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石油化工行業VOCs廢氣處理工藝有哪些

2019-10-18

石油化工廠在生產過程中會產生大量的揮發性有機物(VOCs),如何對這一廢氣進行處理已經發展成為重要的研究課題。本文簡單介紹目前我國石油化工行業VOCs廢氣處理技術進行簡單分析探討。


  一、高濃度廢氣處理工藝


  1.洗滌法


  原理:將氣體通入含噴淋係統的洗滌塔中,氣體經過填料床的均勻分布,與洗滌液充分接觸,利用氣體中汙染物的溶解性或化學性質,將氣體中的汙染物吸收或通過化學反應去除,從而達到氣體淨化的目的。除此之外,洗滌塔還有降溫、除塵、除油的作用。通常采用的方式為逆流式洗滌。常用的洗滌劑包括清水、植物液、硫酸溶液、氫氧化鈉溶液、次氯酸鈉溶液等。其中清水洗滌和植物液洗滌是利用汙染物的溶解性,植物液的一些基團也參與化學反應;硫酸溶液洗滌、氫氧化鈉溶液洗滌和次氯酸鈉洗滌則是利用了汙染物的化學性質。


VOCs廢氣處理


  特點:


  (1)反應快速,洗滌劑與氣體接觸的時間一般不超過12秒;


  (2)適用性強,常和其它處理工藝結合,是有效的預處理設施;


  (3)常用立式結構,節約占地;


  (4)操作簡單,除了定期更換洗滌劑外基本為無人操作(洗滌劑更換也可通過增加配套PLC自動控製係統實現無人操作);


  (5)工藝靈活,若氣體性質發生變化,則通過更換洗滌劑即可繼續使用;


  (6)建設成本低。


  適用條件


  適用性較強,可起到除塵、除油、降溫、除臭的作用,常作為其它工藝的預處理設施。


  應用於石化行業


  洗滌法應用於石化行業的具體表現形式為油洗塔。油洗塔是乙烯裝置熱回收區的關鍵核心設備,其作用是將來自裂解爐的裂解氣中的重油和輕油組分冷凝,並極大的實現熱量回收。原理為將來自裂解爐的裂解氣和急冷油/水逆流接觸冷卻,裂解氣中的重油和輕油組分因此得以冷凝。冷凝的熱媒和冷媒可采用直接或間接接觸形式進行熱交換。


  2.催化燃燒法


  原理:通過引風機將廢氣送入淨化裝置換熱器換熱,再送入到加熱室,通過加熱裝置,使氣體達到催化反應溫度,再通過催化床內催化劑作用,使有機氣體分解成二氧化碳和熱能。


  特點:


  (1)高濃度時耗能僅為風機功率,濃度較低時自動間歇補償加熱;


  (2)催化起燃溫度為300~500℃。


  適用條件:


  (1)中、高濃度的有機廢氣,較佳濃度2500-3000mg/m3;


  (2)主要針對烴類、苯類、酮類、醚類、酯類、醇類、酚類。


  應用於石化行業


  催化燃燒法適用於處理高濃度的有機廢氣,而且技術本身已經發展的相當成熟。但是該方法一次性投入和維護運行費用都比較昂貴,因此應用於大氣量廢氣的處理會給企業帶來較大的經濟負擔。另外如果催化劑床層溫度控製不好,還會有爆炸的危險。因此在選擇使用該技術的同時要做好防爆安全措施。


  3.直接燃燒法


  原理:利用輔助燃料燃燒所發生熱量,把可燃的有害氣體的溫度提高到反應溫度,從而發生氧化分解。


  特點:


  利用熱力法燃燒方式氧化分解廢氣中的汙染物,在適當的溫度下,提供充足的燃燒氧氣和一定駐留時間,高效除臭,高淨化率。同時該設備主機工作穩定,不存在堵塞現象。


  適用條件:


  中高濃度有機廢氣。例如溶劑廢氣:苯類、酮類等。


  應用於石化行業


  直接燃燒法對廢氣的要求較高,因此還是要根據具體問題具體分析。


  4.蓄熱式催化淨化(RCO)


  原理:將低溫催化氧化與蓄熱技術相結合的一種有機廢氣淨化技術。


  特點:


  (1)采用預熱和蓄熱交替切換技術,使之具有較高的換熱效率,效率高達90%以上,節能性能顯著;


  (2)具有催化燃燒法相同的特點。


  適用條件:


  適用與塗裝線及烘房有機廢氣處理,化學工業、化學合成工藝(ABS合成),石油煉化工藝等各種產生有機廢氣的場所。在氣體中含有S、鹵素等成分時可使催化劑失活,該情況下不適用。


  5.蓄熱式熱力氧化(RTO)


  原理:將高溫氧化與蓄熱技術相結合的一種有機廢氣處理技術。爐體在進行廢氣處理之前,先將燃燒室、蓄熱床進行預熱;預熱完畢後,將廢氣源接入設備。有機廢氣在配套風機作用下,首先經預熱的蓄熱陶瓷體1進行熱交換,廢氣經過一次提溫後進入加熱區,在加熱區廢氣得到第二次提溫,此時廢氣溫度達到800℃左右廢氣直接燃燒,生成二氧化碳與水排出並釋放熱能;處理後的潔淨氣體再經過蓄熱陶瓷體2進行蓄熱由風機排出。經排風機進口測溫棒進行溫度檢測後達到設定溫度時,進行閥門切換由蓄熱陶瓷體2進入廢氣、由蓄熱陶瓷體1排出,如此循環往複。


  特點:


  (1)采用預熱和蓄熱交替切換技術,使之具有較高的換熱效率,效率高達90%以上,節能性能顯著;


  (2)采用燃燒機供熱,可實現大、小功率運行比例調節功能,並具有預清掃、歇火保護、超溫報警及自動切斷燃料供應功能;運行安全、可靠、高效、耐用;


  (3)采用微機自動控製、多點溫控,實現多種保護動作、運行信息檢索、監控信息反饋,使係統安全、穩定、可靠地運行;


  (4)閥門采用氣動傳動機構,與電動傳動機構相比較閥門切換更靈敏、更迅速;


  適用條件


  (1)適用於中高濃度的有機廢氣


  (2)適用於塗裝線、印刷、化學合成工藝(ABS合成)、石油煉化工藝各種產生有機廢氣的場所。


  二、中低濃度廢氣處理工藝


  1.光解法


  光解法以是否需要電極來激發產生臭氧分為有極紫外和無極紫外兩種,首先介紹有極紫外光解法。


  原理:在波長範圍170nm-184.9nm(704kJ/mol-647kJ/mol)高能紫外線的作用下,一方麵空氣中的氧氣被裂解,然後組合產生臭氧;另一方麵將惡臭氣體的化學鍵斷裂,使之形成遊離態的原子或基團;同時產生的臭氧參與到反應過程中,使惡臭氣體終被裂解、氧化生成簡單的穩定的化合物,如CO2、H2O、SO2、NO2。


  特點:


  (1)裂解反應時間極短(<0.01s),氧化反應的時間需2-3s;


  (2)可以破壞惡臭物質部分化學鍵,從而改變其性質,達到除臭的目的,不需耗費大量能量將有機物全部轉化為無機物,節約能源;


  (3)UV光解淨化長期穩定、高效。燈管使用壽命12000-15000小時,箱體通常為不鏽鋼材質,美觀大方,使用壽命可達15年以上;


  (4)條件滿足的情況下,UV光解的淨化效率可達到99.9%以上;


  (5)占地麵積小,操作靈活,可實現自動無人操作。


  適用條件


  (1)反應溫度低於70℃,粉塵量低於100mg/m3,相對濕度低於99%;


  (2)適用於中、低濃度有機氣體廢氣處理,尤其在消除臭味方麵得到廣泛的好評。


  應用於石化行業


  光解法在處理烴類汙染物(“三苯”、非甲烷總烴等)方麵具有較高的去除率,特別適用於中低濃度石化行業廢氣處理,能廣泛使用與石油化工領域。另外,UV光解淨化技術在處理某些特定的環境和特殊工藝式,能有很好的處理效果,並能淨化絕大多數種類的廢氣,是其他技術無法替代的。


  無極紫外


  無極紫外光解法所采取的發光原理與有極法不同:利用微波發生器產生的高頻電磁波激發等內填充氣體產生紫外光。同普通紫外相比,微波無極紫外光源由於沒有電極,不會產生由於電極氧化、損耗和密封問題引起的發黑現象,而且具有製造容易、價格低廉、能耗小和反映其簡單等優點。


  然而,無極紫外燈在利用電能轉化成微波時,轉化率隻有70%,這些微波也不能全部作用於燈的激發,一部分用於加熱作用,使得反應體係過熱,嚴重時使無極燈不穩定,甚至出現暫時熄滅的現象,冷卻裝置也帶了一部分能量,這些都導致了微波無極燈能量利用率不高。


  2.活性炭


  原理:活性炭是常用的吸附劑之一,它具有孔隙率高的特點,其孔徑分布為:大孔半徑>20000nm,過渡孔半徑150~20000nm,微孔半徑<150nm。孔徑相對越小且孔數越多的活性炭,其比表麵積就越大。巨大的比表麵積就有強大的表麵吸附能。表麵吸附能把小分子(分子直徑數量級通常在10-10m)汙染物捕捉並固定在微孔中,通過的氣體即為幹淨氣體。


  此外,活性炭顆粒散裝放置可形成堆疊效應,使比表麵積擴大,表麵活性能增強。有時候,氣體中往往摻雜一些粒徑相對較大的液相或固相物質,即霧或煙。這些物質直徑比活性炭微孔孔徑大,因此氣體在通過活性炭層時它們會被活性炭阻截,這邊是活性炭的過濾作用。


  特點:


  (1)適用性強,幾乎所有汙染物質都能用活性炭吸附法去除;


  (2)設備簡單,吸附過程不使用其它能源,建設費用低廉;


  (3)活性炭再生後可重複使用。


  適用條件


  (1)空氣幹燥。活性炭具有很強的吸濕性,若空氣潮濕,活性炭很快會失去作用;


  (2)顆粒物濃度低。活性炭對顆粒物或油狀物具有阻截作用,當阻截物增加到一定量後,整個係統的風壓會特別大,對動力設備的使用壽命有很大影響;


  (3)汙染物濃度較低。汙染物濃度高的話,活性炭很快吸附飽和,降低或


  失去吸附作用。經常更換活性炭會產生較大的運行費用,活性炭再生又會消耗大量的能源,也是運行費用的組成部分。


  應用於石化行業


  石化行業廢氣普遍存在氣量偏大的情況,在此情況下,活性炭法並不適合該類廢氣淨化。因為相應產生的換炭成本較高,進而會給企業或業主造成經濟負擔。另外,某些情況下石化廢氣的氣溫較高,高於80℃就不太適合應用活性炭吸附法。因此是否要采用此法處理石化行業廢氣還要根據具體廢氣性質來分析和選擇。


  此外,活性炭對其他直連的烷烴吸附效果較差。對於低濃度、大氣量的廢氣,通常是將活性炭吸附和催化燃燒結合起來使用。先采用活性炭進行吸附提濃,然後在再生過程將含有高濃度有機物的解析器進行催化燃燒,這樣可以避免產生大量的活性炭二次汙染物。


  3.活性炭吸附—蒸汽脫附—催化燃燒


  原理:根據吸附(效率高)和催化燃燒(節能)兩個基本原理設計的,即吸附濃縮—催化燃燒法。


  特點:


  (1)采用吸附濃縮+催化燃燒組合工藝,整個係統實現了淨化、脫附過程閉循環,與回收類有機廢氣淨化裝置相比,無需備壓縮空氣和蒸汽等附加能源,運行過程不產生二次汙染,設備運行費用較低,但是一次性投資較高;


  (2)設計時在活性炭達到94%飽和之前即開始脫附。可自動/手動切換閥門。活性炭更換周期3-5年;


  (3)爐內正常溫度400℃,500℃將報警,並通過補冷風進行降溫,溫度達600℃時停機,同時設計泄壓閥保證安全。


  適用條件


  適用於常溫、大風量、中低濃度,易揮發的有機廢氣,主要包括一些有機溶劑如苯類、酮類、醛類、醚類、烷烴及其混合類等。濃度小於1000mg/m3。


  4.淨化回收法


  原理:吸附過程:廢氣經空氣過濾器除去微小懸浮顆粒後進入罐內,通過填裝在罐內的顆粒狀活性炭(或活性炭纖維)吸附過濾後再由後置風機排空(如氣體的濃度較高時可采用多節吸附裝置,保證氣體達標排放)。


  脫附過程:活性炭使用一段時間後活性炭處於飽和狀態,此時需對活性炭進行再生處理,脫附再生選用加溫解析法,將0.5MPa高溫蒸汽自塔底噴入罐內將有機物從活性炭中剝離,剝離後的氣體通過配套的冷凝器降溫後進入分離桶,分離回收有機溶劑,殘液進入曝氣桶經曝氣後排出(如需回收高精度溶劑,可在分離桶後置一套精餾設備)。


  特點:


  (1)有機溶劑回收,不需要對脫附氣體進行處理,降低了建設成本和運行成本;


  (2)有機溶劑回收,杜絕資源浪費,回收產品價值抵消部分運行費用;


  (3)在線脫附,使活性炭可以重複使用,降低了活性炭更換費用。


  適用條件


  (1)適用於中低溫度有機氣體;


  (2)適用需要回收揮發分有機溶劑的行業。


  應用於石化行業


  由於石化行業廢氣普遍具有大風量、含有中高濃度有機廢氣的特點,回收法廣泛適用於石化行業各領域。然而回收法如果不與活性炭吸附裝置串聯使用的話,處理效率並不理想;而與活性炭串聯,無形中又增加了一部分運行和換炭的費用。


  5.生物法


  原理:生物過濾工藝采用了液體吸收和生物處理的組合作用。廢氣首先被液體(吸收劑)有選擇地吸收形成混合汙水,再通過微生物的作用將其中的汙染物降解。具體過程是:先將人工篩選的特種微生物菌群固定於填料上,當汙染氣體經過填料表麵初期,可從汙染氣體中獲得營養源的那些微生物菌群,在適宜的溫度、濕度、pH值等條件下,將會得到快速生長、繁殖,並在填料表麵形成生物膜,當臭氣通過其間,有機物被生物膜表麵的水層吸收後被微生物吸附和降解,得到淨化再生的水被重複使用。


  汙染物去除的實質是以廢氣作為營養物質被微生物吸收、代謝及利用。這一過程是微生物的相互協調的過程,比較複雜,它由物理、化學、物理化學以及生物化學反應所組成。


  生物淨化法可以表達為:


  汙染物+O2→細胞代謝物+CO2+H2O


  具體過程分為三步:


  (1)廢氣同水接觸並溶解到水中;


  (2)水溶液中的汙染物成分被微生物吸附、吸收,從水中轉移至微生物體內;


  (3)進入微生物細胞的汙染物成分作為營養物質為微生物所分解、利用,從而使汙染物得以去除。


  特點:


  (1)不產生二次汙染物,產物是良性的;


  (2)全自動控製,全天候工作,隻需巡視,運行穩定可靠,適應不同條件的運行狀況;


  (3)處理效率高、去除效果明顯;


  (4)運行費用低,前期微生物馴化期間需要添加些營養物質,微生物掛膜後無需添加任何物質。


  適用條件:


  適用於溶解性好,汙染物濃度較低,可生化性較好的氣體。在汙水處理廠、垃圾填埋場、汙泥處理場等場合應用較為廣泛,且效果受到認可。


  應用於石化行業:


  采用經過專門培養、馴化的微生物菌種處理含有“三苯”的石化有機廢氣是可行的。微生物菌種同事對“三苯”之外的其他烴類物質也有一定的去除效果。另外,生物膜填料塔在停止運行期間,生物膜填料應該保持濕潤狀態,以維持微生物菌種的活性。在循環液流量過低或無流量的情況下,應停止廢氣進入填料塔,防止生物膜的幹化、失效。

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