高魯兵,吳飛(山東濱華新材料有限公司,山東 濱州 256600)
目前環(huán)氧丙烷車間氯醇化尾氣經(jīng)過尾氣一級、二級堿洗塔洗滌后,增加空氣稀釋至低于氣體爆炸下限的25%,再送至粒堿車間熔鹽爐進行焚燒。為降低管理、運行成本,計劃將環(huán)氧丙烷車間氯醇化尾氣引入蓄熱式焚燒爐系統(tǒng)處理。
RTO裝置是一種高效的有機廢氣處理設(shè)備,其工作原理是把有機廢氣加熱到800 ℃以上,使廢氣中的VOCs氧化熱解為二氧化碳和水。氧化過程產(chǎn)生的熱量存儲在特制的陶瓷蓄熱體,使蓄熱體升溫“蓄熱”。陶瓷蓄熱體內(nèi)儲存的熱量用于預(yù)熱后續(xù)進入的有機廢氣,該過程為陶瓷蓄熱體的“放熱”過程,可以實現(xiàn)低濃度廢氣(VOCs含量在0.10%~0.25%)的穩(wěn)定熱解而不需要新增熱源,從而節(jié)省廢氣升溫過程的燃料消耗[1]。
本設(shè)計為環(huán)氧丙烷氯醇化尾氣治理設(shè)計。主要使用助燃風機、RTO系統(tǒng)、急冷塔、堿洗塔、水洗塔、活性炭過濾器、緩沖罐及各類機泵等設(shè)備。
環(huán)氧丙烷氯醇化尾氣成分參數(shù)分別如下: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%,氧氣含量8.64%,氮氣含量78.06%,水蒸氣含量8.5%。
環(huán)氧丙烷車間氯醇化尾氣經(jīng)水封隔離后,安全稀釋混合送至預(yù)處理系統(tǒng),預(yù)處理裝置包括廢氣混合器、廢氣風機,通過再次將廢氣濃度稀釋,確保輸入RTO系統(tǒng)的廢氣滿足系統(tǒng)安全焚燒的標準。已經(jīng)經(jīng)過新風稀釋的廢氣再次采用循環(huán)煙氣對廢氣進行稀釋,既減少了煙氣的排放量,同時又可以降低廢氣的濃度,提高廢氣處理效率和提高系統(tǒng)的安全性,防止因廢氣濃度偏高而引起爐膛溫度超高。
RTO系統(tǒng)出口煙氣溫度約為150 ℃,煙氣中的氯化氫濃度約為750 mg/Nm3,采用循環(huán)堿液(大水量)進行空塔噴淋中和吸收其中的氯化氫,同時通過水蒸發(fā)氣化潛熱降低煙氣溫度,急冷塔對氯化氫的吸收效率約為70%。
經(jīng)冷卻吸收的煙氣先后進入一、二級噴淋吸收塔進行兩級堿吸收,單級堿吸收氯化氫效率90%。一、二級噴淋吸收塔循環(huán)管路設(shè)置列管式冷卻器,通過循環(huán)水將系統(tǒng)中的熱量移出,同時降低煙氣水蒸氣含量。
經(jīng)二級堿洗后的煙氣再進行入水洗噴淋吸收塔進行洗滌,去除廢氣夾帶的堿沫,防止鹽(堿)沫在后續(xù)干燥形成顆粒物。
煙氣凈化所采用的液堿從二級噴淋吸收塔循環(huán)泵進口加入,液堿采用氣動加堿閥與pH計聯(lián)鎖定量加入,確保堿液中和吸收效果。
堿液與煙氣為逆流運行,每級以泵壓打入上一級噴淋管中,最后打入急冷塔循環(huán)系統(tǒng)中,循環(huán)液經(jīng)急冷塔蒸發(fā)提濃后外排至現(xiàn)有車間清液池。
RTO系統(tǒng)排污、廢氣風機、引風機、高效除霧、煙囪阻火器、均排至排污地溝。
加熱器冷凝水排至急冷塔水池。
煙氣從蓄熱體流過時間=蓄熱體高度/煙氣流速=2.1/2.1=1 s。
二噁英為多苯有機化合物,屬于劇毒物質(zhì),是含氯廢料在燃燒過程中產(chǎn)生的。二噁英氣體在700 ℃以上分解,煙氣在500~200 ℃時又有少量合成。為防止二噁英的生成,煙氣從500 ℃降溫到200 ℃的時間應(yīng)該控制在1 s之內(nèi),根據(jù)計算得出從500 ℃降溫到200 ℃時間為0.4 s符合二噁英的再生控制標準。
用于平衡爐膛溫度的高溫釋放煙氣與RTO底部的低溫煙氣在煙氣混合箱內(nèi)迅速混合急冷,混合段容積1.3 m3,當廢氣處理量大于4 500 m3/h時,應(yīng)確保高溫急冷(500~200 ℃)停留時間小于1 s。
廢氣中同時含“含氯有機物”、“含苯(或呋喃)環(huán)有機物”,滿足二噁英再合成條件的原料條件,受RTO系統(tǒng)工藝條件的限制,系統(tǒng)排煙可能存在“二噁英”不達標的風險。
活性炭吸附是危廢焚燒標準處理二噁英的方法,所以煙氣經(jīng)多級堿吸收和水洗后,可以采用高效除霧器去除游離水,再設(shè)置煙氣加熱器降低煙氣濕度后送活性炭過濾去除二噁英。高效除霧器采用纖維除霧器,將5 μm以上的水顆粒去除,去除率達98%以上,同時將煙氣游離水降低至5 mg/Nm3以下。
根據(jù)廢氣成分分析,采用RTO處理,VOCs去除率高,可滿足相關(guān)排放標準;(1)RTO裝置燃燒室內(nèi)的任何位置,在各工況下的燃燒溫度均≥760 ℃,且煙氣停留時間≥0.75 s。幾乎可用于處理所有含有機化合物的廢氣,適用于處理醫(yī)藥化工行業(yè)中VOCs 組成復雜的氣體,包括烷烴、烯烴、芳香烴、鹵代烴、含氧烴、氮烴、硫烴、低沸點多環(huán)芳烴等均能被氧化分解成CO2和H2O。(2)燃燒產(chǎn)生的高溫氣體流經(jīng)特制的陶瓷蓄熱體,熱量用于預(yù)熱后續(xù)進入的有機廢氣,可以節(jié)省廢氣升溫的燃料消耗,且分解效率較高,一般為95%~99%。(3)蓄熱室內(nèi)溫度均勻分級增加,廢氣在爐內(nèi)高溫蓄熱體中開始逐層燃燒,延緩燃燒能量的釋放,爐內(nèi)溫升均勻,無高溫鋒面,燃燒噪聲低,而且不存在傳統(tǒng)燃燒的高溫高氧區(qū),抑制了氮氧化物的產(chǎn)生。(4)采用莫來石材料的蓄熱陶瓷,具有耐熱沖擊性能好、導熱系數(shù)高、膨脹系數(shù)低機械強度大、不易變形、使用壽命長等特點。(5)三床式RTO技術(shù)成熟,應(yīng)用廣泛,正常運行時三個蓄熱床分別處于蓄熱、放熱、吹掃階段,程控閥自動控制,使氣體能夠持續(xù)穩(wěn)定得到處理。(6)設(shè)置在線可燃氣體監(jiān)測器,實現(xiàn)實時監(jiān)測,安全聯(lián)鎖;設(shè)備入口設(shè)置阻火器、防止燃燒室壓力波動,造成回火;RTO燃燒室設(shè)有爆破片,起到瞬間泄壓作用,防止爆炸危險。(7)RTO系統(tǒng)采用DCS自動控制,可實現(xiàn)一系列安全措施,燃燒室內(nèi)裝有火焰探測器,火焰探測器與長明火燃燒器連鎖控制,當火焰檢知器檢測不到火焰時,廢氣進氣閥關(guān)閉,出氣閥門及旁通閥門打開。 燃燒室內(nèi)設(shè)有長明火燃燒器、保證氧化室內(nèi)任何時候都有明火,不會由于氣體濃度的變化而引起爆燃。(8)廢氣進RTO裝置前廢氣管道上裝有不銹鋼阻火器,不會因回火發(fā)生爆炸。廢氣進界區(qū)前設(shè)過濾器,過濾顆粒物和黏性物質(zhì),避免堵塞陶瓷[2]。
環(huán)氧丙烷氯醇化尾氣采用三床RTO工藝,RTO設(shè)計負荷為可處理稀釋后的氯醇化尾氣10 000 m3/h,熱效率95%,具體工藝方案如下:(1)風量計算:根據(jù)RTO實際運行經(jīng)驗,有機物濃度大于3 000 mg/m3時可維持自身熱平衡,無需增加天然氣用量,但當有機物濃度過高,反應(yīng)熱量不能及時移走時也存在安全隱患。本方案采取兩種方式將過剩的熱量移走,一是多余的高溫煙氣經(jīng)過急冷后排放,二是適當稀釋至3 000 mg/m3以上濃度,既能維持自運行,又能轉(zhuǎn)移部分過剩熱量,減小急冷塔壓力。綜合考慮輸送安全和運行安全,RTO系統(tǒng)設(shè)計進氣量為10 000 m3/h。(2)配風輸送:環(huán)氧丙烷氯醇化尾氣先配風至9 000 m3/h以上,然后經(jīng)過LEL可燃氣體在線監(jiān)測儀,經(jīng)過阻火器,再經(jīng)過濾器或除霧器去除顆粒物以防止顆粒物堵塞后續(xù)的設(shè)備設(shè)施,進入主風機。(3)蓄熱式燃燒:三床式RTO由三臺蓄熱式組成,正常運行時,三個床分別處于廢氣預(yù)熱階段、煙氣蓄熱階段和吹掃清洗階段,通過PLC控制氣動程控閥的切換,使廢氣周期性地分別進行入三個陶瓷蓄熱床,經(jīng)過蓄熱床的廢氣進入燃燒室時溫度控制在760 ℃以上,正常運行時不需要額外補充燃料,使廢氣持續(xù)穩(wěn)定地達到處理效果。(4)急冷堿洗:燃燒完的煙氣在蓄熱床放熱后溫度降至100 ℃以下,因為反應(yīng)產(chǎn)物中含有HCL,需要用堿液進行急冷噴淋和兩級堿洗中和處理,堿洗后的凈化氣體送水洗工序。廢堿液經(jīng)管線送至PO裝置廢水池,再送污水處理廠。(5)水洗除霧:堿洗后煙氣通過水洗工序?qū)煔庵袏A帶的鹽、堿顆粒洗滌下來,再經(jīng)除霧裝置除去煙氣中絕大部分水分,防止帶入后續(xù)工序造成結(jié)塊堵塞和活性炭失效。(6)活性炭箱:根據(jù)計算和經(jīng)驗,煙氣中的二噁英可以達標排放,活性炭箱作為預(yù)防工藝波動造成煙氣中二噁英可能不達標排放的把關(guān)手段。
廢氣混合器、空氣過濾器、阻火器、廢氣燃燒室、蓄熱室、布風箱、燃燒器、煙氣混合箱、噴淋急冷塔、急冷塔外置水池、一級煙氣堿洗塔、1#不銹鋼換熱器、二級煙氣堿洗塔等。
廢氣風機、燃燒器、助燃風機、反吹風機等。
本焚燒系統(tǒng)采用DCS自動控制,設(shè)置有就地控制和集中控制,系統(tǒng)負責對廢氣處理設(shè)施各動力設(shè)備實施供電和自動控制。對氧化處理設(shè)備中關(guān)鍵點的溫度、關(guān)鍵設(shè)備的運行狀態(tài)和壓力加以監(jiān)測。為保證廢氣處理系統(tǒng)的正常運行,本設(shè)計通過采集傳輸溫度、壓力的參數(shù)變化信號來達到自控氧化與自控聯(lián)鎖的安全保護功能。
DCS保證整套RTO設(shè)備的自動運行。采用DCS控制,對系統(tǒng)的熱風流向、爐膛溫度進行自動監(jiān)控。當爐膛溫度超過900 ℃時,系統(tǒng)能自動報警;超過 950 ℃時,系統(tǒng)可以自動切斷廢氣輸送。監(jiān)控系統(tǒng)能對主要設(shè)備故障進行聲光報警。
通過對設(shè)置可燃氣體濃度分析儀和循環(huán)煙氣閥開度聯(lián)鎖,確保輸入RTO廢氣濃度在設(shè)計范圍內(nèi)。
給水系統(tǒng):生產(chǎn)用水用量約2 m3/h,主要用于水洗水補水和機泵冷卻水。
排水系統(tǒng):新增生活排水若干,排水系統(tǒng)依托原有;雨水排水系統(tǒng)依托原有;本設(shè)計產(chǎn)生堿洗廢水、中和廢水總量若干,送經(jīng)處理后送污水處理。
供電系統(tǒng):本設(shè)計供電接自環(huán)氧丙烷車間現(xiàn)有配電室,小時用電量若干,現(xiàn)有供電余量可滿足需求。
天然氣:天然氣接自廠區(qū)現(xiàn)有天然氣管網(wǎng),本設(shè)計用氣量若干,現(xiàn)有余量可滿足需求。
儀表風:儀表風由空壓站供應(yīng),由環(huán)氧丙烷車間儀表風管線接入,小時用氣量為若干,現(xiàn)有余量可滿足需求。
低壓蒸汽:由現(xiàn)有蒸汽管網(wǎng)接入,小時用量為若干,余量可滿足需求。
廢氣:本設(shè)計旨在尾氣的治理,治理后可實現(xiàn)達標排放。
設(shè)計運營中產(chǎn)生中和廢水及堿洗廢水若干,與清液混合后送污水處理。
生產(chǎn)過程中無固廢產(chǎn)生。
RTO裝置在有機廢氣收集、輸送、處理等環(huán)節(jié)均存在較大的安全風險,為了實現(xiàn)RT0裝置的本質(zhì)安全,在設(shè)計過程中要充分考慮處理廢氣的理化性質(zhì)、危險特性,同時還要考慮收集、輸送、處置過程等各環(huán)節(jié),以及RTO裝置燃燒器、風機、管道及安全閥、爆破片等安全設(shè)施選型和材質(zhì)等方面產(chǎn)生的安全風險。
(1)RTO裝置安全設(shè)施應(yīng)與主體工程執(zhí)行“三同時”設(shè)計、施工并辦理安全、環(huán)保、職業(yè)健康、消防等手續(xù)。(2)RTO裝置現(xiàn)場部分電氣儀表設(shè)備應(yīng)嚴格按照防爆等級設(shè)計,在爆炸危險區(qū)域選用防爆電氣,預(yù)防電氣火花引發(fā)火災(zāi)事故的風險。(3)RTO裝置應(yīng)設(shè)置PLC或DCS控制系統(tǒng)(視情況可設(shè)置安全儀表系統(tǒng)),對風機、閥門、燃燒器、爐膛和廢氣管道等設(shè)備設(shè)施的關(guān)鍵參數(shù)進行實時監(jiān)控和聯(lián)鎖。(4)RTO裝置關(guān)鍵設(shè)備的安全儀表系統(tǒng)應(yīng)不低于SIL2標準設(shè)計。對RTO裝置內(nèi)空間應(yīng)杜絕出現(xiàn)爆炸性氣體,點火裝置啟動前應(yīng)使用空氣徹底置換燃燒室內(nèi)氣體,燃燒器與風機風壓形成聯(lián)鎖,風量不足禁止通入天然氣點火;采用火檢系統(tǒng)來檢測點火效果,一旦出現(xiàn)點火故障、混合氣體燃燒濃度不夠等情況,應(yīng)當聯(lián)鎖切斷天然氣,同時再次置換系統(tǒng)內(nèi)的有機氣體。(5)RTO裝置應(yīng)設(shè)置UPS備用電源和儀表用氣的壓縮空氣儲氣罐。(6)RTO裝置應(yīng)設(shè)置斷電、斷氣后進氣閥、排氣閥緊急關(guān)閉,防止煙囪效應(yīng)引起蓄熱層下部溫度上升。(7) RTO裝置應(yīng)在廢氣收集管道上安裝在線廢氣濃度檢測儀(總管或每一路支管),廢氣經(jīng)檢測儀至切斷閥的時間不低于10 s,確保出現(xiàn)高濃度廢氣后廢氣切斷閥有足夠的關(guān)閉時間。(8)RTO裝置要設(shè)計廢(尾)氣管道的防回燃(火)設(shè)施,特別是對于車間之間、區(qū)域之間、管道與RTO連接處等區(qū)域部位,應(yīng)當對設(shè)置防止回燃(火)的單向止回、防火閥(阻火器)等安全裝置。(9)在RTO裝置廢氣收集管道和RTO設(shè)備進口等節(jié)點上安裝泄爆膜片。(10)在RTO裝置進口、泄爆膜片前和廢氣收集端設(shè)置阻火器,泄爆膜片壓力低于廢氣管道承受的壓力,以便爆炸發(fā)生后及時泄壓,減少損失。(11)RTO裝置進風、排風管道及風機應(yīng)采用可導電材質(zhì),采取法蘭跨接、系統(tǒng)接地等措施,防止靜電產(chǎn)生和積聚。(12)對于濃度較高且含有低燃點物質(zhì)的應(yīng)急排空管道,嚴禁與高溫排空管道共用煙囪排放。(13)燃料供給系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置高低壓保護和泄漏報警裝置,蓄熱燃燒裝置應(yīng)設(shè)置安全可靠的火焰控制系統(tǒng)、溫度監(jiān)測系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)等。(14)在密閉廠房內(nèi),應(yīng)采用集氣罩、氣相軟管等設(shè)施,回收無組織排放的氣體,同時保持良好的通風,減少揮發(fā)物局部積聚現(xiàn)象。做好避免可燃有毒氣體積聚的風險分析,制定管控措施并嚴格落實,避免發(fā)生爆炸。
RTO裝置是一種高效的低濃度有機廢氣處理設(shè)備,在醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景,對低濃度廢氣處理效果顯著,可以實現(xiàn)氣體達標排放,在合理考慮各項安全防護措施后,能夠?qū)崿F(xiàn)裝置的安全、穩(wěn)定運行。