蓄熱式熱力氧化器GRTO在煤化工領(lǐng)域的應(yīng)用

　　摘要：煤化工企業(yè)廢氣主要成分由VOCs、含硫化合物、含氮化合物和一氧化碳等，其中鹵素、以及酸性氣體的腐蝕問題為煤化工行業(yè)區(qū)別與其它行業(yè)的重點。根據(jù)煤化工領(lǐng)域有益經(jīng)驗和取得的良好效果提供參考。

　　01煤化工廢氣中污染源及種類：

　　煤制焦過程廢氣：焦化廢氣主要來源于裝煤、煉焦、化產(chǎn)回收等過程。裝煤初期，煤料在高溫條件下與空氣接觸，形成大量黑煙及煙塵、荒煤氣及對人體健康有害的多環(huán)芳烴。煉焦時，廢氣一方面來自化學(xué)轉(zhuǎn)化過程中未完全炭化的細煤粉及其析出的揮發(fā)組分、焦油、飛灰和泄漏的粗煤氣，另一方面來自出焦時灼熱的焦炭與空氣接觸生成的CO、CO2、NOx等,主要污染物包括苯系物（如苯并芘）、酚、氰、硫氧化物以及碳氫化合物等。

　　煤制氣過程中廢氣：煤制氣廢氣的來源主要是氣化爐開車過程中由于爐內(nèi)結(jié)渣、火層傾斜等非正常停車而產(chǎn)生的逸散，另外，還有爐內(nèi)的排空氣形成部分廢氣、固定床氣化爐的卸壓廢氣、粗煤氣凈化工序中的部分尾氣、硫酚類物質(zhì)回收裝置的尾氣及酸性氣體、氨回收吸收塔的排放氣。這些廢氣的主要成分包括碳氧化物、硫氧化物、氨氣、苯并芘、CO、CH4等，有些還夾雜了煤中的砷、鎘、汞、鉛等有害物質(zhì)，對環(huán)境及人體健康有較大的危害。

　　煤制油過程廢氣：煤的液化可分為直接液化和間接液化。煤直接液化時，經(jīng)過加氫反應(yīng)，所有異質(zhì)原子基本被脫除，也無顆粒物，回收的硫可以獲得元素硫，氮大多轉(zhuǎn)化為氨。煤間接液化時，催化合成過程中的排放物不多，未反應(yīng)的尾氣（主要是CO）可以在燃燒器中燃燒，排放的廢氣中CO2和硫很少，也沒有顆粒物的生成。煤液化過程對環(huán)境造成的影響較小，主要的污染物是液化殘渣，這是一種高碳、高灰和高硫物質(zhì)，在某些工藝中占到液化原料煤總量的40％左右，需進一步處理。

　　煤燃燒過程廢氣：煤燃燒過程主要污染物有粉塵與煙霧、SO2為主的硫化物、N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4等氮氧化物、Hg、Cd、Pb、Cr、As、Se、F等有害微量元素、產(chǎn)生溫室效應(yīng)的CO2等。煤直接燃燒的能量利用率低，環(huán)境污染嚴重。

　　02項目背景

　　以某石化項目為例：廢氣最大風量20000Nm3/h，廢氣濃度約3500mg/m3。主要成分如下：甲苯、苯乙烯和少量酸性氣體等成分。

　　03工藝選擇

　　廢氣屬于小風量、高濃度廢氣，大部分為有機廢氣，含有部分酸性氣體，采用較為合理的工藝為：洗滌+GRTO+洗滌。對于大部分有機廢氣的分解溫度在760攝氏度以下，其中苯環(huán)和鹵素，在400℃左右條件下，容易產(chǎn)生二噁英，但二噁英可以在溫度高于850攝氏度且燃燒時間大于1S或者溫度高于800攝氏度且燃燒時間大于2S時就可以分解掉，苯環(huán)被破壞掉后就不會有二噁英產(chǎn)生，即其反應(yīng)是不可逆的，所以安居樂的爐膛設(shè)計燃燒溫度是850攝氏度且燃燒時間在2S以上。

　　04工藝流程圖

　　05設(shè)備介紹

　　蓄熱式氧化爐

　　GRTO設(shè)備是在吸收德美技術(shù)的基礎(chǔ)上自主開發(fā)的三床式GRTO設(shè)備，該系統(tǒng)主要由燃燒室、3組結(jié)構(gòu)相同的蓄熱床和3個氣動切換進氣閥，3個氣動排氣切換閥以及3個氣動清吹切換閥組成，9個氣動切換閥自動切換，切換周期1~6min，由時間來控制，若出氣溫度超過設(shè)定值，會強制切換。蓄熱床內(nèi)填充規(guī)整蜂窩陶瓷蓄熱體，其主要材質(zhì)為致密堇青石，具有優(yōu)良的耐酸、堿和有機介質(zhì)腐蝕性、蓄熱效果好、熱回收效率高、過風阻力小、熱脹冷縮系數(shù)小，抗裂性能好，壽命長等優(yōu)點。設(shè)備內(nèi)部內(nèi)襯300mm以上的耐高溫陶瓷纖維保溫材料，充分保證設(shè)備表面溫度低于國家標準，同時可有效防止氣體和鋼構(gòu)件接觸。氣動切換閥均采用知名品牌氣動執(zhí)行器，其中，氣動切換閥體采用雙相不銹鋼材質(zhì)，切換穩(wěn)定，使用壽命長，正常工作可切換1000萬次。防止與爐體鋼板接觸部分腐蝕問題，凡與廢氣接觸部分襯防腐涂料，噴涂材料耐高溫，可以保證爐體的較長使用壽命，在日常維護過程中，如果有涂層脫落，需要及時的補修，防止大面積氧化。

　　渦流凈化塔

　　渦流凈化塔具有阻力小、能耗省、噪音低、處理效率高，能處理氯化氫氣體、氟化氫氣體、氨氣霧、鉻酸霧、氰氫酸氣體、堿蒸氣、硫化氫氣體等氣體的新型凈化塔，它具有凈化效率高、占地面積小、耐腐蝕、耐老化性能好，重量輕的特點。它適用于排放一定濃度的腐蝕性酸霧氣體，主要用于化工、電子、醫(yī)院、研究中心等場所。

　　工作原理：需處理的廢氣，由玻璃鋼離心風機壓入凈化塔之進氣段后，垂直向上與噴淋段自上而下的液體發(fā)生吸收反應(yīng)，使廢氣濃度降低，然后繼續(xù)向上進入填料段，廢氣在塑料球打滾再與吸收液起中和反應(yīng)，使廢氣濃度進一步降低后進入脫水器，凈化后的氣體排出大氣。經(jīng)測定分析，硫酸霧凈化效率可達99%以上，硝酸凈化效率可達99%，鹽酸霧凈化效率可達99.9%、對酸霧凈化性達到國內(nèi)先進水平。渦流凈化塔為圓筒型結(jié)構(gòu)形式，全塔由三部份組成，即貯液、進氣、噴淋、脫水和出氣，出口管連接，塑料球分別裝在噴淋內(nèi)。堿洗凈化塔為玻璃鋼一體成型，結(jié)構(gòu)緊湊、耐腐蝕，耐高溫、外表光滑；除水部份離式產(chǎn)生水氣分離；噴水部：高壓噴水產(chǎn)生霧狀，分上下兩段擴大接觸處理提高功能。

　　06GRTO安全方面設(shè)計

　　A．管道內(nèi)起火對車間的影響：管道內(nèi)的爆炸，大部分都來源于管道內(nèi)有大量有機積液突然揮發(fā)，再遇上靜電而產(chǎn)生的。輸送腐蝕性氣體的管道比較難做防靜電設(shè)施，只能降低風速，設(shè)計在8米/秒以下的風速比較適合。

　　B．GRTO失火對車間的影響：GRTO爐膛內(nèi)的明火很難進入車間過來的管道，因為有2米高左右的蓄熱陶瓷，蓄熱體本身就是很好的阻火器。在管道前端可以安裝阻火器，進一步保障生產(chǎn)車間內(nèi)的安全。

　　C．RTO區(qū)域內(nèi)的爆炸：GRTO在點火前要進行吹掃，吹掃的目的是將殘留在GRTO管道和爐膛內(nèi)的有機物清理干凈，避免點火時引爆。GRTO入口處有濃度檢測儀，響應(yīng)時間在5秒左右，所以濃度檢測儀的安裝位置比較重要，且要做緩沖罐，當檢測到廢氣濃度高報警，新風風門會自動打開進行濃度稀釋；若廢氣濃度高會報警，則GRTO切斷與生產(chǎn)線間的聯(lián)機，廢氣直接旁通到煙囪。現(xiàn)實生產(chǎn)中做多少措施也無法100%避免爆炸，所以在適當?shù)奈恢眉有贡b置，比如GRTO爐膛頂部有泄爆門，此泄爆門可以靠自重關(guān)閉，泄爆后不會影響GRTO的正常運行；緩沖罐上有泄爆片。有這些泄爆措施，即使發(fā)生爆炸，也會把爆炸的損失降到最低。

　　D．應(yīng)急停電系統(tǒng)設(shè)計：GRTO非常害怕突然停電，爐膛內(nèi)的高溫無法快速散去，導(dǎo)致很多防腐材料或者其他設(shè)備被高溫損壞。設(shè)計了一臺應(yīng)急壓縮空氣儲氣罐、UPS和手自動控制的泄爆門，一旦突然停電，UPS和應(yīng)急壓縮空氣儲氣罐會將所有風門打到安全位置，比如新風風門開啟，吹掃風門開啟，泄爆門打開等等；應(yīng)急壓縮空氣會進入燃燒器管道，避免高溫煙氣從燃燒器泄露出來，導(dǎo)致點火管路的危險和損壞燃燒器。但壓縮空氣罐僅能支撐15到20分鐘左右，甲方需要配置備用電源給壓縮空氣或助燃風機。

　　E．針對GRTO出口有洗滌塔的系統(tǒng)高溫保護：GRTO出口接洗滌塔，若洗滌塔是玻璃鋼材質(zhì)，則GRTO出口溫度需要控制在100攝氏度以下，若超過100攝氏度，GRTO自動切斷與生產(chǎn)線之間的聯(lián)機，工藝廢氣直接進入煙囪。

　　G．爐膛溫度過高保護：爐膛內(nèi)有2支熱電偶，每支熱電偶都是雙支的，如果一支出現(xiàn)問題，還有一支備用，保證爐膛內(nèi)溫度控制均勻。爐膛溫度不能超過980攝氏度，否則內(nèi)部的蓄熱陶瓷和陶瓷纖維組塊的使用壽命會受影響，當爐膛溫度超過一定值時，燃油管路的雙電磁閥會自動關(guān)閉，避免柴油泄漏進入爐膛。爐膛溫度再高就要打開新風風門去降溫，當爐膛溫度發(fā)生高高報警，GRTO自動切斷與生產(chǎn)線的聯(lián)機，工藝廢氣直接進入煙囪。

　　07GRTO運行過程

　　首次開機時，需要對蓄熱體預(yù)熱，待預(yù)熱至設(shè)定溫度后，含揮發(fā)性有機化合物(VOCs)的廢氣通過閥門的切換，進入蓄熱床，廢氣被蓄熱陶瓷逐漸加熱后進入燃燒室（燃燒室有兩個作用：一是保證廢氣能達到設(shè)定的氧化溫度，二是保證廢氣有足夠的停留時間，從而使其中的VOCs充分氧化），VOCs在燃燒室內(nèi)高溫氧化分解并放出熱量，形成的熱風在通過另一蓄熱床時，與蓄熱體進行熱交換，蓄積熱量，以減少輔助燃料的消耗，而被氧化的干凈氣體溫度逐漸降低。正常運行過程中，GRTO內(nèi)部溫度控制通過燃燒器來實現(xiàn)。當有機廢氣濃度達到自持燃燒狀態(tài)時，產(chǎn)生熱量足以滿足下一次冷氣預(yù)熱要求時，此時系統(tǒng)無需開啟輔助加熱裝置進行輔助加熱，即可完成有機廢氣氧化，達到節(jié)能效果。當GRTO溫度出現(xiàn)異常時（即前端濃度太高），通過PLC程序自動控制關(guān)閉進氣閥，全開異常外排和新風閥，使GRTO設(shè)備完全通過新鮮風降溫。GRTO爐膛溫度通過2根高溫熱電偶進行實時監(jiān)控，運行過程PLC程序通過自動調(diào)節(jié)燃氣調(diào)節(jié)比和相關(guān)閥門控制爐膛溫度的穩(wěn)定。當爐膛溫度出現(xiàn)異常升溫時，可通過GRTO設(shè)備的泄溫口進行緊急排溫。

　　08設(shè)備凈化效率

　　GRTO運行多年，經(jīng)多方檢測，處理效率一直保持在99%以上，爐體外表溫在30～50攝氏度作用，煙囪出口溫度低于60攝氏度，運行狀態(tài)良好?！?/p>

　　GRTO原理：蓄熱式熱氧化爐，專業(yè)處理有機廢氣，使有機廢氣在高溫環(huán)境里分解干凈，分解率達到99％以上，最終使廢氣排放符合國家環(huán)保標準。此熱氧化爐使用兩個固定的熱交換媒介床，熱交換媒介使用的是蓄熱陶瓷，來自生產(chǎn)線的廢氣經(jīng)過一個熱陶瓷媒介床后被加熱；到爐膛后燃燒的高溫氣體將另一個熱交換媒介床加熱，如此兩個熱交換媒介床互相切換，蓄熱后去加熱低溫廢氣。熱交換效率達到95％以上，很容易利用有機廢氣實現(xiàn)氧化爐的自我維持，而不用任何燃料。