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RTO/RCO催化燃烧蓄热反应问题分析与对策

2021-06-18 15:49:25 东莞市中仁环保科技有限公司 阅读

随着国家及地方关于挥发性有机物(VOCs)的排放标准相继出台,针对排空尾气中非甲烷总烃(NMHC)的浓度要求已经迈入“毫克级”。

因此,化工、石化、煤化工等行业内VOCs治理项目的工作重心已经由“油气回收”转变为了“达标排放”,而在油气回收装置中常见的作为末端工艺的可再生吸附法也逐渐被以焚烧(TO)或催化氧化(CO)为基础的破坏法所取代。

破坏法通常需要较高温度来确保排放废气中VOCs的去除效率,因此需要消耗大量能源(燃料、电)来维持反应温度,导致工艺整体能耗很高。

而通过将蓄热反应与 TO/CO工艺结合形成的蓄热式焚烧(RTO)或蓄热式催化氧化(RCO)工艺,可以凭借其 90%以上的热回收效率,大幅降低能耗。因此,RTO/RCO已经成为近年来各行业中VOCs净化方案的主流选项。

RTO/RCO所采用的蓄热反应在实际应用中普遍存在以下问题:

①反应器内压力不稳定,呈周期性、脉冲式的波动,严重时,紧急泄压阀频繁起跳,不利于反应器的安全稳定运行;

②尾气中的NMHC浓度呈现周期性波动,严重时,NMHC浓度峰值超出排放标准,导致撬装设备无法投入使用,需要花费大量时间和精力进行设备调试。

通过对蓄热反应工艺原理梳理和分析,找到了反应器工况出现周期性波动的根本原因,并提出了工艺上的解决方案。该方案在某石化企业的VOCs治理项目上进行了实际验证,证明了方案的有效性。

1、蓄热反应工艺原理及问题分析

一、工艺原理

在国内外VOCs治理领域中,蓄热反应已属于较为成熟的工艺技术,以1套经典的三厢式RCO反应器来阐明蓄热反应的工艺原理。

设备主体的结构见图 1。3个蓄热室(a,b,c)内均设有催化剂床和蓄热床,并上下分层布置。整个系统通过进气阀(1a,1b,1c)及排气阀(2a,2b,2c)调节各蓄热室间的温度平衡,为避免换向操作时出现未反应气体因换向直接排出反应器导致尾气超标,在换向阀组中加入吹扫阀(3a,3b,3c)。

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含VOCs的废气自进气阀进入一个蓄热室,通过第一级蓄热床加热至反应温度后进入第一级催化剂床。在贵金属催化剂的辅助下,VOCs与空气中的氧气在 300~350℃条件下发生氧化反应,生成二氧化碳和水,并放出大量的热。反应后气体经过加热室,从另一蓄热室顶部进入。先经过第二级催化剂床,使气体中残留的VOCs进一步反应,再经过第二级蓄热床。

由于有机物的完全氧化反应为放热反应,因此废气经氧化反应后温度升高,在经过第二级蓄热床时热量由废气传导至蓄热体,从而实现热量回收。完成热量回收的尾气经排气阀出反应器,并由 RCO主风机输送至排气筒排向大气。

阀组的换向周期可以分为3个阶段,每个阶段中3个蓄热式分别处于放热(进气)、蓄热(排气)和吹扫3种状态,并循环往复。表1描述了一个完整的换向周期内各蓄热室的工作状态和各个阀门对应的开关状态。

表1 一个周期内蓄热室及阀门组工作状态

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二、 问题分析

换向阀组在进行切换时,大多采用同步开关的阀门动作形式。而多个阀门在同时动作时,其设备调试的难度较高,对换向阀组本身的性能要求较高,蓄热反应出现工况周期性波动是具有必然性的。当阀组中某一个阀门与其他阀门动作时间不同步时(以 2b阀动作时间较其他阀门慢1~2s为例),则可能出现以下两个问题。

(1)当阀组处于阶段一向阶段二切换过程中时,需要动作的进气和排气阀门为 1a(开→关),1b(关→开),2b(开→关),2c(关→开)。此时,由于2b关闭动作较其他阀门动作慢 1~2s,导致阀组存在 1b,2b同时打开 1~2s的情况。由于1b,2b同属于蓄热室b,导致自 1b进入且未经反应的VOCs废气直接从2b排出,使尾气出现短时超标现象。

(2)当阀组处于阶段三向阶段一切换过程中时,需要动作的进气和排气阀门为 1c(开→关),1a(关→开),2a(开→关),2b(关→开)。此时,由于 2b关闭动作较其他阀门慢 1~2s,导致整个阀组存在所有排气阀全部关闭 1~2s的情况。此时上游的VOCs废气和吹扫空气经增压后仍持续自处于打开状态的1a和3c进入反应器,导致反应器内压力冲破紧急泄压阀。

事实上,在设备的长周期运行过程中,将阀组的工艺流程设计为同步开关是不具有可靠性的。RCO撬装设备内的阀组动作频繁,无法保证设备长周期运行时始终确保所有换向阀组同步开关。

当某个阀门因硬件原因出现动作频率异常,则上述VOCs废气短路直排和反应器憋压的问题将出现。阀门的数量越多,同步开关的难度也越大。因此,需要对换向阀组的工艺流程进行优化。

2、蓄热反应工艺优化方案

一、方案描述

换向阀组顺序控制方案可以有效避免同步开关的换向阀组工艺带来的反应器憋压和废气短路直排问题,相邻两个动作之间间隔 1~2s,前一个动作的完成作为后一个动作开始的判定依据。具体的控制优化方案见表 2。

表2换向阀组的顺序控制方案(周期)

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二、 对比试验

为验证上述工艺优化方案的有效性,在某石化企业 VOCs治理项目实施过程中进行了同步开关和顺序控制的对比试验,观察其实际运行状态。

(1)同步开关方案

在 RCO撬装设备进行联合调试的第一阶段,将换向阀组的动作设置为同步开关,并将蓄热室b对应的排气阀 2b的执行机构人为调慢 2S。反应器内的压力立即出现剧烈波动,根据压力表显示,2b打开动作慢 2s可以导致反应器内部压力从微负压(-0.5kPa)迅速上升至5kPa以上,并导致设备配套的紧急泄压阀起跳。同时,RCO撬装设备出口的VOCs浓度在线分析设备的检测结果显示,尾气中的 NMHC浓度呈现周期性的超标。

将 2b的执行机构动作频率调至与其他阀门动作保持几乎一致之后,紧急泄压阀不再起跳,但反应器内依旧存在 -0.5~1kPa的压力波动。同时,在线分析数据显示,尾气中NMHC的质量浓度数值波动减弱,基本可以维持在 50mg/m3以下,实现了达标排放。

(2)顺序控制方案

完成换向阀组工艺流程的改造后,RCO撬装设备内不再出现压力波动,压力稳定在微负压(-0.5kPa),且尾气中NMHC的质量浓度稳定在15mg/m3以下,实现了稳定达标排放。在线分析仪在 48h内定时测出5个检测数据,并在最后一次在线测出数据的同时进行采样分析,结果见表3。

表3 RCO装置的 NMHC

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从压力和尾气NMHC质量浓度的数据呈现平稳趋势来看,顺序控制方案行之有效。

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目前行业内的成套设备供应商大多将蓄热反应的稳定运行寄托于设备各组件的可靠性,而没有从工艺设计的角度去规避因为设备可靠性下降带来的安全和环保达标的风险。

基于此,提出将换向阀组同步开关的动作方式改为顺序控制工艺优化方案。通过工程实践,将换向阀组的动作方式改为顺序控制后可以有效地避免 RCO装置出现周期性的工况波动,并将出口尾气的NMHC质量浓度稳定在 15mg/m3以下。

此外,该方法通过工艺流程的优化降低了装置对阀组运行可靠性的依赖,降低了设备调试的难度。

该方案针对蓄热反应工艺的优化具有普适性,随着 RTO/RCO技术在 VOCs治理领域内更多的应用,将会在行业内具有更加广泛的推广意义。

来源:环保



标签:   催化燃烧