低浓度有机废气处理工艺的选择

高鲁兵，吴飞(山东滨华新材料有限公司，山东 滨州 256600)

0 引言

目前环氧丙烷车间氯醇化尾气经过尾气一级、二级碱洗塔洗涤后，增加空气稀释至低于气体爆炸下限的25%，再送至粒碱车间熔盐炉进行焚烧。为降低管理、运行成本，计划将环氧丙烷车间氯醇化尾气引入蓄热式焚烧炉系统处理。

RTO装置是一种高效的有机废气处理设备，其工作原理是把有机废气加热到800 ℃以上，使废气中的VOCs氧化热解为二氧化碳和水。氧化过程产生的热量存储在特制的陶瓷蓄热体，使蓄热体升温“蓄热”。陶瓷蓄热体内储存的热量用于预热后续进入的有机废气，该过程为陶瓷蓄热体的“放热”过程，可以实现低浓度废气(VOCs含量在0.10%～0.25%)的稳定热解而不需要新增热源，从而节省废气升温过程的燃料消耗[1]。

1 设计内容及方案

1.1 设计内容

本设计为环氧丙烷氯醇化尾气治理设计。主要使用助燃风机、RTO系统、急冷塔、碱洗塔、水洗塔、活性炭过滤器、缓冲罐及各类机泵等设备。

1.2 设计方案

环氧丙烷氯醇化尾气成分参数分别如下：流量400 Nm3/h，丙烯含量0.88%，乙烷含量0.07%，丙烷含量3.24%，二氯丙烷含量0.61%，氧气含量8.64%，氮气含量78.06%,水蒸气含量8.5%。

环氧丙烷车间氯醇化尾气经水封隔离后，安全稀释混合送至预处理系统，预处理装置包括废气混合器、废气风机，通过再次将废气浓度稀释，确保输入RTO系统的废气满足系统安全焚烧的标准。已经经过新风稀释的废气再次采用循环烟气对废气进行稀释，既减少了烟气的排放量，同时又可以降低废气的浓度，提高废气处理效率和提高系统的安全性，防止因废气浓度偏高而引起炉膛温度超高。

RTO系统出口烟气温度约为150 ℃，烟气中的氯化氢浓度约为750 mg/Nm3，采用循环碱液(大水量)进行空塔喷淋中和吸收其中的氯化氢，同时通过水蒸发气化潜热降低烟气温度，急冷塔对氯化氢的吸收效率约为70%。

经冷却吸收的烟气先后进入一、二级喷淋吸收塔进行两级碱吸收，单级碱吸收氯化氢效率90%。一、二级喷淋吸收塔循环管路设置列管式冷却器，通过循环水将系统中的热量移出，同时降低烟气水蒸气含量。

经二级碱洗后的烟气再进行入水洗喷淋吸收塔进行洗涤，去除废气夹带的碱沫，防止盐(碱)沫在后续干燥形成颗粒物。

烟气净化所采用的液碱从二级喷淋吸收塔循环泵进口加入，液碱采用气动加碱阀与pH计联锁定量加入，确保碱液中和吸收效果。

碱液与烟气为逆流运行，每级以泵压打入上一级喷淋管中，最后打入急冷塔循环系统中，循环液经急冷塔蒸发提浓后外排至现有车间清液池。

RTO系统排污、废气风机、引风机、高效除雾、烟囱阻火器、均排至排污地沟。

加热器冷凝水排至急冷塔水池。

1.3 二噁英的防治

烟气从蓄热体流过时间＝蓄热体高度/烟气流速＝2.1/2.1=1 s。

二噁英为多苯有机化合物，属于剧毒物质，是含氯废料在燃烧过程中产生的。二噁英气体在700 ℃以上分解，烟气在500～200 ℃时又有少量合成。为防止二噁英的生成，烟气从500 ℃降温到200 ℃的时间应该控制在1 s之内，根据计算得出从500 ℃降温到200 ℃时间为0.4 s符合二噁英的再生控制标准。

用于平衡炉膛温度的高温释放烟气与RTO底部的低温烟气在烟气混合箱内迅速混合急冷，混合段容积1.3 m3，当废气处理量大于4 500 m3/h时，应确保高温急冷(500～200 ℃)停留时间小于1 s。

废气中同时含“含氯有机物”、“含苯(或呋喃)环有机物”，满足二噁英再合成条件的原料条件，受RTO系统工艺条件的限制，系统排烟可能存在“二噁英”不达标的风险。

活性炭吸附是危废焚烧标准处理二噁英的方法，所以烟气经多级碱吸收和水洗后，可以采用高效除雾器去除游离水，再设置烟气加热器降低烟气湿度后送活性炭过滤去除二噁英。高效除雾器采用纤维除雾器，将5 μm以上的水颗粒去除，去除率达98%以上，同时将烟气游离水降低至5 mg/Nm3以下。

1.4 工艺特点及优势

根据废气成分分析，采用RTO处理，VOCs去除率高，可满足相关排放标准；(1)RTO装置燃烧室内的任何位置，在各工况下的燃烧温度均≥760 ℃，且烟气停留时间≥0.75 s。几乎可用于处理所有含有机化合物的废气，适用于处理医药化工行业中VOCs 组成复杂的气体，包括烷烃、烯烃、芳香烃、卤代烃、含氧烃、氮烃、硫烃、低沸点多环芳烃等均能被氧化分解成CO2和H2O。(2)燃烧产生的高温气体流经特制的陶瓷蓄热体，热量用于预热后续进入的有机废气，可以节省废气升温的燃料消耗，且分解效率较高，一般为95%～99%。(3)蓄热室内温度均匀分级增加，废气在炉内高温蓄热体中开始逐层燃烧，延缓燃烧能量的释放，炉内温升均匀，无高温锋面，燃烧噪声低，而且不存在传统燃烧的高温高氧区，抑制了氮氧化物的产生。(4)采用莫来石材料的蓄热陶瓷，具有耐热冲击性能好、导热系数高、膨胀系数低机械强度大、不易变形、使用寿命长等特点。(5)三床式RTO技术成熟，应用广泛，正常运行时三个蓄热床分别处于蓄热、放热、吹扫阶段，程控阀自动控制，使气体能够持续稳定得到处理。(6)设置在线可燃气体监测器，实现实时监测，安全联锁；设备入口设置阻火器、防止燃烧室压力波动，造成回火；RTO燃烧室设有爆破片，起到瞬间泄压作用，防止爆炸危险。(7)RTO系统采用DCS自动控制，可实现一系列安全措施，燃烧室内装有火焰探测器，火焰探测器与长明火燃烧器连锁控制，当火焰检知器检测不到火焰时，废气进气阀关闭，出气阀门及旁通阀门打开。 燃烧室内设有长明火燃烧器、保证氧化室内任何时候都有明火，不会由于气体浓度的变化而引起爆燃。(8)废气进RTO装置前废气管道上装有不锈钢阻火器，不会因回火发生爆炸。废气进界区前设过滤器，过滤颗粒物和黏性物质，避免堵塞陶瓷[2]。

1.5 工艺方案

环氧丙烷氯醇化尾气采用三床RTO工艺，RTO设计负荷为可处理稀释后的氯醇化尾气10 000 m³/h，热效率95%，具体工艺方案如下：(1)风量计算：根据RTO实际运行经验，有机物浓度大于3 000 mg/m³时可维持自身热平衡，无需增加天然气用量，但当有机物浓度过高，反应热量不能及时移走时也存在安全隐患。本方案采取两种方式将过剩的热量移走，一是多余的高温烟气经过急冷后排放，二是适当稀释至3 000 mg/m³以上浓度，既能维持自运行，又能转移部分过剩热量，减小急冷塔压力。综合考虑输送安全和运行安全，RTO系统设计进气量为10 000 m³/h。(2)配风输送：环氧丙烷氯醇化尾气先配风至9 000 m³/h以上，然后经过LEL可燃气体在线监测仪，经过阻火器，再经过滤器或除雾器去除颗粒物以防止颗粒物堵塞后续的设备设施，进入主风机。(3)蓄热式燃烧：三床式RTO由三台蓄热式组成，正常运行时，三个床分别处于废气预热阶段、烟气蓄热阶段和吹扫清洗阶段，通过PLC控制气动程控阀的切换，使废气周期性地分别进行入三个陶瓷蓄热床，经过蓄热床的废气进入燃烧室时温度控制在760 ℃以上，正常运行时不需要额外补充燃料，使废气持续稳定地达到处理效果。(4)急冷碱洗：燃烧完的烟气在蓄热床放热后温度降至100 ℃以下，因为反应产物中含有HCL，需要用碱液进行急冷喷淋和两级碱洗中和处理，碱洗后的净化气体送水洗工序。废碱液经管线送至PO装置废水池，再送污水处理厂。(5)水洗除雾：碱洗后烟气通过水洗工序将烟气中夹带的盐、碱颗粒洗涤下来，再经除雾装置除去烟气中绝大部分水分，防止带入后续工序造成结块堵塞和活性炭失效。(6)活性炭箱：根据计算和经验，烟气中的二噁英可以达标排放，活性炭箱作为预防工艺波动造成烟气中二噁英可能不达标排放的把关手段。

2 主要设备选择

2.1 RTO系统静设备

废气混合器、空气过滤器、阻火器、废气燃烧室、蓄热室、布风箱、燃烧器、烟气混合箱、喷淋急冷塔、急冷塔外置水池、一级烟气碱洗塔、1#不锈钢换热器、二级烟气碱洗塔等。

2.2 RTO系统动设备

废气风机、燃烧器、助燃风机、反吹风机等。

3 控制系统

本焚烧系统采用DCS自动控制，设置有就地控制和集中控制，系统负责对废气处理设施各动力设备实施供电和自动控制。对氧化处理设备中关键点的温度、关键设备的运行状态和压力加以监测。为保证废气处理系统的正常运行，本设计通过采集传输温度、压力的参数变化信号来达到自控氧化与自控联锁的安全保护功能。

DCS保证整套RTO设备的自动运行。采用DCS控制，对系统的热风流向、炉膛温度进行自动监控。当炉膛温度超过900 ℃时，系统能自动报警；超过 950 ℃时，系统可以自动切断废气输送。监控系统能对主要设备故障进行声光报警。

通过对设置可燃气体浓度分析仪和循环烟气阀开度联锁，确保输入RTO废气浓度在设计范围内。

4 装置界区内公用工程设施

4.1 公用工程设施

给水系统：生产用水用量约2 m3/h，主要用于水洗水补水和机泵冷却水。

排水系统：新增生活排水若干，排水系统依托原有；雨水排水系统依托原有；本设计产生碱洗废水、中和废水总量若干，送经处理后送污水处理。

供电系统：本设计供电接自环氧丙烷车间现有配电室，小时用电量若干，现有供电余量可满足需求。

天然气：天然气接自厂区现有天然气管网，本设计用气量若干，现有余量可满足需求。

仪表风：仪表风由空压站供应，由环氧丙烷车间仪表风管线接入，小时用气量为若干，现有余量可满足需求。

低压蒸汽：由现有蒸汽管网接入，小时用量为若干，余量可满足需求。

4.2 工艺装置“三废”排放及预处理

废气：本设计旨在尾气的治理，治理后可实现达标排放。

设计运营中产生中和废水及碱洗废水若干，与清液混合后送污水处理。

生产过程中无固废产生。

5 RTO 装置安全风险控制措施

RTO装置在有机废气收集、输送、处理等环节均存在较大的安全风险，为了实现RT0装置的本质安全，在设计过程中要充分考虑处理废气的理化性质、危险特性，同时还要考虑收集、输送、处置过程等各环节，以及RTO装置燃烧器、风机、管道及安全阀、爆破片等安全设施选型和材质等方面产生的安全风险。

(1)RTO装置安全设施应与主体工程执行“三同时”设计、施工并办理安全、环保、职业健康、消防等手续。(2)RTO装置现场部分电气仪表设备应严格按照防爆等级设计，在爆炸危险区域选用防爆电气，预防电气火花引发火灾事故的风险。(3)RTO装置应设置PLC或DCS控制系统(视情况可设置安全仪表系统)，对风机、阀门、燃烧器、炉膛和废气管道等设备设施的关键参数进行实时监控和联锁。(4)RTO装置关键设备的安全仪表系统应不低于SIL2标准设计。对RTO装置内空间应杜绝出现爆炸性气体，点火装置启动前应使用空气彻底置换燃烧室内气体，燃烧器与风机风压形成联锁，风量不足禁止通入天然气点火；采用火检系统来检测点火效果，一旦出现点火故障、混合气体燃烧浓度不够等情况，应当联锁切断天然气，同时再次置换系统内的有机气体。(5)RTO装置应设置UPS备用电源和仪表用气的压缩空气储气罐。(6)RTO装置应设置断电、断气后进气阀、排气阀紧急关闭，防止烟囱效应引起蓄热层下部温度上升。(7) RTO装置应在废气收集管道上安装在线废气浓度检测仪(总管或每一路支管)，废气经检测仪至切断阀的时间不低于10 s，确保出现高浓度废气后废气切断阀有足够的关闭时间。(8)RTO装置要设计废(尾)气管道的防回燃(火)设施，特别是对于车间之间、区域之间、管道与RTO连接处等区域部位，应当对设置防止回燃(火)的单向止回、防火阀(阻火器)等安全装置。(9)在RTO装置废气收集管道和RTO设备进口等节点上安装泄爆膜片。(10)在RTO装置进口、泄爆膜片前和废气收集端设置阻火器，泄爆膜片压力低于废气管道承受的压力，以便爆炸发生后及时泄压，减少损失。(11)RTO装置进风、排风管道及风机应采用可导电材质，采取法兰跨接、系统接地等措施，防止静电产生和积聚。(12)对于浓度较高且含有低燃点物质的应急排空管道，严禁与高温排空管道共用烟囱排放。(13)燃料供给系统应设置高低压保护和泄漏报警装置，蓄热燃烧装置应设置安全可靠的火焰控制系统、温度监测系统、压力控制系统等。(14)在密闭厂房内，应采用集气罩、气相软管等设施，回收无组织排放的气体，同时保持良好的通风，减少挥发物局部积聚现象。做好避免可燃有毒气体积聚的风险分析，制定管控措施并严格落实，避免发生爆炸。

6 结语

RTO装置是一种高效的低浓度有机废气处理设备，在医药、化工等领域有广泛的应用前景，对低浓度废气处理效果显著，可以实现气体达标排放，在合理考虑各项安全防护措施后，能够实现装置的安全、稳定运行。