农药行业有机废气蓄热焚烧炉RTO设计要点探讨

2022-11-25张旭

辽宁化工 2022年8期

张旭

（沈阳科创化学品有限公司，辽宁沈阳 110143）

1 农药行业废气特点

我国是农业大国，农业对农药行业发展有一定的依赖，农药行业最近几年产能也在不断壮大，各种农药新品种也再不断创新上市，但是，伴随着农药行业的快速发展，农药行业的三废排放也困扰束缚着企业的发展，尤其是废气的排放问题尤为突出，此前农药行业污染的重点在废水和固废，废气经常被人忽视，随着我国大气质量的下降，人们对PM2.5的关注，农药行业的废气排放一时成为众矢之的，农药行业废气治理也成为公众关注的焦点。

农药生产属于精细化工范畴，涉及化工单元操作广，反应步骤多，间歇操作，大量使用易挥发、易燃易爆的有机溶剂，比如甲醇、乙醇、甲苯、苯、石油醚、乙酸乙酯、氯代烷烃等，所以，在各个单元反应以及化工单元操作时，均会有挥发性有机废气排出，废气成分复杂，包含有机物、无机物及粉尘，针对不同的废气组成需要采用不同的处理方法，目前工业生产中应用较多的有吸收法、冷凝法、吸附法、热破坏法等[1]。由于农药生产过程中废气量较大，浓度较高，污染物成分多为易挥发有机溶剂以及阈值较低的恶臭气体，所以，一些吸收、吸附的方法、光催化法不能保证处理效果和达标，所以焚烧法是最佳选择，而蓄热式焚烧炉其处理效率更高以及其节能的特点，使其在农药企业废气治理过程中得到广泛应用。

2 蓄热式焚烧炉工作原理

蓄热式焚烧炉RTO 的工作原理：把有机废气在燃烧室内加热升温至760 ℃以上，停留时间大于0.75 s，使废气中的VOCs 氧化分解,成为无害的CO2和H2O；氧化时的高温气体的热量被蓄热体“贮存”起来，用于预热新进入的有机废气，这样废气在切换阀的作用下，周而复始的在蓄热体内进行热量交换，从而节省升温所需要的燃料消耗，降低运行成本。

RTO 多应用在处理风量较大、中低浓度的有机废气，处理VOCs 浓度范围在（1 000～5 000）×10-6。当VOCs 质量浓度高于2 000 mg·m-3时，不需添加辅助燃料，可以达到自热平衡运行，VOCs 去除率高达97%～99%，热回收率大于95%[2]。

目前蓄热式焚烧炉产品多为双床和多床RTO，主流产品为三室式RTO。三室式RTO 炉在处理效率和经济性要求都可以得到满足。工程上，三室式RTO 处理VOCs 废气量范围一般在80 000 Nm3·h-1以内。

3 工艺设计

在农药行业废气处理过程中，针对不同废气成分，所选的处理工艺也就不同，RTO 系统同样面临着将各个处理过程与蓄热式焚烧炉系统有机的组合在一起，所以，工艺流程的选择十分关键，只有合理的工艺流程，才能保证RTO 系统运行的稳定。

由于农药生产过程中排放的废气不仅含有大量的挥发性有机物，而且还含有大量的无机成分，其中包括氯化氢、硫化氢、氨气、二氧化硫等，并且在投料、干燥等过程夹带粉尘颗粒。蓄热式焚烧炉RTO 采用的燃烧法，主要针对挥发性有机物的去除，炉内装有陶瓷蓄热体进行回收热量，粉尘颗粒易堵塞蓄热体，影响废气通过蓄热体，所以，需要预处理将去除粉尘可以以及无机成分。农药企业废气进入蓄热式焚烧炉RTO 系统前的一般原则：①需要废气前处理，盐酸、硫化氢、二氧化硫等酸式气体车间内采取水吸收和碱吸收后才可以引入RTO，避免对后续设备和炉栅造成腐蚀；②废气中含有氨气的，必须在产生车间内采用多级水吸收后排出，由于RTO 运行温度在790～850 ℃，氨气不能被氧化分解，氨气会与炉内氧化分解后的酸式气体二氧化硫、二氧化碳、氯化氢结合，在蓄热体低温段形成铵盐，造成蓄热体堵塞，导致系统阻力增加，严重制约系统的连续温度运行；③含氯代烷烃的废气不宜采用RTO 焚烧，RTO噁焚烧易产生二英；④含大量粉尘、焦油颗粒、易聚合物质的废气不能进入RTO 焚烧；⑤废气浓度较高时，需设置氮封、深冷、碳纤维吸附前处理，处理后方可排入。

农药企业RTO 系统工艺流程为：混合后的废气先进入水封罐，通过风机送入水洗塔洗涤，洗涤后的废气通过气液分离器除去水分后废有机废气进入RTO 设备，吸收蓄热陶瓷的热量升温，在燃烧室被高温氧化，分解成CO2、H2O 等。净化后的废气先后进入冷却塔及碱液洗涤塔降温并除酸，经烟囱排入大气。RTO 检修、故障、气体浓度过高时，废气进入旁通废气治理系统，废气旁通采用活性炭吸附罐吸附后通过烟囱排放。

4 废气收集设计

废气排放来源多分布在物料储罐区、蒸馏、精馏过程、副反应产生气体、真空泵排气、压滤烘干以及污水处理等过程。

罐区储罐采用氮封设计进行废气控制，设置氮封压力2 kPa，废气排放采用呼吸阀，呼吸阀压力设置3 kPa，需设置阻火器和水封罐，以保证整个储罐系统与焚烧系统的有效隔离。

生产车间废气按组成进行分类收集，确保废气混合不相互发生反应，在装置界区处设置水封和阻火器，并且，安装VOCS 浓度和LEL 爆炸下限监测仪，设置旁路，防止由于生产车间有机废气的突发性浓度异常，给RTO 带来安全风险。

污水池废气收集，多采用加盖收集方式，一般为玻璃钢拱形盖以及反吊膜两种加盖方式，废水池废气经过碱性洗涤除水后与其他生产车间废气混合后进入RTO 系统。

农药行业废气成分复杂，易燃易爆，含有腐蚀性，废气输送管道材质的选择要考虑腐蚀和静电两个主要因素，一般采用316L 不锈钢金属管道或者玻璃钢石墨复合管道，其中采用防静电设计，管道流速不宜过快，最好小于10 m·s-1；并且设计收集管道为负压运行，考虑压力平衡，安装压力变送器进行监控，防止各单元间废气乱窜；同时，废气输送管道应在管道拐弯处加泄爆片[3]，泄爆片压力设置20 kPa，确保管道输送的安全。废气管道要设置排凝导淋装置，以防止管道积液，夏天管道积液，随着温度的升高，会加速有机物的挥发，会使进气浓度升高，带来安全问题；冬季管道积液，尤其废气含水较多，会堵塞管道，影响废气输送。

5 RTO 蓄热炉的设计

5.1 燃烧室

根据2020年1月14日中国生态环境部颁布HJ1093—2020《蓄热燃烧法工业有机废气治理工程技术规范》规定，燃烧室温度高于760 ℃，废气在燃烧室停留时间不少于0.75 s；两室RTO 净化效率不低于95%，多室RTO 净化效率不低于98%；设计气量按105%进行设计。但是，为了更好地净化效率，实际RTO 燃烧温度应按820 ℃进行设计，停留时间大于1.5 s 进行设计[4]。同时需要配备燃烧器，辅助燃料为天然气或柴油，提供热量满足蓄热焚烧装置进出口气体温度差的要求。

5.2 材质选择

炉体采用8 mm 碳钢板连续焊接制作，内衬陶瓷纤维保温，按1 200 ℃进行设计；农药生产过程中排放的废气含有大量有机硫化物，有机卤化物，高温氧化分解为二氧化硫、氯化氢等腐蚀性气体，所以，蓄热炉炉栅材质的选择十分重要，一般多选用2205 双相不锈钢材质，双相不锈钢具有优良的耐氯化物、晶间腐蚀性能。

5.3 蓄热室

蓄热室设计要求：热回收率大于90%，进出口温差不大于60 ℃，系统阻力小于3 000 Pa，蓄热室截面流速小于2 m·s-1；蓄热体一般选用蜂窝和MLM陶瓷填料两种中的一种；蓄热体比热容不低于750 J·kg-1·K-1,短时间可承受1 200 ℃冲击，使用寿命40 000 h；蓄热室蓄热体按照鞍环及蜂窝或MLM组合设计, 散堆的鞍环填料起到分布气体的作用。

5.4 切换阀

切换阀是蓄热式焚烧炉的核心部件，需要考虑腐蚀、切换时间、密封及泄露量等问题。RTO 切换阀之前一直采用气动蝶阀，但是，随着提升阀产品的出现，气动蝶阀被提升阀所替代，提升阀分为竖直和水平提升阀两种，宜选用水平式提升阀，提升阀材质与炉栅材质相同，均需选用2205 双相不锈钢，阀室底部需要设置排凝导淋设施。

6 安全设计

6.1 LEL 爆炸下限设置

农药生产排放的废气多数为易燃易爆气体，严格控制进入蓄热式热氧化炉的废气浓度，RTO 炉入口浓度必须低于爆炸下限LEL 的25%，是预防爆炸事故最有效、最直接的办法，是本质安全措施，所以RTO 系统需要设置LEL 监测仪，分为PID、FID、FTA 等方法，FTA 氢气火焰温度监测仪最为稳定。LEL 监测仪设置的位置需要考虑输送管道直径、长度、输送气量，阀门切断时间，LEL 监测仪的响应时间，所以需要设置在足够远的距离，或设置缓冲罐，给浓度检测仪及阀门动作留下足够响应时间,体积要合理设置[5]。

6.2 新鲜风稀释阀门

RTO 必须设置新风阀门, 开车采用新鲜风开车，同时设置吹扫风机；对于高浓度废气, 需要配备稀释风机或稀释新风口，将废气浓度稀释到爆炸下限LEL25%以下。

6.3 紧急释放

第一，热旁通阀设置，进入RTO 的废气浓度波动时，造成炉内温度的骤然升高，RTO 设置热旁通阀泄放高温及泄压，避免安全事故；第二，泄爆片设置，在废气输送管道以及RTO 进气阀室设置泄爆片，降低爆炸事故带来的损失。

6.4 安全联锁及UPS

RTO 采用PLC 或DCS 控制，关键设备安全仪表系统应不低于SIL1 标准设计，按需要选择气动阀门；配置UPS 应急电源和压缩空气缓冲罐，保证停电状态下，安全停车；合理设置安全联锁，例如浓度高，切断进风机，系统离线；温度高，打开稀释风阀，打开热旁通等。

7 尾气处理

RTO 排放的烟气主要成分为二氧化硫、氯化氢等酸式气体，需要采取两级碱性洗涤塔进行吸收；第一级为冷却塔，主要起降温作用，第二级主要起吸收作用，由于RTO 反洗、超温时烟气温度较高，第一级洗涤塔多采用2205 材质设备，第二级碱洗塔可选用玻璃钢材质，洗涤塔可设置填料，也可以不设置填料，以喷淋密度保证洗涤塔的处理效果。