人类的生产活动是造成环境污染的主要原因,随着世界工业的发展,工业排放的废气所造成的大气污染越来越严重
[1]。工业废气中污染物包括粉尘、SO
x、NO
x 和挥发性有机化合物(volatile organic compounds,VOCs)等。VOCs主要来自装饰材料、家具、电器、胶料、清洁剂等的生产过程以及燃料燃烧等方面,大多数VOCs对人体有生理毒性和刺激性,也是PM
2.5的关键前驱物之一
[2]。如果这类工业废气未经处理直接排放,会严重污染环境,影响人们的健康,因此,迫切需要采取合适的方法对VOCs进行处理。分子筛煅烧过程尾气中含有三乙胺、正丁胺等有机废气,具有刺激性气味,严重影响厂区及周边环境,有机废气处理效果不佳也是影响企业正常生产的主要问题。
目前,用于治理有机废气的方法有吸附法、吸收法、冷凝法、生物处理法、等离子体处理法、电晕法和热氧化法等
[2-4]。其中,热氧化法处理VOCs具有分解率高的优点,尤其蓄热式热氧化法近年来发展很快
[3-6],基于该方法研制的蓄热式氧化炉(regenerative thermal oxidizer,RTO)是目前用于处理有机废气的关键设备。常见的RTO系统由1个公共燃烧室、2个或3个蓄热室、1套换向装置和控制系统组成。RTO通过蓄热室来吸收废气燃烧后高温烟气的热量,并利用这部分热量来预热新吸入的废气。RTO的蓄热-放热功能可以有效降低废气处理后的排烟热损失,同时节约一部分废气升温时的热量消耗,使废气在升温-氧化过程中始终保持较高的热效率(热效率在95%左右)
[7-10]。RTO以其运行费用低、处理效率高、适应性强等优点,在国内外被广泛地用于多种行业的有机废气处理
[2,5]。本项目针对山东某石化企业分子筛煅烧窑尾气的排气量与有机污染物浓度特性,采用三床式RTO系统处理有机废气,期望将煅烧尾气处理后挥发性有机化合物浓度控制在120 mg·m
−3以下(山东省地方标准:挥发性有机物排放标准(DB 37/2801.5-2017)),解决有机废气对厂区及周边环境的污染,保护和建设好生态环境。
1 实施方案
1.1 工程概况
该企业位于山东省淄博市周村区,属石化类企业,产品类型较多,不同批次产品煅烧尾气成分不完全相同,生产过程具有间歇性、产品更替较频繁,所以有机废气的排放量与浓度均有一定的波动性,加之碱液吸收过程的易饱和性,有机气体处置效果不佳,致使厂区工作环境较差,甚至因臭气飘散困扰周边居民。与此同时,淄博市政府要求所有涉及大气污染企业务必配套建设完善的污染治理设施,确保污染物稳定达标排放,显然,碱液吸收法无法满足处理需求。
2016年12月,为改变有机废气碱液吸收不彻底的现状,企业决定采用三床式RTO处理工艺,以期彻底消除有机废气的环境污染问题,项目于2017年6月建设完成试运行。
1.2 工艺流程
三床式RTO工艺流程如
图1所示。有机废气经风机送入蓄热室-1(该蓄热室的蓄热床层已经把上一循环的热量“贮存”起来),蓄热床-1释放热量温度降低,使废气升温至500~600 ℃后进入燃烧室;在燃烧室中,PLC自动控制燃烧器开启并补充燃料,废气进一步升温至750 ~ 850 ℃并维持一定的时间,一般不小于1.5 s,废气中的VOCs充分氧化变成CO
2和H
2O;完成氧化后的高温烟气离开燃烧室进入蓄热室-2,释放热量温度降低后离开RTO,而蓄热室-2内的蓄热床-2吸热升温、“贮存”大量的热能用于下一循环加热废气;处理后的废气离开蓄热室-2时,引回一部分干净尾气吹扫蓄热室-3,使蓄热室-3残存的废气重新返回燃烧室处理,如此不断地交替进行。三床式RTO系统的VOCs的净化效率达到98%以上
[3-5,7-8],排气温度不高于120 ℃,实现低温达标排放。
图1 三床式蓄热氧化炉工艺流程图
Fig. 1 Schematic diagram of three-bed RTO
图1 三床式蓄热氧化炉工艺流程图
Fig. 1 Schematic diagram of three-bed RTO
1.3 设计参数
根据企业已经采取的收集措施,RTO废气处理系统设计总风量为5 000 m
3·h
−1。生产过程中,挥发性有机组分的浓度在一定范围内波动,大部分时间VOCs的浓度高于1 500 mg·m
−3,最高达14 000 mg·m
−3。项目设计按废气处理量5 000 m
3·h
−1,VOCs浓度1 500 mg·m
−3,按有机废气浓度下限值设计匹配天然气量。RTO主要设计参数见
表1。
表1 RTO设计参数
Table 1 RTO design parameters
表1 RTO设计参数
Table 1 RTO design parameters
有机废气处理量/(m3·h−1) | 有机废气进气浓度/(mg·m−3) | 热损失/% | 焚烧烟气温度/℃ | 天然气消耗/(m3·h−1) | 烟气停留时间/s | 燃烧室体积/m3 | 烟气排气量/(m3·h−1) | 烟气排气温度/℃ |
5 000 | 1 500 | 0.5 | 850 | 50 | 1.5 | 5.5 | 5 000 | 120 |
蓄热床选用鞍型陶瓷蜂窝蓄热体按规则排列,待处理废气或处理完之后的高温烟气在穿过一块蜂窝陶瓷后,汇集至鞍型空腔,气流在空腔内重新组织然后均匀分配继续穿过下一鞍型蜂窝陶瓷蓄热体,在鞍型空腔内的“重整”过程有利于换热的均匀性,因此,鞍型陶瓷蜂窝状蓄热体特别适宜于RTO系统的吸热和放热过程
[11-15]。
燃烧室装配有燃气燃烧器,由自动控制系统根据燃烧室内的温度水平开启或关闭燃烧器,当系统开始启动或者进气浓度较低时,开启燃烧器以确保燃烧室温度保持在850 ℃左右,使有机气体得以彻底分解。
2 结果与讨论
2.1 蓄放热性能
在本项目设计方案中,排烟阀门的开启和关闭采用时间间隔控制法,每90 s切换一次。余热回收水平取决于排烟温度,单次循环过程中排烟温度随着蓄热过程的进行而逐渐升高,因此,可以通过监测排烟过程结束时的温度来考量系统的余热回收水平。
图2为排烟结束时透过3个蓄热床的排烟温度分布。可以看出,透过蓄热床-1和蓄热床-2的排烟温度均在120 ℃上下波动,与设计值吻合较好;而透过蓄热床-3的排烟温度保持在150 ℃左右,严重偏离设计值,这表明排烟热损失较严重。运行结果表明,蓄热床-3的陶瓷蓄热体存在一定缺陷,而陶瓷材料的重新调整、修复是一项非常困难和费时的工作,因此,本项目对排烟控制方法进行调整,改排烟时间控制法为排烟温度控制法,监测RTO的排烟温度,当温度超过某一设定值时,即认为该床层蓄热已饱和,则关闭该蓄热室的排烟阀门,停止排烟。
图2 蓄热床排烟结束时刻的排烟温度
Fig. 2 Exhaust gas temperature of regenerative thermal bed at the end of exhaust
图2 蓄热床排烟结束时刻的排烟温度
Fig. 2 Exhaust gas temperature of regenerative thermal bed at the end of exhaust
图3为设定排烟温度情况下通过各蓄热室单次循环持续排烟的时间曲线图。可以看出,在每一个排烟循环中,透过蓄热床-1和蓄热床-2的排烟时间持续约90 s,这与设计值一致。而透过蓄热床-3的排烟持续时间仅为50 s,表明蓄热床-3的实际蓄热能力远小于设计值,这与
图2的结果相吻合。这些结果表明,该蓄热床层存在一定的缺陷,如果维持排烟时间按设计值90 s,将有大量的热能无法有效回收,导致热量严重散失。
图3 蓄热床单次排烟持续时间
Fig. 3 Duration of single exhaust of regenerative thermal bed
图3 蓄热床单次排烟持续时间
Fig. 3 Duration of single exhaust of regenerative thermal bed
2.2 综合性能
图4为有机废气自进入RTO至离开时刻一个完整处理过程的温度变化。可以看出,气体进入蓄热床层时,气体吸收上一循环贮藏在蓄热床的热量,温度近似呈线性持续升高至约500 ℃;有机废气进入燃烧室被点燃,温度急速升至850 ℃,维持850 ℃在燃烧室内停留一段时间。该高温烟气透过另一个蓄热床层离开RTO,在高温烟气离开RTO的过程中,热量释放给蓄热床并贮存其中,烟气温度急速将至120 ℃左右,低温烟气经烟囱排至大气,有机废气处理全流程完结。
图4 有机废气在蓄热氧化炉处理过程中温度的变化
Fig. 4 Change of temperature of VOCs during treatment in RTO
图4 有机废气在蓄热氧化炉处理过程中温度的变化
Fig. 4 Change of temperature of VOCs during treatment in RTO
2.3 去除效率
为检验有机废气处理的效率,邀请淄博市环保局周村分局环境监测站对本工程进行监测,结果表明,有机废气初始浓度为12 000 mg·m−3,处理完成后排气浓度3次取样监测结果分别为37、35、31 mg·m−3,监测结果平均值为34 mg·m−3,销毁和去除率达99.7%,该RTO系统处理有机废气效果良好。
2.4 性能校核
本项目处理含有三乙胺(C6H15N)和正丁胺(C4H11N)的有机废气,暂未检索到有相同案例可对比。从理论角度校核,三乙胺和正丁胺的混合气体(假设1:1)综合加权燃烧热为38 952 kJ·kg−1,燃烧热效率按75% ~ 80%计,浓度为1 000 mg·m−3的有机气体燃烧放热可使待处理废气升温24 ~ 26 ℃,本项目待处理废气中有机气体浓度12 000 mg·m−3,陶瓷蓄热体热回收升温至500 ℃,有机废气燃烧热可使得待处理气体再升高温度288 ~ 312 ℃,若将待处理废气升温至850 ℃,尚需约5.8 m3·h−1天然气燃烧补充热量,本工程实际消耗天然气约4.5 m3·h−1,且销毁和去除率高,这表明本项目实际运行良好,陶瓷蓄热体热回收性能优异。
3 结语
1)蓄热式氧化技术适宜于处理有机废气,可在天然气耗量极低的情况下,获得99.5%以上的VOCs去除率。
2)RTO系统的陶瓷蓄热体是蓄热技术中的关键部件,在安装和运行过程中可能会有所破损,采用排烟温度控制法可以更好地保障热量的有效回收。
3)三床式RTO系统热回收率高、处理效果稳定,是有机废气处理领域的一个重要发展方向。