全常压罐区VOCs 尾气治理存在的问题及优化措施

杨永虎，董改利，曹云飞，任崇新，张磊

（中国石油独山子石化分公司，新疆独山子 833699）

某石化企业储运联合车间常全压装置位于化工新区装置东南角，东临预留化工罐区、西邻炼油中间罐区，南北在厂3 路与厂5 路之间，主要负责化工新区各装置原料和产品的存储及输转。各常压储罐大小呼吸排放的VOCs 恶臭尾气包括有机烃、H2S、硫醚、硫醇等，影响了装置周边环境。2014年新建1 套采用“碱液+柴油”吸收除臭系统，将各储罐挥发的尾气集中收集后进行除臭，改善了装置环境[1]。《石油化学工业污染物排放标准》（GB 31571-2015）实施后，为进一步减少罐区VOCs 恶臭气体排放，新增1 套焚烧设备（CEB-1200），增加了废气收集设施，把收集的废气通过离心风机加压后由管道输送至新增废气焚烧设备进行焚烧处理。同时对常压罐区11座储罐的罐体外壁粉刷防晒漆，将储罐的呼吸阀、阻火器、紧急泄压人孔进行了成套更换，达到了环保指标的排放要求，且现场安全运行无异味。但在实际运行中焚烧炉不稳定、燃料气及资源浪费大，不满足公司“节能减排、降本增效”的总体要求。

1 焚烧设备治理项目简介及流程

储运联合车间常全压装置11台常压储罐顶部的气相通过在呼吸阀下部增加三通将尾气抽出，引至风机55-K-401增压，并经新增分液罐CEB-T-101排液后送往新增焚烧设备CEB-1200 处理。常压储罐排放的VOCs 尾气在预混室内混合并通过喷射器进入新增焚烧设备，依据尾气的热值配比适量的助燃气体（由变频风机提供100%的燃烧空气）在焚烧设备中燃烧。尾气进CEB-1200是让VOCs尾气湍流后充分混合。废气和空气形成的混合物再经内部分散器送至顶部的燃烧器（该燃烧器采用铁铬合金材质的纤维编制构成，此结构使用Bekaert专利燃烧器技术，可形成数百万个曲折路径供气体通过），使尾气和空气混合完全后进行燃烧，保持燃烧温度在1 100～1 200 ℃，此混合过程是CEB-1200处理尾气的关键环节，示意流程见图1，要求引风机和CEB-1200 根据储罐的压力间歇运行。1号工业水废气线的手阀保持全开，尾气量通过风机入口调节阀自动调节，CEB-1200自动运行，常压罐区引风机55-K-401 的入口阀门根据储罐的运行压力维持开度在8%～25%，为避免回流引起风机出口温度高，风机出口的回流阀门保持关闭，同时在风机的出口设值高压联锁停机逻辑，异常情况下对风机进行保护。此运行工况设置引风机的出口压力为12～25 kPa，运行比较稳定。CEB-1200 联锁时，需要常全压装置内操岗位人员迅速将风机的回流阀门开至80%开度以上，避免风机喘振，外操岗位人员到现场将风机停机；CEB-1200 启动正常后，外操岗位人员重新启动风机，在1 号工业水把VOCs 尾气阀门打开向CEB-1200 引尾气后，内操岗位人员需将回流调节阀门的开度关至0%，并由现场人员确认风机无喘振现象，且常压储罐的压力保持平稳或稳定下降趋势。风机或者常压储罐压力出现异常时，岗位人员需及时汇报值班领导和装置专业技术人员，控制储罐的压力≤0.8 kPa，常压罐区各储罐的VOCs尾气引至CEB-1200 进行1 175 ℃的高温焚烧，以达到VOCs尾气总排口中的非甲烷总烃含量≤120 mg/m3、装置周边网格化监测非甲烷总烃含量≤4 mg/m3的指标要求，确保现场VOCs监控和异味管控同时达标[2]。

图1 全常压罐区尾气收集、焚烧流程

2 焚烧炉运行存在原理及问题

2.1 运行原理

CEB-1200以天然气、废气为原料，在设定温度内将废气在燃烧器（具有Bekaert专利技术的Bekinit燃烧编制丝网构成）进行明火燃烧以达到环保排放要求。CEB-1200炉膛直径1.37 m，高度8.5 m，直筒状开口，设备上方连接有6.7 m 的延长烟囱。燃烧过程中燃烧空气100%由变频风机输送。来自常压罐区罐顶的废气在预混室内混合后通过废气喷射器进入CEB。如需要可提供助燃气体进入燃烧系统，让废气湍流进行充分混合。废气和空气的混合物通过分散器传输至顶部燃烧器。CEB-1200 点火执行自动程序控制，启动程序后依次自动启动风机进行60 s吹扫、天然气点火装置点火、达到设定温度后主天然气供应点炉，自动引入废气燃烧，CEB-1200开始正常燃烧工作，进入自动调节运行程序。

2.2 运行问题

CEB-1200 焚烧装置是根据废气压力及温度来判断燃烧工况是否正常，但在废气组分发生变化，压力没有变化或稍有变化时，系统不能辨别组分变化，会出现燃烧温度突升或骤降，当PLC调节滞后或调节幅度过大会时会造成CEB炉高温或低温联锁跳停。另外，CEB-1200表面分布网长期工作在高温环境下出现局部损坏会造成“回火”，致使燃烧头爆燃烧毁，需要定期进行更换。

根据CEB-1200 运行情况统计：2018年总计停炉56 次，其中因风机、引燃点火、热偶、等故障问题停炉21 次，因废气组份波动、烟道温度高联锁、阻火器压差高等原因造成停炉或无法启动35次；2019年总计停炉及冒黑烟30次，其中4次为正常检修，联锁停炉23次，冒黑烟3次。CEB-1200在运行过程中无法连续稳定运行，严重影响了现场异味管控。

2.3 废气处理成本

常压罐区11 台储罐（总容积132 000 m3），废气经收集后，由风机增压后送至CEB-1200 焚烧处理。其中CEB-1200按照年运行8 000 h计算年运行成本约163.28 万元，见表1；11 台储罐排放等废气根据废气排放量、废气中可燃烃浓度、废气排放时间等计算，每年废气焚烧损失烃类约1 139.4吨，废气中约50%为碳五及以上组份，约569.7 吨可作为石脑油回收利用，其余569.7 吨可作为燃料气回收使用。现有常压罐区废气CEB-1200 处理系统运行资源浪费大，不满足公司节能减排、降本增效总体要求。

表1 CEB-1200 焚烧设备运行成本

（1）废气排放量[3]：风机55-K-401最大风量为2 520 m3/h。其中，储罐小呼吸量按照储罐平均液位50%，罐内气体2小时温升20 ℃计算，小呼吸量不大于2 332 m3/h；大呼吸按照间歇收付油进行计算不大于380 m3/h，收付料状态见表2。

表2 常压罐区储罐收付料状态

（2）废气浓度：参照储罐在受到热辐射上升时段和低峰时段对应风机55-K-401B出口的废气样品分析数据，以及风机入口在线氧分析仪数值取0.6%（v/v），利用反减法计算得出可燃烃浓度最大为14.59%（v/v），最小为6.15%（v/v）。

（3）废气排放时间：为了平衡CEB-1200 和储罐之间的稳定运行，储罐大、小呼吸作用衰减后将CEB-1200入口阀门关闭。通过对CEB-1200投用后的废气组成变化进行综合分析：夏季5月1日～10月15日共170天，每日高浓度废气时段为8:00～17:00，约9 h；低浓度废气时段为17:00～20:30 和次日6:30～8:00共约5 h，其余时段为无废气时段，期间尾气浓度按最高值的50%估算，夏季每日高浓度运行时间9+5/2＝11.5 h，夏季工况废气烃浓度按12%计算。冬季10月15日～次年4月30日共195天，每日高浓度废气时段为10:00～16:00约6 h；低浓度废气时段为16:00～20:00 和次日8:00～10:00 共6 h，浓度按最高值50%计算，其余时段为无废气时段，折合每日高浓度运行时间6+6/2＝9小时，冬季工况废气烃浓度按10%计算。

由于常压罐区风机无流量计，废气风机最大能力为2 520m3/h，夏季风机负荷比在30%～60%之间（取恒定45%核算），则风机输出量保守在1 134 m3/h；冬季风机负荷在10%～30%之间（取恒定20%核算），则风机输出量保守在504 m3/h，废气组成按C5计算，分子量72，密度为72/22.4＝3.214 kg/m3。

综上，CEB-1200 夏季焚烧的物料量为12%×1 134×72/22.4×11.5×170＝855.1吨，冬季焚烧的物料量为10%×504×72/22.4×9×195＝284.3吨，全年废气焚烧时损失的烃类物料为855.1+284.3＝1 139.4吨。

3 优化改进方案

3.1 优化方案的确定

本着宜收皆收、降本增效的原则，经现场勘查和统筹考虑，乙烯厂将常压罐区VOCs 尾气计划引至乙烯二联合车间裂解炉进行处理，并先后联系两家设计单位核实废气进裂解炉处理方案的可行性。根据两家单位的评估意见，结合乙烯二联合车间6#/7#裂解炉加工原料装置VOCs尾气的经验，认为常压罐区尾气进6#、7#炉燃烧方案可行，但存在以下事项可进一步优化。改造后流程见图2。

图2 常压罐区VOCs尾气治理优化改造流程

（1）裂解炉NOx容易超标。应对措施：利用底部燃烧器的蒸汽喷枪可以有效降低NOx生产量，需增加蒸汽耗量。

（2）废气中C4、C5组份含量高，热值高，影响裂解炉热场分布。应对措施：通过改造，利用常全压装置乙烯冷冻机脱除常压罐区废气中的重组分，降低对裂解炉的影响。

（3）废气加工量大，乙烯二联合车间6#、7#裂解炉无法全部加工。应对措施：一是根据6#、7#裂解炉加工废气实际情况，增加5#裂解炉加工废气的工艺流程，后期如加工量仍不足，可再增加裂解炉。二是常压装置CEB-1200作为备用，在废气量较高、裂解炉无法全部加工的工况下，利用CEB-1200平衡部分废气，以确保常全压装置现场异味受控。

乙烯厂最终确定常压罐区VOCs 尾气送乙烯联合车间的管道走向，乙烯二联合车间裂解炉接收常压罐区尾气的方案和工艺流程设置。对常压罐区废气治理方案改进如下：将常压罐区废气自分液罐CEB-T101出口三通引出，沿地面布管线至乙烯厂1#火炬南侧管廊上，并借用乙烯二联合到2#火炬的排放线、原料装置VOCs 尾气至6#/7#裂解炉的尾气线，将常压罐区与原料装置尾气合并送至6#/7#裂解炉处理，增加5#裂解炉处理尾气等流程，增加尾气处理量，实现5#/6#/7#裂解炉二台运行一台备用，CEB-1200焚烧设备停炉应急备用。

3.2 优化方案的控制要求

为保证储运联合车间常压罐区尾气送乙烯二联合车间裂解炉进行处理项目顺利投用，乙烯厂组织相关单位进行讨论，编制了尾气投用裂解炉方案，以确保尾气投用过程中裂解炉平稳运行和烟气中NOx排放指标受控。应急处理和注意事项：

（1）该废气线的投用，以乙烯二联合裂解炉平稳运行及氮氧化物指标合格为调整原则。常全压装置风机入口调节阀及分液罐入口调节阀的操作应缓慢，严禁速开速关。

（2）储运联合车间罐区尾气并入6#、7#裂解炉期间，如果6#、7#炉NOx≥90 mg/m3时，储运联合车间立即停止并入常压罐区VOCs 尾气，乙烯二联合车间进行调整观察；待6#、7#炉NOx≤90 mg/m3后，储运联合车间继续并入常压罐区VOCs 尾气。如果6#、7#炉NOx≥95 mg/m3时，乙烯二联合车间投用6#、7#炉雾化蒸汽，确保烟气中氮氧化物排放指标合格。

（3）该投用过程中常全压装置保持CEB-1200正常运行，如乙烯二联合车间裂解炉引入废气的过程中出现波动，根据调度指令及时切出废气，将废气并入CEB-1200处理。

（4）如果投用期间6#或7#裂解炉出现联锁停车时乙烯二联合车间及时汇报调度，通知储运联合车间停止并入VOCs尾气，裂解炉联锁停车乙烯二联合车间按照裂解炉紧急停车处理进行应急操作。

3.3 优化方案的投用

在改造方案投用前编制了项目投用方案，方案审批，要求储运联合车间与乙烯二联合车间确认新增尾气处理管线已经吹扫、气密及置换合格，管线具备投用条件；相关工艺流程设置正确、隔离盲板加装完成；相关工艺控制参数在要求指标范围内；应急控制措施已准备就绪。

4月13日13:20分，储运联合常压罐区VOCs至6#、7#炉管线投用，投用后现场检查正常。18:00由于常压罐区储罐压力低，储运联合车间停风机，罐区尾气停止送裂解炉。常压罐区尾气送乙烯二联合车间优化措施按照白天投用、夜间停用运行，期间CEB-1200维持天然气运行，乙烯联合车间裂解炉处理常压罐区尾气连续稳定运行三天后停用CEB-1200。

4 运行效果评价

4.1 裂解炉运行效果

常压罐区VOCs 尾气进入乙烯二联合车间6#、7#裂解炉后，尾气燃烧提供了一部分热量。对比4月20日—4月26日6#、7#裂解炉燃料气消耗总量见图3，在裂解炉相同负荷下，尾气并入后裂解炉燃料气平均减少约400～500 kg/h。综合考虑常压罐区VOCs 尾气挥发量和全年气温变化情况，按照每年4—10 月共7 个月作为夏季工况进行测算，每年11月—次年3 月共5 个月作为冬季工况并按照以上测算数据50%估算，全年总计可节省燃料气约1 687.3吨，节省裂解炉运行成本约310.46万元。

图3 6#、7#裂解炉燃料气消耗量变化情况

4.2 存在问题及处理措施

根据6#、7#裂解炉处理常压罐区VOCs尾气的实际运行情况，存在以下问题需要重点关注和预防：

（1）6#、7#裂解炉炉膛内直观火焰效果变差，火焰发飘，见图4。表现为炉膛内明火加剧，火焰乱窜，舔舐炉管及炉墙。主要原因是原料装置罐区VOCs量较小约500 Nm3/h，常压罐区VOCs尾气并入后尾气量增大、压力低，导致燃烧效果较之前差。

图4 常压罐区尾气进入7#裂解炉前后炉膛内火焰情况对比

（2）在常压罐区VOCs 尾气并入时，因尾气燃烧产生一定的热量，裂解炉需要减少燃料气补入量进行调整；在常压罐区VOCs 尾气切出时，因尾气撤出热量损失，需要裂解炉及时补入天然气。在并入和切出时均会影响裂解炉炉管出口COT温度波动幅度约10～20 ℃；若在VOCs投用时并入较快，会造成裂解炉无氧燃烧，同时造成氮氧化物波动。

（3）对6#、7#裂解炉炉管及炉墙进行测温，常压罐区VOCs 尾气投用前裂解炉南北两侧炉管及炉墙温度偏差约10 ℃；投用后南北两侧炉管及炉墙温度偏差约15～20 ℃，炉膛内热场分布偏差略有增加。

（4）通过热成像对裂解炉膛热负荷分布进行检测，发现在常压罐区VOCs 尾气投用后炉膛热负荷分布较投用前有一定偏差，需要现场调整各燃烧器的燃料气量进行平衡热分布。

综上，常压罐区VOCs 尾气并入6#、7#裂解炉，炉膛火焰燃烧情况差，火焰舔舐炉管及炉墙等问题在长期的运行过程中可能会对炉管及炉墙使用 寿命产生影响。针对VOCs 燃烧对炉管及炉墙的影响，在装置日常运行过程中需运行监控，发现问题及时汇报处理，裂解炉检修时对6#、7#炉炉管及炉墙进行重点检查。另外，常压罐区VOCs 尾气排放是一个间歇排放过程，在尾气进入和切出裂解炉炉膛的瞬间，对裂解炉COT 温度和炉膛热场分布波动较大，需要储运联合车间在输送或中断尾气供应时，及时和乙烯二联合车间进行联系，岗位内操人员要随时关注6#、7#裂解炉的COT 温度和NOx变化，及时调整，防止裂解炉COT温度剧烈波动，同时调控氧含量，避免氮氧化物在线监测超标。

5 小结

常压罐区VOCS 尾气进入乙烯二联合车间6#、7#裂解炉后，一是6#、7#裂解炉燃烧常压罐区的尾气替代裂解炉日常运行消耗的燃料气，年节省运行成本310.46万元；二是储运联合车间全常压装置CEB-1200在尾气并入裂解炉处理后停止运行，年节省运行成本163.28万元；合计节省运行成本473.74万元/年，达到了节能减排、降本增效的目的。另一方面，也避免了CEB-1200 运行过程频繁故障和联锁问题，确保了储运联合车间全常压罐区异味管控达到环境治理要求。