蓄热式热力氧化法在顺酐废气处理中的应用

摘要：叙述了现有顺酐废气处理工艺存在的问题,及蓄热燃烧法的工作原理、系统组成和工艺特点,分析了顺酐废气组分及多室RTO焚烧工艺流程、焚烧设备的工程设计、废气排放浓度及排放标准,指出,在分析化工企业生产顺丁烯二酸酐过程中产生的有机废气的来源、组分和气量的基础上,通过安装RTO焚烧炉对该类废气进行焚烧处理,完成了对上述工艺废气的高效处置。

0 引言

当前，国内外有机废气的处理方式主要有生物处理法、热破坏法、吸附法、液体吸收法、冷凝回收法、变压吸附分离与净化法和氧化法等工艺，其中氧化法又可分为催化氧化法和热氧化法两种，催化氧化法中的催化剂有贵金属催化剂(如Pt、Pd)和非贵金属催化剂(~13MnO2)，热氧化法主要分为热力燃烧式、间壁式和蓄热式三种方式，主要区别在于热量的回收方式上。对于生产过程中产生的有毒有害且不需回收的VOC(挥发性有机物)废气，热氧化法是前最适合的处理技术和方法，且产生的余热还可综合利用，减少能源消耗，该法现已广泛应用于电子、汽车、化工、制药等行业的废气治理领域圈。

1 现有顺酐废气处理工艺存在的问题

顺丁烯二酸酐(以下简称顺酐)在生产过程中，会产生大量含有苯、二甲苯、顺酐、CO等污染物的气体，为减少上述污染物对周边环境的影响，原有废气处理措施为一级水夹套初冷、二级冷冻盐水夹套深冷，通过苯、二甲苯、顺酐的溶点低的物理特性去除大部分苯、二甲苯、顺酐后，再经活性炭吸附二级处理，进一步去除过苯、二甲苯、顺酐等残留物。但因该废无法从根本上解决顺酐废气处理问题，而造成苯、二甲苯不能稳定达标排放的主要原因是活性炭吸附容量易饱和，特别是尾气中含水，活性炭吸水后不能吸附苯、二甲苯，此外活性炭吸水后与有机物结块易局部造成堵塞，系统不能正常运行，构成安全隐患。若将原有废气处理方式(冷凝+活性炭吸附)变更为蓄热式热氧化处理工艺，废气中的苯、二甲苯、CO、顺酐等成分将得到高效处理，从而实现稳定达标排放。

2 蓄热燃烧法的工作原理 系统组成和工艺特点

2.1 工作原理

在有机废气净化方法中，蓄热燃烧法是目前很有发展前景的VOC 废气治理方法，在欧美发达国家，RTO炉(蓄热式热力焚化炉)已在整治VOCs废气净化范围内起到主导地位，其基本原理是VOCs与O₂发生氧化反应，生成CO₂和H₂O，化学方程式为：

其中a、b、c、d为方程式中的配平系数，随着VOCs分子量的不同而发生变化。

该法所用的装置蓄热式热力氧化器“RegenerativeThermal Oxidizer” (简称RTO)，在充分满足燃烧过程的必要条件下，燃烧法可使有害物质达到完成燃烧氧化。它主要是由陶瓷蓄热床、自动控制阀、燃烧室和控制系统等组成固，其主要特征是蓄热床底部的自动控制阀分别与进气总管和排气总管相连，蓄热床通过换向阀交替换向，将由燃烧室出来的高温气体热量蓄留，并预热进人蓄热床的有机废气，采用陶瓷蓄热材料吸收、释放热量，预热到一定温度的有机废气在燃烧室发生氧化反应，生成CO₂和H₂O，得到净化。同时，利用燃烧室蓄热陶瓷耐高温、吸热快、散热快的特性，回收洁净的余热应用于生产工序，节约能源的消耗，RTO热回收效率一般可达90％以上，由于RTO热效率很高，通常只需补充少量辅助燃料，当废气中有机物浓度达到一定值时即可实现自供热操作。

2.2 系统组成

基本的RTO系统由1个公共燃烧室、2台或多台蓄热室、1套换向装置和相配套的控制系统组成。根据结构不同，典型的RTO装置可分为两室RTO、三室和多室RTO等。两室RTO是实现蓄热式热量回收的最基本结构，热量回收率超过95％，VOC 净化率可达99％，但在切换气流流动方向时，会有部分未经处理的VOC 逸出到大气中，造成二次污染；三室RTO的操作原理是在1个蓄热室进气、1个蓄热室排气的同时，1个蓄热室处于吹扫状态，三室RTO可用于小到中等的废气流量，一般当废气量大于6 000 Nm³／h，为保证气流的均匀分布和传热效率，应过渡到五室，当处理气量更大时，可用七室，本文中的废气处理量经测算达到15000 Nm³／h，气量较大，因此选用多室RTO炉。

2.3 工艺特点

RTO适用于处理2g／m³一8 g／m³浓度的有机废气，对于低热值气体浓度可达12 g／m3，特别适用于难分解组分的焚烧，且净化率较高(多室>99.9％，两室95％98％)，其次，RTO可适应废气中VOCS的组分和浓度的变化波动，且对废气中夹带少量灰尘、固体颗粒不敏感，RTO另一个显著特点是热回收率高，减少燃料的补充，节约了运行费用，因此，对处理量大、有机物含量低的碳氢化合物有机废气，效果十分显著，但不适用于处理含有较多硅树脂、含S、含Cl、含卤素的有机物。

3 顺酐废气组分及多室RTO焚烧工艺流程

3.1 顺酐废气组分 ‘

顺酐装置的氧化催化剂在使用过程中，会随着处理量的累积导致催化性能下降，从而会有微量苯氧化不完全，造成二次污染，顺酐车间氧化废气的主要成分为CO、CO2及少量的苯、二甲苯、顺酐等，其中CO、苯、二甲苯、顺酐为易燃物质，通过RTO炉进行燃烧处理具备工艺可行性。

3.2 多室RTO焚烧工艺流程

顺酐吸收塔废气(约45℃左右)首先经旋风除雾器去除夹带水后，经阻火器进入气体分布室，经平均分配后进人蓄热室1—6吸收蓄热体中储存的热量，废气预热到650℃左右，预热后的废气进入热氧化室高温氧化分解，在热氧化室，氧化温度维持在800℃左右，烟气停留时间大于1.2s，确保废气中所含有机物充分氧化分解为CO 、H₂O等无害气体，产生的高温烟气一部分进入蓄热室8～12通过直接接触放热给蓄热体储存热量，同时烟气温度降至8O℃左右，蓄热室出来的烟气进入气体分布室，经平均分配后由烟道进人烟囱。另一部分高温烟气通过热氧化室烟道支路进入余热锅炉换热，将4.0 MPa(压力表指示的压力)、104℃的锅炉给水加热成2.5 MPa(压力表指示的压力)、226℃的饱和蒸汽，换热后的烟气温度降至160℃左右后经烟囱排放到大气中去。

通过反吹风机抽取余热锅炉出来的部分烟气到蓄热室7进行吹扫，排除蓄热室7中残留的废气。切换时间到达后，通过自动控制装置，打开蓄热室1的排烟气阀门，同时关闭蓄热室7的排烟气阀门，再打开蓄热室7的废气进口阀门，关闭蓄热室8的废气进口阀门，打开蓄热室8的废气吹扫阀门，一定时间后关闭蓄热室8的废气吹扫阀门。焚烧处理工艺流程示意图见图1。

4 工程设计

a)焚烧炉。热氧化炉燃烧氧化温度维持在800^oC左右，设计热氧化室燃烧主反应停留时间，其燃烧停留时间大于1.2 s；

b)烟囱。废气排放量以15000 Nm³/h计，烟囱气流速度按10m/s～15m/s计算，现有烟囱3020mmx35000mm满足GB50051—2002烟囱设计规范要求；

c)质酐废气通过蓄热式焚烧炉焚烧处理，在确保废气处理系统正常运行管理下，能大幅度降低废气中的有机污染物排放量；

d)废气量评估情况见表1。

由表1可知，顺酐车间氧化废气中主要有机污染因子为苯、顺酐等物质，尾气中的有机成分能完成氧化分解，顺酐废气处理量为15000Nm3/h，按冷风管的通风风管流速8m/s一12m/s计算，现有进气口管路 1800mm管径满足焚烧工艺要求；

e)根据相关设计规范进行设计 ，焚烧设备的设计参数见表2；

f)顺酐氧化废气治理焚烧处理前后组分隋况见表3。

5 废气排放浓度及排放标准

RTO焚烧炉燃烧尾气应满足GB 16297-2002大气污染物综合排放标准中表2-级排放标准[sl、GB 9078—1996512业炉窑大气污染物排放标准[61、GB 14554-93恶臭污染物排放标准问、GB 3095-2012环境空气质量标准is]等相关要求，因废气中顺丁烯二酸不具备监测条件，改测非甲烷总烃，监测结果显示，苯和二甲苯已完全燃烧，无法检出，非甲烷总烃由焚烧前的130mg/m3减少为焚烧后的1.07mg/m ，去除率达95％以上，CO浓度由焚烧前的1.83 X 104 mg/m，大幅度降低为焚烧后的403mg/m ，去除率达99.9％以上，废气排放浓度及排放标准及见表4。

6 结语

通过对顺丁烯二酸酐车间氧化废气进行焚烧处理，废气中的苯、二甲苯、顺酐处理效率达到95％以上，CO处理效率达到99％以上。鉴于蓄热式执氧化处理技术相对于传统废气处理技术具有明显优势，该技术在国外已非常成熟，而在国内的研究应用尚处于起步阶段，未来，以资源化循环利用为目的的RTO技术将是VOCs治理技术的发展趋势，在节约能源和减少污染的情况下，还可获得可观的经济效益和社会效益，前景相当广阔。