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石化裝置有機廢氣處理

文檔作者：孫發(fā)群文檔來源：中國石化工程建設公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年05月10日
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2010年第26表第4期 蠢 孫發(fā)群．石化裝置有機廢氣處理 蚤
石化裝置有機廢氣處理
孫發(fā)群
(中國石化工程建設公司，北京100101)
摘要：簡要介紹了直接燃燒和熱力燃燒在有機廢氣處理中的應用和特點，闡述了催化
燃燒的基本原理和工藝特點，總結了有機廢氣處理方案選擇的要點，并以某大型環(huán)氧丙 苯
乙烯裝置為例，詳細介紹了催化燃燒技術處理有機廢氣的工程設計實例。
關鍵詞：廢氣治理；直接燃燒；熱力燃燒；催化燃燒
在石化裝置的運行過程中，會產(chǎn)生大量的揮
發(fā)性有機物廢氣，如果不經(jīng)處理而直接排放，將
會對周圍環(huán)境造成嚴重污染，危害人體健康，因
此必須對之進行有效的凈化后才能排人大氣。有
機廢氣的治理技術有冷凝法、吸收法、吸附法及
燃燒法等，近年來又出現(xiàn)了一些新技術，如生物
處理法、放電等離子體法和TiO：光催化法等 j，
但這些新技術目前大多停留在實驗室和工業(yè)化試
驗階段。在石化裝置中應用范圍最廣的是燃燒
法，燃燒法工藝簡單，操作方便，現(xiàn)已廣泛應用
于石油化工、食品、材料等主要含有碳氫化合物
廢氣的凈化。燃燒法分為直接燃燒、熱力燃燒和
催化燃燒。
1 直接燃燒
直接燃燒適用于凈化可燃有害組分濃度較高
的廢氣，或者是用于凈化有害組分燃燒時熱值較
高的廢氣。因為只有在燃燒時放出的熱量能夠補
償散向環(huán)境的熱量時，才能保持燃燒區(qū)的溫度，
維持燃燒的進行。一般來說，安全的直接燃燒
法，廢氣中有機物的濃度應在爆炸下限的25％
以內(nèi) 。
直接燃燒不需要預熱，設備可以是一般的
爐、窯，石化裝置中主要采用火炬燃燒。火炬燃
燒的優(yōu)點是安全簡單、成本低、結構簡單，但它
的主要缺點是燃燒后對環(huán)境造成二次污染，以及
不能回收熱能而造成熱輻射；在實際操作中應盡
量減少火炬燃燒。
2 熱力燃燒
如果廢氣中可燃物含量較低，不能維持燃燒
時可以采用熱力燃燒法處理。熱力燃燒主要依靠
輔助燃料燃燒時產(chǎn)生的熱能，提高廢氣的溫度，
使廢氣中烴及其它污染物迅速氧化，轉變?yōu)闊o害
的二氧化碳和水蒸氣。
熱力燃燒可以在普通的燃燒爐(焚燒爐)中
進行。溫度和停留時間是影響熱力燃燒的重要因
素。不同的氣態(tài)污染物，在燃燒爐中完全燃燒所
需的溫度和停留時間不同。
熱力燃燒過程中產(chǎn)生的大量熱能，應盡可能
進行回收利用，比如燃燒后凈化氣的熱量可以用
于預熱待處理廢氣，預熱補充的燃燒空氣，或通
過換熱轉換到其它液體中，產(chǎn)生熱水、蒸汽和熱
油，或被用作加熱介質(zhì)。熱力燃燒也可以利用工
廠現(xiàn)有加熱爐或鍋爐燃燒室進行，能減少設備投
資，操作費用和輔助燃料消耗，但要注意廢氣流
量不宜過大，保證燃燒完全 。
熱力燃燒可適用于各種氣體的燃燒，能除去
有機物及超細顆粒物，設備結構簡單， 占用空間
小，維修費用低。主要缺點是操作費用高，易發(fā)
生回火，燃燒不完全時產(chǎn)生惡臭。
收稿日期：2010—06—02。
作者簡介：孫發(fā)群，男，2001年畢業(yè)于北京化工大
學工業(yè)催化專業(yè)，獲工學碩士學位，現(xiàn)在中國石化
工程建設公司從事化工工藝系統(tǒng)設計工作，工程師。
電話：010—84876835，E—mml：sunfq@sei．corn．cn
S 《 石油4~．z-安全環(huán)保技術 2010年第26卷第4期
3 催化燃燒
催化燃燒是指在催化劑存在下，廢氣中可燃
組分能在較低溫度下進行燃燒，利用催化劑的催
化活性將有機組分直接完全氧化成CO 和H 0。
由表1可見，與前兩種燃燒法相比，催化燃燒
為無火焰燃燒，安全性好。燃燒溫度要求低，
大部分烴類和CO在300～450℃ 之間即可完成
反應，在某些情況下，達到起燃溫度后便無需
外界供熱，故輔助燃料消耗少，節(jié)省能源。對
廢氣可燃組分的濃度和熱值限制少，適應范
圍廣。
表1 燃燒法分類及其特點?
方法 適應范圍 燃燒溫度，℃ 燃燒產(chǎn)物 燃燒方式
直接燃燒 含有可燃組分濃度高或熱值高的廢氣 >l100 CO2、H2O、N2 高溫火焰
熱力燃燒 含有可燃組分濃度低或熱值低的廢氣 720—820 CO2、H20 有火焰燃燒，需加輔助燃料
催化燃燒 基本上不受可燃組分的濃度與熱值限制 300～450 CO2、H20 催化劑表面無焰燃燒
3．1 催化燃燒的機理
催化燃燒實際上為完全的催化氧化，是典型
的氣一固相催化反應，其實質(zhì)是活性氧參與深度
氧化作用。在催化燃燒過程中，催化劑的作用是
降低活化能，同時使反應物分子富集于催化劑表
面提高了反應速率。借助催化劑可使有機廢氣在
較低的起燃溫度條件下，發(fā)生無焰燃燒，并氧化
分解為CO：和H 0，同時放出大量熱能，其反應
過程可以表示為 ：
CnHm+( +m／4)02— ! + CO： + m／
2H20 +熱量
3．2 催化燃燒的工藝特點
催化燃燒基本工藝流程主要由預處理、預熱
器、換熱器、反應器等組成。催化燃燒工藝流程
的設計應根據(jù)廢氣的處理規(guī)模，并結合生產(chǎn)的實
際情況和環(huán)保需求考慮適合的工藝流程。
不論采用何種工藝流程，進人催化燃燒裝置
的氣體首先要經(jīng)過預處理，除去粉塵、液滴及有
害組分，避免催化床層的堵塞和催化劑中毒，延
長催化劑使用壽命。
進入催化床層的氣體溫度必須要達到所用催
化劑的起燃溫度，催化反應才能進行。因此對于
低于起燃溫度的進氣，必須進行預熱使其達到起
燃溫度。特別是開車時，對冷空氣必須進行預
熱。氣體的預熱方式可以采用電加熱。
催化燃燒反應放出大量的反應熱，因此燃燒
尾氣溫度很高，對這部分熱量必須回收。一般是
首先通過換熱器將高溫尾氣與進口低溫氣體進行
熱交換以減少預熱能耗，剩余熱量可采用其它方
式進行回收。當排出的有機廢氣溫度達到300 oC
以上，可不設置預熱器和換熱器，但燃燒尾氣的
熱量仍應回收。
綜上所述，有機廢氣經(jīng)過催化燃燒處理，
苯、甲苯、非甲烷總烴等的去除率一般在95％ 以
上，最終產(chǎn)物為無害的CO 和H：0，由于燃燒溫
度低，能大量減少NO 的生成，因此無二次污染
問題
4 有機廢氣處理方案選擇
在做方案選擇時，必須綜合考慮各方面的因
素，權衡利弊，最好選擇一種經(jīng)濟上較合理、符
合生產(chǎn)實際、達到排放標準的最佳方案?？梢愿?
據(jù)污染物的性質(zhì)、污染物濃度、生產(chǎn)的具體情況
及凈化要求以及經(jīng)濟性進行考慮，最佳方案應當
盡量減少設備費和運轉費。各種凈化方法都有自
己的特點，也有其不足之處。要針對具體情況，
取長補短，因地制宜選擇合適的凈化方法。
5 催化燃燒處理有機廢氣實例
5．1 有機廢氣組成
以某大型環(huán)氧丙烷／苯乙烯(簡稱POSM)裝
置為例，環(huán)氧丙烷／苯乙烯生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大
量的揮發(fā)性有機物廢氣，廢氣中主要含有乙醛、
環(huán)氧丙烷、苯乙烯、乙苯等污染物，正常工況下
有機物濃度在2 800 mg／Nm 以上，廢氣排放量高
達86 000 Nm ／h。POSM裝置的廢氣系統(tǒng)共有六
種工況(見表2)，即正常工況、設計工況、最大
流量工況、最小流量工況、最大有機物工況以及
最大乙苯工況，各種工況下的廢氣流量及組成不
2010年第26卷第4期 夤 孫發(fā)群．石化裝置有機廢氣壅 墅—
盡相同，廢氣的種類、流量和濃度變化范圍相當
寬。根據(jù)廢氣的組成和裝置的環(huán)保要求，結合催
化燃燒技術的特點，POSM裝置的廢氣可以采用
催化燃燒進行處理。
5．2 廢氣處理工藝流程
POSM裝置催化燃燒處理有機廢氣工藝流程見
圖i。主裝置的有機廢氣通過輸送管道引入催化燃
燒處理單元，在正常運轉狀態(tài)下，廢氣首先經(jīng)過阻
火器進入熱管氣一氣換熱器與氧化反應產(chǎn)物進行換
熱，再經(jīng)過燃燒加熱器加熱后進人催化燃燒反應器
進行氧化反應，反應產(chǎn)物再經(jīng)熱管氣～氣換熱器換
熱回收熱量后通過排氣煙囪排放到大氣中。
在催化燃燒系統(tǒng)開工初期，首先啟動開工風機
用空氣進行循環(huán)，然后用燃燒加熱器加熱空氣逐漸
將系統(tǒng)溫度升至催化氧化反應所需的溫度，然后將
廢氣引人催化燃燒系統(tǒng)進行處理。廢氣進入裝置
后，通過燃燒加熱器進行預熱，并經(jīng)換熱過程使廢
氣逐漸達到催化燃燒反應溫度條件，實現(xiàn)催化燃燒
反應。在反應器中，廢氣中的有機污染物在Pt、
Pd催化劑作用下，在240～550℃溫度條件下與氧
氣發(fā)生反應，將污染性的有機揮發(fā)物氧化為H：O
和CO：，并釋放出大量的反應熱。
在正常工況下，通過催化燃燒裝置處理后，
主裝置廢氣的有機污染物去除率設計值達97％
以上，排放氣體濃度均小于國家標準要求。處理
后實現(xiàn)達標的廢氣，攜帶大量的熱能通過換熱器
對未處理廢氣進行預熱，經(jīng)充分回收熱量后，通
過排氣煙囪排放到大氣中。
表2 POSM 裝置廢氣處理量
工況1： 工況2： 工流量／(k 況3： 工況4： 工況5： 工況6：
g·h ) 正常工況 設計工況 最大流量 最小流量 最大有機物 最大乙苯
總流量／(kg·h ) 98912 103708 107096 49189 1O4667 994l2
氮氣 94l83．4 98260 98663 46791 98260 94183．4
氧氣 3284．1 344l 7145 1639 3441 3284．1
水 1217 1236 l288 589 1236 l2l7
甲烷 4 94 O 55 94 4
C3’s(丙烷) 5．4 ll O 3 11 5．4
乙醛 5．4 29 O 3 29 5．4
甲酸 0．6 1 O 1 1 0．6
環(huán)氧丙烷 3．9 41 O 2 1ooO 3．9
丙醛 6 19 O 6 19 6
苯 3 l6 O 3 l6 3
甲苯 1 24 0 1 24 l
苯乙烯 17 17 0 17 17 17
苯甲醛 4 6 0 2 6 4
乙苯 106 168 0 39 168 606
苯甲醇 O．2 l 0 O 1 0．2
苯乙酮 20 1l2 0 1l 112 20
異丙基苯 1 3 O 3 3 1
甲基芐醇 50 229 O 24 229 50
有機物合計 223．5 677 0 115 1636 723．5
5．3 廢氣處理工況分析
針對POSM裝置廢氣的多種工況，催化燃燒系
統(tǒng)應適應廢氣含烴量高、低等特殊工況，可設計成
兩套并列的A／B單元，每一單元都能單獨處理全部
廢氣。在通常情況下，兩套處理單元同時運轉，每
一單元的處理量為進料的50％；當其中的一套停車
或檢修時，可以將廢氣通過另一套處理單元全部處
理，這樣可以增加廢氣處理的靈活性和可靠性。
辯 石油化工安全環(huán)保技術 嘶 2010年第26卷第4期
圖1 催化燃燒處理廢氣工藝流程
對于最大有機物排放工況(工況5)，由于廢
氣中有機可燃物流量達到1 636 Kg／h，廢氣在反
應器中發(fā)生催化氧化反應，放出大量反應熱，有
可能造成反應器出口超溫，為避免超溫，可通過
補充稀釋空氣，降低廢氣濃度，使反應器出口溫
度控制在550℃ 以內(nèi)。
對于正常工況(工況1)、設計工況(工況
2)、最大乙苯工況(工況6)以及最小流量工況
(工況4)，廢氣中有機物含量較高，不用添加稀
釋空氣，可將排放廢氣全部處理。反應后的高溫
氣體，通過熱管式氣一氣換熱器回收熱能，換熱
后達標廢氣直接通過煙囪排放，廢氣進氣可達到
催化氧化反應啟動溫度，不用另外通過火焰燃燒
器加熱，裝置可實現(xiàn)自維持操作。
當廢氣中有機物濃度很低，或者出現(xiàn)工況3
的極端情況時，廢氣中幾乎不含有機物，廢氣中
烴類物質(zhì)的氧化反應產(chǎn)生的熱量較少(或者沒有
產(chǎn)生熱量)，通過熱管式氣一氣換熱器回收熱能
后，無法達到催化氧化反應需要的啟動溫度，這
時需要增加燃料氣進氣量補充熱量，燃燒系統(tǒng)自
動控制加大燃燒負荷補充熱量不足，稀釋空氣量
為零，通過增加燃氣進氣量來維持反應器床層溫
度的穩(wěn)定，此時可實現(xiàn)催化氧化正常反應。
6 結語
石化裝置有機廢氣的處理應根據(jù)廢氣的性
質(zhì)、濃度及生產(chǎn)實際情況，并結合經(jīng)濟性選擇最
佳的凈化方案。相比于有機廢氣的直接燃燒和熱
力燃燒，催化燃燒技術是一種節(jié)能、高效、更加
環(huán)保的凈化方法，它不僅凈化效率高，而且運行
穩(wěn)定，能耗低，隨著國家節(jié)能減排政策的大力實
施，相信催化燃燒技術在石化裝置有機廢氣處理
中會得到進一步的推廣和應用。
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