如何挑選工業(yè)VOCs廢氣的熱處理工藝？

如何挑選工業(yè)VOCs廢氣的熱處理工藝？ ? ? ??隨著國家對大氣污染的整治力度加大，工業(yè)VOCs廢氣污染情況得到了根本性的改變，根據(jù)對廢氣治理裝置運行的穩(wěn)定性、治理效果的可靠性、廢氣種類的廣適性、工藝的安全性等要求，大部分地方政府頒發(fā)的VOCs治理政策指導(dǎo)意見中廢氣治理工藝基本上是吸附、吸收、熱分解3種工藝及其組合工藝。 ? 盡管溶劑回收套用可以節(jié)省自然資源并顯著下降公司運行成本，但各種工業(yè)規(guī)范嚴(yán)重限制了溶劑回收工藝的應(yīng)用。如果回收的溶劑本身純化回用，則安監(jiān)部門要求公司的純化裝置須按甲類裝置設(shè)計、施工、管理，要取得?；钒踩a(chǎn)許可證；如果回收的溶劑委托外單位純化，環(huán)保部門要求按危險廢物開具五聯(lián)單并委托有資質(zhì)單位處理才能轉(zhuǎn)移，這些規(guī)范要求極大增加了公司的運營成本和管理風(fēng)險，因此除本身已經(jīng)具備相應(yīng)條件的化工公司外的其他公司的廢氣治理裝置大部分采用熱分解工藝將有機物廢氣一燒了之。 ? 熱分解工藝成為VOCs廢氣治理的主流后技術(shù)裝備上得到了很大發(fā)展提升，但由于很多環(huán)保公司的工程設(shè)計人員與業(yè)主單位缺乏在初始設(shè)計時深入溝通、裝置運行時及時反饋、事故出現(xiàn)時的有效解決方案，使其不了解熱分解工藝特性盲目設(shè)計，造成各地頻頻出現(xiàn)裝置爆炸、高能耗停開、裝置故障率高等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了公司的正常生產(chǎn)經(jīng)營，也給整個廢氣環(huán)保行業(yè)發(fā)展帶來了很多負面因素。 ? 1、熱分解工藝簡述 ? ? ? ? ?熱分解工藝一般分為直燃(TO)、蓄熱燃燒(RTO)、催化燃燒(CO)、蓄熱催化燃燒(RCO)4種，只是燃燒方式和換熱方式的兩兩不同組合，主要可以用于處理吸附濃縮氣，也可以用于直接處理廢氣濃度＞3.5g/m3的中高濃度廢氣。 ? TO是將高濃廢氣送入燃燒室直接燃燒(燃燒室內(nèi)一般有一股長明火)，廢氣中有機物在750℃以上燃燒生成CO2和水，高溫燃燒氣通過換熱器與新進廢氣間接換熱后排掉，換熱效率一般≤60%造成運行成本很高，只在少數(shù)能有效利用排放余熱或有副產(chǎn)燃氣的公司中應(yīng)用。 ? RTO的燃燒方式與TO相同，只是將換熱器改為蓄熱陶瓷，高溫燃燒氣與新進廢氣交替進入蓄熱陶瓷直接換熱，熱量利用率可提高到90%以上，理念先進，運行成本較低，是目前國家主推的廢氣治理工藝。 ? CO是采用貴重金屬催化劑下降廢氣中有機物與O2的反應(yīng)活化能，使得有機物可以在250～350℃較低的溫度就能充分氧化生成CO2和H2O，屬無焰燃燒，高溫氧化氣通過換熱器與新進廢氣間接換熱后排掉，熱量利用率一般≤75%，常用于處理吸附劑再生脫附出來的高濃廢氣。 ? RCO燃燒方式與CO相同，換熱方式與RTO相同，由于投資堪比RTO，能處理的廢氣種類受催化劑影響又比RTO少，所以很少用公司采用RCO工藝。熱分解以RTO和CO的應(yīng)用例子較多，如果用于處理吸附脫附的濃縮氣，兩者差別不大，但若直接處理中高濃度廢氣時有很大區(qū)別，需要公司認真對待。 ? 普遍的RTO和CO裝置工藝流程如圖1、圖2。 ? 2、RTO與CO在處理中高濃度廢氣中各方面的異同現(xiàn)就廢氣適用種類、廢氣濃度、廢氣流量、輔助能源、儀表自控、安全風(fēng)險、環(huán)保風(fēng)險、動力負荷、主設(shè)備投資、運行成本等方面進行比較。 ? 2.1 廢氣適用種類 兩種工藝都可以用于處理烷烴、芳香烴、酮、醇、酯、醚、部分含氮化合物等有機廢氣。含硫磷類廢氣會使催化劑中毒，不適合用CO處理，而如果忽略含硫磷廢氣燃燒時對設(shè)備儀表的少量腐蝕，可以限制性的使用RTO處理。由于處理溫度均＜1150℃，兩種工藝都不可用于處理含鹵代烴廢氣以避免產(chǎn)生二噁英。部分類似硅烷類的廢氣因為燃燒后生成的固體塵灰會堵塞催化劑或蓄熱陶瓷或切換閥密封面，所以RTO和CO都不可使用。含漆霧粉塵類廢氣要預(yù)過濾以避免切換閥關(guān)不緊、蓄熱體阻塞等現(xiàn)象，RTO的預(yù)處理要過濾到至少F6級；而CO處理廢氣主流通道上無切換閥，加上可以采用讓廢氣流速較高粉塵不易結(jié)存、定期給整個系統(tǒng)升溫回火將粉塵剝離分解等方法，因此CO的預(yù)處理只需簡單過濾到G4級。此外，因為含易自聚有機物(如丁二烯、丙烯酸酯等)廢氣會影響到切換閥的有效開閉，同時也可能在位于廢氣進口處的蓄熱體上低溫沉積，使用RTO處理該類廢氣時會有安全隱患，而CO則不受影響。 ? 2.2 廢氣濃度 由于溫度的提高會下降有機物爆炸下限濃度，通常要控制廢氣進口濃度＜25%LEL，常見有機物的爆炸下限和25%LEL如表1。 ? ? ? ?有機物氧化分解會放出大量熱量使得廢氣溫升，計算1000 mg/m3的常見廢氣有機物絕熱溫升如表2。 ? ? ? ? CO處理室溫20℃的甲苯廢氣為例，為避免催化氧化處理后排放氣“白煙”和冷凝濕氣對設(shè)備的腐蝕等情況，排放氣溫度一般?。?05℃，再考慮到換熱效率則常溫廢氣進出裝置后的實際溫升應(yīng)＞100℃。如果催化燃燒起始溫度為250℃，那么廢氣催化氧化后的溫度為350℃，則對應(yīng)廢氣初始濃度約為3130mg/m3時可維持系統(tǒng)熱量平衡而不用額外能源。若廢氣濃度進一步升高到25%LEL，廢氣氧化后溫度可達587℃，此時催化劑易流失且設(shè)備材質(zhì)要求耐熱鋼，因此除非在催化劑層間安裝換熱管系統(tǒng)及時移走熱量，否則CO處理甲苯廢氣最佳濃度為3130～9390mg/m3。廢氣如果進口濃度過高，可進風(fēng)稀析，稀析閥與氧化氣溫度連鎖；廢氣進口濃度如果為2130～3130mg/m3，可用電或燃氣提升廢氣進催化劑層的溫度達到催化起燃溫度250℃；廢氣進口濃度如果＜2130mg/m3，可吸附濃縮后再用CO處理脫附出的濃縮氣；如果廢氣初始溫度較高，比如很多烘箱廢氣有80℃，此時CO能處理的廢氣濃度可以相應(yīng)下降到1560mg/m3。 ? 同樣以RTO處理20℃的甲苯廢氣為例，由于RTO的燃燒爐內(nèi)要有一個長明火點燃廢氣，而1.672×106kJ的燃燒器長明火消耗約5m3/h的天然氣提供部分熱源，因此系統(tǒng)維持熱量平衡的廢氣進口濃度最低可以到1700～2000mg/m3。如果RTO裝置設(shè)計從燃燒室引出部分高溫氣體另行降溫后回到燃燒室以避免燃燒溫度＞1000℃的工藝，則可以提高RTO處理廢氣的最高濃度到25%LEL。 ? 2.3 廢氣流量 ? ? ? ? ? ? ?一般單套RTO處理廢氣流量為8000～50000m3/h，處理廢氣流量＜5000m3/h時的RTO裝置投資費比不合算，而處理廢氣流量＞50000m3/h則很容易出現(xiàn)偏流、局部過熱等現(xiàn)象影響廢氣分解效率。單套CO處理廢氣流量為1000～20000m3/h，廢氣流量再加大，高效換熱器設(shè)計困難且催化劑層也會出現(xiàn)明顯偏流局部過熱現(xiàn)象影響廢氣分解效率。 ? 2.4 輔助能源 ? ? ?RTO的燃燒室需要一支長明火，加上設(shè)備自重大、提前提前提前預(yù)熱時間長，一般使用液化氣、天然氣、輕柴油等做為輔助能源，不建議使用電熱。 ? CO同樣可以使用液化氣、天然氣、輕柴油等做為輔助能源，由于設(shè)備自重較RTO輕50%，為了避免增加一個需監(jiān)管的危險源，推薦使用電加熱(前提是廢氣濃度＞3500mg/m3)，處理廢氣流量15000m3/h的CO裝置電加熱系統(tǒng)只180kW，其提前提前提前預(yù)熱時間≤1.5h。 ? 2.5 儀表自控 ? ? ? ? ?從流程圖可以看出，除燃氣系統(tǒng)外RTO還需有大量的壓力溫度檢測和切換閥門，且對閥門、儀表、自控等要求較高；而CO的廢氣主流通道管路無閥門，只有簡單的溫度連鎖，自控要求較低。 ? 2.6 安全風(fēng)險 ? ? ? ? RTO和CO都非常適用于處理如涂布、印刷、制革、化纖、注塑等有機物濃度、種類、流量平穩(wěn)的流水線廢氣，尤其是帶溫度的烘干廢氣若采用吸附法還需要前置降溫到＜45℃，但如果使用RTO或CO，就可以充分利用其自身余熱，大大下降廢氣處理成本和整條流水線的總能耗?？僧?dāng)部分環(huán)保公司將RTO用于儲運和化學(xué)合成公司的廢氣處理時卻出現(xiàn)很多的爆炸事故，爆炸基本上是廢氣來源系統(tǒng)遇裝置回火爆炸，主要原因如下: ? ? 1)RTO系統(tǒng)在裝置初運行時一切順利，但是運行1～2年后，部分儀表、調(diào)節(jié)閥會出現(xiàn)故障或突發(fā)停電、停儀表氣等，造成系統(tǒng)安全自控設(shè)計失效，系統(tǒng)超溫爆炸。事實上大部分的業(yè)主是不具備有儀表自控專業(yè)維護人員，很難做到預(yù)判并及時更換儀表閥門。 例如，廢氣進口濃度需控制在＜25%LEL，若采用氣相色譜型在線檢測儀，儀器采樣檢測得出結(jié)果加上自控閥響應(yīng)時間＞30min，失去安全控制意義，因此一般采用較靈敏的光離子型在線可燃探測儀(3選2)，該探測儀半年需強制檢驗1次，但是如果廢氣中含有水汽、粉塵等將大大下降該檢測頭壽命，而這種儀器失靈是突發(fā)性的。 2)RTO系統(tǒng)盡管采用了一系列安全設(shè)計，如廢氣收集預(yù)處理系統(tǒng)的防靜電、廢氣進口濃度與稀析閥連鎖、廢氣預(yù)混緩沖罐、廢氣風(fēng)機與負壓連鎖、廢氣水預(yù)洗滌等，但是化工廠一定會有事故氣緊急排放或某些高濃廢氣正好集中排放造成的廢氣濃度暴增數(shù)倍的小概率事件，而處理10000m3/h廢氣流量的RTO裝置的緩沖罐容積最大也≤20m3，折算緩沖罐內(nèi)停留時間＜8s，過短的緩沖時間造成裝置的閥門切換等來不及，廢氣總管和預(yù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)回火爆炸。這是明火作業(yè)的RTO的本性決定的，是無法根除的。 ? ? CO屬無焰氧化，加上換熱器等金屬結(jié)構(gòu)隔離，就是回火廢氣來源也達不到燃點；CO工藝管路上無閥門切換，不存在儀表失靈安全風(fēng)險。 ? 2.7 環(huán)保風(fēng)險 ? ? ? ? ? ?RTO要求廢氣來源氣量和濃度穩(wěn)定，設(shè)計操作負荷彈性小，因此只適合用于連續(xù)穩(wěn)定的流水線廢氣，如果業(yè)主有間歇短暫高濃廢氣產(chǎn)生，則會頻繁出現(xiàn)因安全濃度下限要求造成廢氣在進裝置前被部分排空，存在環(huán)保風(fēng)險。RTO裝置設(shè)備繁雜，部件多，易出現(xiàn)設(shè)備故障廢氣排空事故。而CO要求廢氣流量穩(wěn)定，可以接受間歇的短暫的高濃廢氣。CO裝置設(shè)備簡單，部件少，設(shè)備故障也少。此外RTO燃燒室存在死角，廢氣綜合處理效率95%～97%，而CO廢氣是均勻通過催化劑層，處理效率＞99%，因此CO比RTO更容易環(huán)保達標(biāo)，尤其是新環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)甲苯類廢氣從40mg/m3排放標(biāo)準(zhǔn)下降到10mg/m3后，RTO易出排放不達標(biāo)環(huán)保事故。高溫RTO會產(chǎn)生NOx，而CO因處理溫度低不產(chǎn)生NOx，盡管目前國家對有機廢氣裝置的NOx尚未規(guī)定，但從鍋爐廢氣治理發(fā)展歷史來看，將會對處理氣量＞10000m3/h的廢氣裝置提出監(jiān)管要求。 ? 2.8 動力負荷 ? ? ? ? ? ? ? RTO通過精密過濾、2次總厚約2m的蓄熱陶瓷，裝置阻力至少3500～4000Pa；CO只需通過簡單過濾、2次通過列管換熱器、總厚0.4m催化劑層，裝置阻力＜2500Pa，同樣的10000m3/h處理氣量，RTO風(fēng)機電機要22kW，CO風(fēng)機電機只需18.5kW，處理風(fēng)量越大，風(fēng)機功率差別越大。電機功率每減少1kW，每年電費減少3000元。 ? 2.9 主設(shè)備投資 ? ? ? ? ?不計RTO裝置對業(yè)主要求的廢氣預(yù)處理系統(tǒng)投資(通常由業(yè)主承擔(dān))，10000m3/h處理氣量RTO主設(shè)備投資費用約100萬，而CO主設(shè)備投資費用約60萬。 ? 2.10 運行成本 ? ? ? ? ?以10000m3/h處理氣量為例，RTO至少要保證燃氣長明火的基礎(chǔ)消耗，CO只要廢氣濃度能源；RTO電耗比CO高5kWh；5年1換，其二次廢料要做危廢處理，CO的750kg催化劑2年1換，失活催化劑返廠回收。 ? 3、結(jié)論 ? ? ? ?分別從廢氣適用種類、廢氣濃度、廢氣流量、輔助能源、儀表自控、安全風(fēng)險、環(huán)保風(fēng)險、動力負荷、主設(shè)備投資、運行成本10個方面分析的RTO與CO的異同，以期為公司在VOCs廢氣處理裝置選型時提供參考。