行费用

本废气废液焚烧装置利用余热副产3.5 MPaG、241 ℃中压饱和蒸汽100 t/h。如果不利于余热，通过热电标准燃煤生产该蒸汽需要消耗标煤47.32 kg/t，按照GB/T32151.10-2015《工业企业温室气体排放核算与报告要求》对二氧化碳排放量进行核算，用标煤生产该蒸汽排放CO2为118.11 kg/t，100t蒸汽需要排放CO2为11811 kg/h。由表4可知，180万吨/年煤制乙二醇工程废气、废液焚烧装置的工艺消耗所排放的CO2量为3679 kg/h，由于废气、废液在处理过程中排放CO2是必然存在的，不计入工艺消耗所产生的CO2排放中。CO2的减排量为：

11811-3679=8132 kg/h，全年运行时间按8000 h算，可减排CO2为65056 t/年。由此可知，废气、废液焚烧装置的使用可实现温室气体减排，带来一定的环境效益。

在不考虑设备折旧、人工成本的前提下，由表4可知，180万吨/年煤制乙二醇工程废气、废液焚烧装置的运行总费用为5432元/h。副产3.5 MPaG饱和蒸汽量100 t/h，市场价格按100元/t计算，可产生附加值为10000元/h。节约生产成本为：10000-8455=1545元/h，全年运行时间按8000 h算，可节约生产成本1236万元/年。由此可知，废气、废液焚烧装置的使用可以显著降低乙二醇工程的生产成本，有较好的经济效益。