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)量和人體健康帶來嚴(yán)重威脅.針對工藝尾氣和污水處理場廢氣的特點(diǎn),研究了催化燃燒工藝在處理這兩類廢氣時工藝流程及控制方案.對工藝尾氣采用堿洗—催化燃燒組合工藝,對污水處理場廢氣采用脫硫一均化—催化燃燒組合工藝.研究表明,針對上述兩種廢氣,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會向空氣中逸散含VOCs廢氣。此類廢氣不僅會導(dǎo)致區(qū)域空氣質(zhì)量下降，而且其中的某些成分會刺激人體的呼吸道系統(tǒng)、血液系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)，職工長期接觸這類廢氣會對人體健康造成嚴(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存在能耗較高的缺點(diǎn)；采用冷凝法和吸收法時，對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)有的生物凈化法對高VOCs濃度廢氣去除效果有限；催化燃燒工藝對廢氣中的污染物凈化效率高，可滿足苛刻的國家環(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。

本研究針對工藝尾氣和污水處理場逸散廢氣的特點(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）濃度與流量波動較小；

（2）有機(jī)工藝尾氣中不含有氧氣；

（3）對高濃度具有回收價值的尾氣應(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)器出來的凈化氣體進(jìn)入尾氣換熱器回收熱量，凈化尾氣通過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。本工藝開工 階段利用電加熱器加熱尾氣的方式進(jìn)行開工預(yù)熱， 正常運(yùn)行時電加熱器停用。

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調(diào)節(jié)循環(huán)凈化尾氣量來實(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，增大循環(huán)鼓風(fēng)機(jī)入口調(diào)節(jié)閥的開度，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，減小循環(huán)鼓風(fēng)機(jī)入口調(diào)節(jié)閥的開度，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調(diào)節(jié)尾氣換熱器旁路調(diào)節(jié)閥來實(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，增大尾氣換熱器旁路調(diào)節(jié)閥的開度，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，減小尾氣換熱器旁路調(diào)節(jié)閥的開度，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)器催化劑床層測溫超過設(shè)定值、循環(huán)尾氣冷卻器出口測溫超過設(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，以上條件，只要滿足一 個即觸發(fā)聯(lián)鎖，即關(guān)閉尾氣調(diào)節(jié)閥，同時打開尾氣放空閥、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)過程中會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)超國家標(biāo)準(zhǔn)《合成樹脂工業(yè)污染物排放標(biāo) 準(zhǔn)》（GB 31572-2015）對合成樹脂工業(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，回收沒有太 大的經(jīng)濟(jì)價值，考慮直接采用催化燃燒工藝對M-303尾氣進(jìn)行治理。

由于尾氣中含有少量對催化 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 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《合成樹脂工業(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廢氣

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

（1）濃度與流量波動較大；

（2）污水處理場排放的廢氣含有充足的氧氣；

（3）污水處理場前端構(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 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進(jìn)行處理；

（4）污水處理場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 污水處理場廢氣處理工藝流程

根據(jù)污水處理場排放廢氣的特點(diǎn)，處理污水處 理場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)定的水平避免對催化燃燒反應(yīng)器 的沖擊。

經(jīng)過脫硫、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)器對濃度的要求 （濃度低于爆炸下限的 25%），之后廢氣進(jìn)入過濾 器，脫除廢氣中的顆粒物，避免堵塞催化劑床層。 經(jīng)過預(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廢氣時能 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調(diào)節(jié)空氣量來實(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，增 大空氣入口調(diào)節(jié)閥的開度，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，減小空氣入口調(diào)節(jié)閥的開 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調(diào)節(jié)電加熱器輸出功率 來實(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，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，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)器入口溫度超過設(shè)定值、 催化燃燒反應(yīng)器出口溫度超過設(shè)定值、電加熱器內(nèi) 部溫度超過設(shè)定值或電加熱器故障時，以上條件， 只要滿足一個即觸發(fā)聯(lián)鎖即切斷廢氣進(jìn)裝置、全開 空氣閥、關(guān)閉電加熱器。

2.4 應(yīng)用效果

某污水處理場預(yù)處理設(shè)施在水處理過程中會向 外逸散含 VOCs 惡臭廢氣，其組成如表 2 所示。

表 2 污水處理場廢氣組成和性質(zhì)

由表 2 可知，污水處理場隔油池、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）對污水處 理場廢氣排放要求（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廢氣 進(jìn)行治理。廢氣中含有的對催化劑有毒物質(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 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《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

針對工藝尾氣及污水處理場廢氣的不同特點(diǎn)， 對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)果對比如表 3 所示。 采用催化燃燒工藝來處理工藝尾氣及污水處理 場廢氣時，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：針對工藝尾氣采用堿洗— 催化燃燒組合工藝，針對污水處理場廢氣采用脫硫 —均化—催化燃燒組合工藝。研究表明，針對上述 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)到國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。