催化燃燒技術(shù)處理石油化工企業(yè)含VOCS廢氣的工藝研究

石油化工企業(yè)工藝裝置尾氣及污水處理場(chǎng)逸散的廢氣均含有VOCs,其排放給區(qū)域空氣質(zhì)量和人體健康帶來(lái)嚴(yán)重威脅.針對(duì)工藝尾氣和污水處理場(chǎng)廢氣的特點(diǎn),研究了催化燃燒工藝在處理這兩類廢氣時(shí)工藝流程及控制方案.對(duì)工藝尾氣采用堿洗—催化燃燒組合工藝,對(duì)污水處理場(chǎng)廢氣采用脫硫一均化—催化燃燒組合工藝.研究表明,針對(duì)上述兩種廢氣,合理選擇催化燃燒組合工藝及控制方案,能夠有效處理廢氣中的VOCs組分,且處理后的氣體烴類濃度均可達(dá)到國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn).

石油化工企業(yè)工藝裝置及污水處理場(chǎng)會(huì)向空氣中逸散含VOCs廢氣。此類廢氣不僅會(huì)導(dǎo)致區(qū)域空氣質(zhì)量下降，而且其中的某些成分會(huì)刺激人體的呼吸道系統(tǒng)、血液系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)，職工長(zhǎng)期接觸這類廢氣會(huì)對(duì)人體健康造成嚴(yán)重威脅，因此這類廢氣需要進(jìn)行治理。

催化燃燒技術(shù)

現(xiàn)有技術(shù)中，處理含VOCs廢氣治理方法主要有焚燒法、催化燃燒法、冷凝法、吸收法、吸附法、生物法等。

焚燒法處理低濃度廢氣時(shí)存在能耗較高的缺點(diǎn)；采用冷凝法和吸收法時(shí)，對(duì)低濃度廢氣處理效果有限，且須于其他技術(shù)（如催化燃燒）結(jié)合才能使廢氣達(dá)標(biāo)排放，流程比較復(fù)雜，投資較大；現(xiàn)有的生物凈化法對(duì)高VOCs濃度廢氣去除效果有限；催化燃燒工藝對(duì)廢氣中的污染物凈化效率高，可滿足苛刻的國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求，因此在石油化工 企業(yè)含 VOCs廢氣治理中應(yīng)用廣泛。

本研究針對(duì)工藝尾氣和污水處理場(chǎng)逸散廢氣的特點(diǎn)，研究了催化燃燒工藝在處理這兩類廢氣時(shí)工藝流程及控制方案，以使催化燃燒工藝在處理上述兩種廢氣時(shí)更加安全有效。

1 催化燃燒處理工藝尾氣

1.1 工藝尾氣特點(diǎn)

煉油與石油化工企業(yè)工藝單元排放（有組織排放）的有機(jī)工藝尾氣具有以下特點(diǎn)（以聚丙烯裝置尾氣為例）：

（1）濃度與流量波動(dòng)較??；

（2）有機(jī)工藝尾氣中不含有氧氣；

（3）對(duì)高濃度具有回收價(jià)值的尾氣應(yīng)首先采用回收工藝進(jìn)行回收，回收之后的尾氣采用催化燃燒工藝達(dá)標(biāo)處理，對(duì)低濃度尾氣直接采用催化燃燒工藝處理；

（4）尾氣中可能含有氯化物、硫化物等易使催化燃燒催化劑中毒的組分。

1.2 工藝尾氣處理工藝流程

根據(jù)工藝尾氣的特點(diǎn)，處理工藝尾氣的催化燃燒工藝如圖 1 所示。

圖 1 催化燃燒工藝處理工藝尾氣工藝流

如圖 1 所示，工藝裝置排放的有機(jī)廢氣在增壓風(fēng)機(jī)的作用下首先進(jìn)入堿洗塔，利用堿液脫除廢氣中的氯化物、硫化物等對(duì)催化燃燒催化劑有毒的物質(zhì)。堿洗塔上部設(shè)置水洗段，除去廢氣攜帶的堿液。 經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的工藝廢氣進(jìn)入尾氣換熱器，與燃燒后的高溫尾氣充分換熱，預(yù)熱到反應(yīng)溫度后進(jìn)入催化燃燒反應(yīng)器，在催化劑的作用下，與氧氣進(jìn)行催化燃燒反應(yīng)，將廢氣中的VOCs轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水。從催化燃燒反應(yīng)器出來(lái)的凈化氣體進(jìn)入尾氣換熱器回收熱量，凈化尾氣通過(guò)排氣筒排放到大氣中。

在本工藝中，設(shè)置循環(huán)尾氣冷卻器及循環(huán)鼓風(fēng)機(jī)，將循環(huán)尾氣冷卻到40~50℃引入尾氣換熱器入口，以此來(lái)控制催化燃燒反應(yīng)器出口溫度。由于工藝尾氣中不含有氧氣，因此進(jìn)行催化燃燒反應(yīng)所必須的 氧氣由空氣鼓風(fēng)機(jī)從大氣中引入裝置。本工藝開(kāi)工 階段利用電加熱器加熱尾氣的方式進(jìn)行開(kāi)工預(yù)熱， 正常運(yùn)行時(shí)電加熱器停用。

1.3 主要控制方案

為保證催化燃燒工藝在處理工藝尾氣時(shí)能高效安全平穩(wěn)的運(yùn)行，主要的控制與聯(lián)鎖方案如下：

（1）催化燃燒反應(yīng)器出口溫度控制——催化燃燒反應(yīng)器的出口溫度控制是通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)凈化尾氣量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)催化燃燒反應(yīng)器出口溫度大于設(shè)定值時(shí)，增大循環(huán)鼓風(fēng)機(jī)入口調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，增大循 環(huán)尾氣量，使催化燃燒反應(yīng)器出口溫度回到設(shè)定值；當(dāng)催化燃燒反應(yīng)器出口溫度小于設(shè)定值時(shí)，減小循環(huán)鼓風(fēng)機(jī)入口調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，降低循環(huán)尾氣量，使催化燃燒反應(yīng)器出口溫度回到設(shè)定值。

（2）催化燃燒反應(yīng)器入口溫度控制——催化燃燒反應(yīng)器的入口溫度是通過(guò)調(diào)節(jié)尾氣換熱器旁路調(diào)節(jié)閥來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)催化燃燒反應(yīng)器入口溫度大于設(shè)定值時(shí)，增大尾氣換熱器旁路調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，減小 換熱尾氣量，使催化燃燒反應(yīng)器入口溫度回到設(shè)定值；當(dāng)催化燃燒反應(yīng)器入口溫度小于設(shè)定值時(shí)，減小尾氣換熱器旁路調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，增大換熱尾氣量，使催化燃燒反應(yīng)器入口溫度回到設(shè)定值。

（3）當(dāng)催化燃燒反應(yīng)器催化劑床層測(cè)溫超過(guò)設(shè)定值、循環(huán)尾氣冷卻器出口測(cè)溫超過(guò)設(shè)定值、循環(huán) 鼓風(fēng)機(jī)出口流量低于設(shè)定值、循環(huán)鼓風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行或空氣鼓風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行時(shí)，以上條件，只要滿足一 個(gè)即觸發(fā)聯(lián)鎖，即關(guān)閉尾氣調(diào)節(jié)閥，同時(shí)打開(kāi)尾氣放空閥、關(guān)閉空氣鼓風(fēng)機(jī)、空氣調(diào)節(jié)閥以及停增壓風(fēng)機(jī)。

1.4 應(yīng)用效果

某石化公司聚丙烯裝置在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)向大氣中排放聚丙烯尾氣，其組成如表 1 所示。

表 1 聚丙烯尾氣組成和性質(zhì)

M-303 尾氣中非甲烷總烴數(shù)值約為 65 477 mg/ Nm3，遠(yuǎn)超國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《合成樹(shù)脂工業(yè)污染物排放標(biāo) 準(zhǔn)》（GB 31572-2015）對(duì)合成樹(shù)脂工業(yè)非甲烷總烴 的排放要求（非甲烷總烴排放限值為 100 mg/m3 ）。 由于 M-303 尾氣有機(jī)烴濃度不高，回收沒(méi)有太 大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，考慮直接采用催化燃燒工藝對(duì)M-303尾氣進(jìn)行治理。

由于尾氣中含有少量對(duì)催化 劑有毒物質(zhì) HCL，首先采用堿洗除去 HCL，之后進(jìn) 入催化燃燒單元除去尾氣中的非甲烷總烴，工藝流 程如圖 1 所示。

在反應(yīng)器入口溫度 350~450 ℃的條件下，經(jīng)過(guò) 催化燃燒裝置處理，凈化氣體中的非甲烷總烴濃度 低于 60 mg/m3 ，符合我國(guó)《合成樹(shù)脂工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 31572-2015）規(guī)定的排放要求。

2 催化燃燒處理污水處理場(chǎng)廢氣

2.1 污水處理場(chǎng)廢氣特點(diǎn)煉油與石油化工企業(yè)污水處理場(chǎng)排放的廢氣 具有以下特點(diǎn)：

（1）濃度與流量波動(dòng)較大；

（2）污水處理場(chǎng)排放的廢氣含有充足的氧氣；

（3）污水處理場(chǎng)前端構(gòu)筑物如隔油池、浮選 池等排放的廢氣中非甲烷總烴濃度較高，約為 2 000~5 000 mg/m3 ，可考慮直接采用催化燃燒工藝來(lái) 進(jìn)行處理；后端構(gòu)筑物如曝氣池、生化池等排放的 廢氣中非甲烷總烴濃度較低，約為 100~500 mg/m3 ， 如直接采用催化燃燒工藝處理能耗較高，可考慮先 采用吸附濃縮再采用催化燃燒工藝來(lái)進(jìn)行處理；

（4）污水處理場(chǎng)排放的廢氣中含有硫化氫、 硫醇、硫醚等易使催化燃燒催化劑中毒的組分。

2.2 污水處理場(chǎng)廢氣處理工藝流程

根據(jù)污水處理場(chǎng)排放廢氣的特點(diǎn)，處理污水處 理場(chǎng)廢氣的催化燃燒工藝如圖 2 所示。

圖 2 催化燃燒工藝處理污水處理場(chǎng)廢氣

隔油池、浮選池等構(gòu)筑物逸散的含 VOCs 廢氣 由催化風(fēng)機(jī)引出經(jīng)阻火器進(jìn)入脫硫罐，脫硫罐中內(nèi) 置脫硫吸附劑，脫除廢氣中的有機(jī)硫、無(wú)機(jī)硫。脫 硫處理之后的廢氣之后進(jìn)入均化罐，利用均化罐中 的均化劑完成廢氣總烴濃度的均化，使廢氣中的總 烴濃度維持在較穩(wěn)定的水平避免對(duì)催化燃燒反應(yīng)器 的沖擊。

經(jīng)過(guò)脫硫、均化的廢氣與空氣混合，使廢 氣中的總烴濃度滿足催化燃燒反應(yīng)器對(duì)濃度的要求 （濃度低于爆炸下限的 25%），之后廢氣進(jìn)入過(guò)濾 器，脫除廢氣中的顆粒物，避免堵塞催化劑床層。 經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的廢氣進(jìn)入尾氣換熱器，與燃燒后的 高溫尾氣充分換熱，進(jìn)入催化燃燒反應(yīng)器，在催化 劑的作用下，與氧氣進(jìn)行催化燃燒反應(yīng)，將廢氣中 的 VOCs 組分轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水，并釋放出大量 的反應(yīng)熱。從催化燃燒反應(yīng)器出來(lái)的凈化氣體攜帶 熱量，進(jìn)入尾氣換熱器與待處理廢氣進(jìn)行充分換熱。 最后凈化尾氣通過(guò)排氣筒排放到大氣中。

2.3 主要控制方案

為保證催化燃燒工藝在處理污水處理場(chǎng)廢氣時(shí)能 高效安全平穩(wěn)的運(yùn)行，主要的控制與聯(lián)鎖方案如下：

（1）催化燃燒反應(yīng)器出口溫度控制——催化燃 燒反應(yīng)器的出口溫度控制是通過(guò)調(diào)節(jié)空氣量來(lái)實(shí)現(xiàn) 的。當(dāng)催化燃燒反應(yīng)器出口溫度大于設(shè)定值時(shí)，增 大空氣入口調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，增大空氣量，使催化燃 燒反應(yīng)器出口溫度回到設(shè)定值；當(dāng)催化燃燒反應(yīng)器 出口溫度小于設(shè)定值時(shí)，減小空氣入口調(diào)節(jié)閥的開(kāi) 度，降低空氣量，使催化燃燒反應(yīng)器出口溫度回到 設(shè)定值。

（2）催化燃燒反應(yīng)器入口溫度控制——催化燃 燒反應(yīng)器的入口溫度是通過(guò)調(diào)節(jié)電加熱器輸出功率 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)催化燃燒反應(yīng)器入口溫度大于設(shè)定值 時(shí)，降低電加熱器輸出功率，使催化燃燒反應(yīng)器入 口溫度回到設(shè)定值；當(dāng)催化燃燒反應(yīng)器入口溫度小 于設(shè)定值時(shí)，增大電加熱器輸出功率，使催化燃燒 反應(yīng)器入口溫度回到設(shè)定值。

（3）當(dāng)催化燃燒反應(yīng)器入口溫度超過(guò)設(shè)定值、 催化燃燒反應(yīng)器出口溫度超過(guò)設(shè)定值、電加熱器內(nèi) 部溫度超過(guò)設(shè)定值或電加熱器故障時(shí)，以上條件， 只要滿足一個(gè)即觸發(fā)聯(lián)鎖即切斷廢氣進(jìn)裝置、全開(kāi) 空氣閥、關(guān)閉電加熱器。

2.4 應(yīng)用效果

某污水處理場(chǎng)預(yù)處理設(shè)施在水處理過(guò)程中會(huì)向 外逸散含 VOCs 惡臭廢氣，其組成如表 2 所示。

表 2 污水處理場(chǎng)廢氣組成和性質(zhì)

由表 2 可知，污水處理場(chǎng)隔油池、浮選池等污 水預(yù)處理設(shè)施排放的廢氣遠(yuǎn)超國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《石油煉制 工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 31570-2015）對(duì)污水處 理場(chǎng)廢氣排放要求（非甲烷總烴排放限值為 120 mg/ Nm3 ，苯排放限值為 4 mg/Nm3 ，甲苯排放限值為 15 mg/ Nm3 ，二甲苯排放限值為 20 mg/Nm3 ）。

由于污水處理場(chǎng)預(yù)處理設(shè)施排放的廢氣達(dá)到 3 000 mg/Nm3 ，廢氣燃燒放出的熱量可維持系統(tǒng)的 熱量平衡，因此考慮直接采用催化燃燒工藝對(duì)廢氣 進(jìn)行治理。廢氣中含有的對(duì)催化劑有毒物質(zhì)硫化氫、 甲硫醇，首先采用干法脫硫吸附脫除（總硫小于 10 mg/Nm3 ），之后進(jìn)入催化燃燒單元除去尾氣中的非 甲烷總烴、三苯類物質(zhì)，工藝流程如圖 2 所示。

表 3 催化燃燒處理工藝尾氣及污水處理

在反應(yīng)器入口溫度 250~350 ℃的條件下，經(jīng)過(guò) 催化燃燒裝置處理，凈化氣體中的非甲烷總烴濃度 低于 100 mg/Nm3 、苯濃度低于 3 mg/Nm3 、甲苯濃度 低于 10 mg/Nm3 ，二甲苯濃度低于 10 mg/Nm3 ，符合 我國(guó)《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（ GB 31570-2015）規(guī)定的排放要求。

3 結(jié) 論

針對(duì)工藝尾氣及污水處理場(chǎng)廢氣的不同特點(diǎn)， 對(duì)催化燃燒工藝處理這兩類廢氣的工藝流程及主要 控制方案進(jìn)行了研究，結(jié)果對(duì)比如表 3 所示。 采用催化燃燒工藝來(lái)處理工藝尾氣及污水處理 場(chǎng)廢氣時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同種類廢氣的特點(diǎn)合理組織工 藝流程及控制聯(lián)鎖方案：針對(duì)工藝尾氣采用堿洗— 催化燃燒組合工藝，針對(duì)污水處理場(chǎng)廢氣采用脫硫 —均化—催化燃燒組合工藝。研究表明，針對(duì)上述 兩種廢氣，合理選擇催化燃燒組合工藝及控制方案， 能夠有效處理廢氣中的 VOCs 組分，且處理后的氣 體烴類濃度均可達(dá)到國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。