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石化装置有机废气处理
文档作者:
孙发群
文档来源:
中国石化工程建设公司
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2021年05月10日
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2010年第26表第4期 蠢 孙发群.石化装置有机废气处理 蚤 石化装置有机废气处理 孙发群 (中国石化工程建设公司,北京100101) 摘要:简要介绍了直接燃烧和热力燃烧在有机废气处理中的应用和特点,阐述了催化 燃烧的基本原理和工艺特点,总结了有机废气处理方案选择的要点,并以某大型环氧丙 苯 乙烯装置为例,详细介绍了催化燃烧技术处理有机废气的工程设计实例。 关键词:废气治理;直接燃烧;热力燃烧;催化燃烧 在石化装置的运行过程中,会产生大量的挥 发性有机物废气,如果不经处理而直接排放,将 会对周围环境造成严重污染,危害人体健康,因 此必须对之进行有效的净化后才能排人大气。有 机废气的治理技术有冷凝法、吸收法、吸附法及 燃烧法等,近年来又出现了一些新技术,如生物 处理法、放电等离子体法和TiO:光催化法等 j, 但这些新技术目前大多停留在实验室和工业化试 验阶段。在石化装置中应用范围最广的是燃烧 法,燃烧法工艺简单,操作方便,现已广泛应用 于石油化工、食品、材料等主要含有碳氢化合物 废气的净化。燃烧法分为直接燃烧、热力燃烧和 催化燃烧。 1 直接燃烧 直接燃烧适用于净化可燃有害组分浓度较高 的废气,或者是用于净化有害组分燃烧时热值较 高的废气。因为只有在燃烧时放出的热量能够补 偿散向环境的热量时,才能保持燃烧区的温度, 维持燃烧的进行。一般来说,安全的直接燃烧 法,废气中有机物的浓度应在爆炸下限的25% 以内 。 直接燃烧不需要预热,设备可以是一般的 炉、窑,石化装置中主要采用火炬燃烧。火炬燃 烧的优点是安全简单、成本低、结构简单,但它 的主要缺点是燃烧后对环境造成二次污染,以及 不能回收热能而造成热辐射;在实际操作中应尽 量减少火炬燃烧。 2 热力燃烧 如果废气中可燃物含量较低,不能维持燃烧 时可以采用热力燃烧法处理。热力燃烧主要依靠 辅助燃料燃烧时产生的热能,提高废气的温度, 使废气中烃及其它污染物迅速氧化,转变为无害 的二氧化碳和水蒸气。 热力燃烧可以在普通的燃烧炉(焚烧炉)中 进行。温度和停留时间是影响热力燃烧的重要因 素。不同的气态污染物,在燃烧炉中完全燃烧所 需的温度和停留时间不同。 热力燃烧过程中产生的大量热能,应尽可能 进行回收利用,比如燃烧后净化气的热量可以用 于预热待处理废气,预热补充的燃烧空气,或通 过换热转换到其它液体中,产生热水、蒸汽和热 油,或被用作加热介质。热力燃烧也可以利用工 厂现有加热炉或锅炉燃烧室进行,能减少设备投 资,操作费用和辅助燃料消耗,但要注意废气流 量不宜过大,保证燃烧完全 。 热力燃烧可适用于各种气体的燃烧,能除去 有机物及超细颗粒物,设备结构简单, 占用空间 小,维修费用低。主要缺点是操作费用高,易发 生回火,燃烧不完全时产生恶臭。 收稿日期:2010—06—02。 作者简介:孙发群,男,2001年毕业于北京化工大 学工业催化专业,获工学硕士学位,现在中国石化 工程建设公司从事化工工艺系统设计工作,工程师。 电话:010—84876835,E—mml:sunfq@sei.corn.cn S 《 石油4~.z-安全环保技术 2010年第26卷第4期 3 催化燃烧 催化燃烧是指在催化剂存在下,废气中可燃 组分能在较低温度下进行燃烧,利用催化剂的催 化活性将有机组分直接完全氧化成CO 和H 0。 由表1可见,与前两种燃烧法相比,催化燃烧 为无火焰燃烧,安全性好。燃烧温度要求低, 大部分烃类和CO在300~450℃ 之间即可完成 反应,在某些情况下,达到起燃温度后便无需 外界供热,故辅助燃料消耗少,节省能源。对 废气可燃组分的浓度和热值限制少,适应范 围广。 表1 燃烧法分类及其特点⋯ 方法 适应范围 燃烧温度,℃ 燃烧产物 燃烧方式 直接燃烧 含有可燃组分浓度高或热值高的废气 >l100 CO2、H2O、N2 高温火焰 热力燃烧 含有可燃组分浓度低或热值低的废气 720—820 CO2、H20 有火焰燃烧,需加辅助燃料 催化燃烧 基本上不受可燃组分的浓度与热值限制 300~450 CO2、H20 催化剂表面无焰燃烧 3.1 催化燃烧的机理 催化燃烧实际上为完全的催化氧化,是典型 的气一固相催化反应,其实质是活性氧参与深度 氧化作用。在催化燃烧过程中,催化剂的作用是 降低活化能,同时使反应物分子富集于催化剂表 面提高了反应速率。借助催化剂可使有机废气在 较低的起燃温度条件下,发生无焰燃烧,并氧化 分解为CO:和H 0,同时放出大量热能,其反应 过程可以表示为 : CnHm+( +m/4)02— ! + CO: + m/ 2H20 +热量 3.2 催化燃烧的工艺特点 催化燃烧基本工艺流程主要由预处理、预热 器、换热器、反应器等组成。催化燃烧工艺流程 的设计应根据废气的处理规模,并结合生产的实 际情况和环保需求考虑适合的工艺流程。 不论采用何种工艺流程,进人催化燃烧装置 的气体首先要经过预处理,除去粉尘、液滴及有 害组分,避免催化床层的堵塞和催化剂中毒,延 长催化剂使用寿命。 进入催化床层的气体温度必须要达到所用催 化剂的起燃温度,催化反应才能进行。因此对于 低于起燃温度的进气,必须进行预热使其达到起 燃温度。特别是开车时,对冷空气必须进行预 热。气体的预热方式可以采用电加热。 催化燃烧反应放出大量的反应热,因此燃烧 尾气温度很高,对这部分热量必须回收。一般是 首先通过换热器将高温尾气与进口低温气体进行 热交换以减少预热能耗,剩余热量可采用其它方 式进行回收。当排出的有机废气温度达到300 oC 以上,可不设置预热器和换热器,但燃烧尾气的 热量仍应回收。 综上所述,有机废气经过催化燃烧处理, 苯、甲苯、非甲烷总烃等的去除率一般在95% 以 上,最终产物为无害的CO 和H:0,由于燃烧温 度低,能大量减少NO 的生成,因此无二次污染 问题 4 有机废气处理方案选择 在做方案选择时,必须综合考虑各方面的因 素,权衡利弊,最好选择一种经济上较合理、符 合生产实际、达到排放标准的最佳方案。可以根 据污染物的性质、污染物浓度、生产的具体情况 及净化要求以及经济性进行考虑,最佳方案应当 尽量减少设备费和运转费。各种净化方法都有自 己的特点,也有其不足之处。要针对具体情况, 取长补短,因地制宜选择合适的净化方法。 5 催化燃烧处理有机废气实例 5.1 有机废气组成 以某大型环氧丙烷/苯乙烯(简称POSM)装 置为例,环氧丙烷/苯乙烯生产过程中会产生大 量的挥发性有机物废气,废气中主要含有乙醛、 环氧丙烷、苯乙烯、乙苯等污染物,正常工况下 有机物浓度在2 800 mg/Nm 以上,废气排放量高 达86 000 Nm /h。POSM装置的废气系统共有六 种工况(见表2),即正常工况、设计工况、最大 流量工况、最小流量工况、最大有机物工况以及 最大乙苯工况,各种工况下的废气流量及组成不 2010年第26卷第4期 夤 孙发群.石化装置有机废气壅 墅— 尽相同,废气的种类、流量和浓度变化范围相当 宽。根据废气的组成和装置的环保要求,结合催 化燃烧技术的特点,POSM装置的废气可以采用 催化燃烧进行处理。 5.2 废气处理工艺流程 POSM装置催化燃烧处理有机废气工艺流程见 图i。主装置的有机废气通过输送管道引入催化燃 烧处理单元,在正常运转状态下,废气首先经过阻 火器进入热管气一气换热器与氧化反应产物进行换 热,再经过燃烧加热器加热后进人催化燃烧反应器 进行氧化反应,反应产物再经热管气~气换热器换 热回收热量后通过排气烟囱排放到大气中。 在催化燃烧系统开工初期,首先启动开工风机 用空气进行循环,然后用燃烧加热器加热空气逐渐 将系统温度升至催化氧化反应所需的温度,然后将 废气引人催化燃烧系统进行处理。废气进入装置 后,通过燃烧加热器进行预热,并经换热过程使废 气逐渐达到催化燃烧反应温度条件,实现催化燃烧 反应。在反应器中,废气中的有机污染物在Pt、 Pd催化剂作用下,在240~550℃温度条件下与氧 气发生反应,将污染性的有机挥发物氧化为H:O 和CO:,并释放出大量的反应热。 在正常工况下,通过催化燃烧装置处理后, 主装置废气的有机污染物去除率设计值达97% 以上,排放气体浓度均小于国家标准要求。处理 后实现达标的废气,携带大量的热能通过换热器 对未处理废气进行预热,经充分回收热量后,通 过排气烟囱排放到大气中。 表2 POSM 装置废气处理量 工况1: 工况2: 工流量/(k 况3: 工况4: 工况5: 工况6: g·h ) 正常工况 设计工况 最大流量 最小流量 最大有机物 最大乙苯 总流量/(kg·h ) 98912 103708 107096 49189 1O4667 994l2 氮气 94l83.4 98260 98663 46791 98260 94183.4 氧气 3284.1 344l 7145 1639 3441 3284.1 水 1217 1236 l288 589 1236 l2l7 甲烷 4 94 O 55 94 4 C3’s(丙烷) 5.4 ll O 3 11 5.4 乙醛 5.4 29 O 3 29 5.4 甲酸 0.6 1 O 1 1 0.6 环氧丙烷 3.9 41 O 2 1ooO 3.9 丙醛 6 19 O 6 19 6 苯 3 l6 O 3 l6 3 甲苯 1 24 0 1 24 l 苯乙烯 17 17 0 17 17 17 苯甲醛 4 6 0 2 6 4 乙苯 106 168 0 39 168 606 苯甲醇 O.2 l 0 O 1 0.2 苯乙酮 20 1l2 0 1l 112 20 异丙基苯 1 3 O 3 3 1 甲基苄醇 50 229 O 24 229 50 有机物合计 223.5 677 0 115 1636 723.5 5.3 废气处理工况分析 针对POSM装置废气的多种工况,催化燃烧系 统应适应废气含烃量高、低等特殊工况,可设计成 两套并列的A/B单元,每一单元都能单独处理全部 废气。在通常情况下,两套处理单元同时运转,每 一单元的处理量为进料的50%;当其中的一套停车 或检修时,可以将废气通过另一套处理单元全部处 理,这样可以增加废气处理的灵活性和可靠性。 辩 石油化工安全环保技术 嘶 2010年第26卷第4期 图1 催化燃烧处理废气工艺流程 对于最大有机物排放工况(工况5),由于废 气中有机可燃物流量达到1 636 Kg/h,废气在反 应器中发生催化氧化反应,放出大量反应热,有 可能造成反应器出口超温,为避免超温,可通过 补充稀释空气,降低废气浓度,使反应器出口温 度控制在550℃ 以内。 对于正常工况(工况1)、设计工况(工况 2)、最大乙苯工况(工况6)以及最小流量工况 (工况4),废气中有机物含量较高,不用添加稀 释空气,可将排放废气全部处理。反应后的高温 气体,通过热管式气一气换热器回收热能,换热 后达标废气直接通过烟囱排放,废气进气可达到 催化氧化反应启动温度,不用另外通过火焰燃烧 器加热,装置可实现自维持操作。 当废气中有机物浓度很低,或者出现工况3 的极端情况时,废气中几乎不含有机物,废气中 烃类物质的氧化反应产生的热量较少(或者没有 产生热量),通过热管式气一气换热器回收热能 后,无法达到催化氧化反应需要的启动温度,这 时需要增加燃料气进气量补充热量,燃烧系统自 动控制加大燃烧负荷补充热量不足,稀释空气量 为零,通过增加燃气进气量来维持反应器床层温 度的稳定,此时可实现催化氧化正常反应。 6 结语 石化装置有机废气的处理应根据废气的性 质、浓度及生产实际情况,并结合经济性选择最 佳的净化方案。相比于有机废气的直接燃烧和热 力燃烧,催化燃烧技术是一种节能、高效、更加 环保的净化方法,它不仅净化效率高,而且运行 稳定,能耗低,随着国家节能减排政策的大力实 施,相信催化燃烧技术在石化装置有机废气处理 中会得到进一步的推广和应用。 参考文献: [1] 朱伟,刘建新.石油化工中有机废气处理研究 进展[J].化工时刊,2008,22(3):71-75. [2] 吴忠标,主编.大气污染控制工程[M].北 京:科学出版社,2002. [3] 童志权,主编.工业废气净化与利用[M]. 北京:化学工业出版社,2001. [4] 邝生鲁,主编.化学工程师技术全书[M]. 北京:化学工业出版社,2002. [5] 孟丹,祁永智,丁瑞星.有机废气的催化燃 烧[J].洛阳工学院学报,2000,21(3): 91~94
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