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热氧化如何提高化工厂的持续性

09/05/2012

当今,在新建生产线或者更新和扩建现有生产线时,都要求审查预期的排放指标。针对有害空气污染物(HAP)和挥发性有机物(VOC)的排放控制系统能够高效经济地处理这些对环境有害的废物。在过去的二十年里,由于排放标准越来越严,有关部门已经在整个工厂内采取了更加“全面”的方法,确保排放许可。CPI中的趋势是将全厂范围内的多股废物流收集到单个热氧化系统进行控制,尽管这样会要求额外增加源管道/管路。这种趋势受多种因素的推动,具体包括:

  • 矿物燃料价格上涨
  • 挥发性有机物(VOC)、有害空气污染物(HAP)、氮氧化物(NOx )和一氧化碳(CO)的排放标准更加严格
  • 减少工厂碳排放量的目标
  • 处理有机废液的成本增加
  • 尽可能减少需要维护的控制系统和排放监测点的数量

对于越来越注重能效和可持续生产的公司而言,所有这些因素都很关键。我们可以通过最近在很多现有的生产工艺中安装的排放控制系统的案例,来充分说明单一集中热氧化系统的好处。

在化工行业中,用得最频繁的热氧化炉可分为两大类,蓄热式热力氧化炉(RTO)和直燃式热氧化炉(DFTO,也称为“补燃器”)。蓄热式热力氧化炉(RTO)的热效率高,对能够产生含有低浓度挥发性有机物(VOC)、有害空气污染物(HAP)的稀空气流设备的燃料要求很低。但是,在下列情况下,直燃式热氧化炉(DFTO)却是最佳选择:

  • 生产工艺有蒸汽能量的需求时
  • 要求的处理效率大于99.5%时
  • 必须处理含氧量低的高热值废气时
  • 含量大量卤化或含硫化合物(产酸)时
  • 需要处理废液时

很多优秀的参考和文章都阐述了不同类型氧化炉之间的工艺选择,本文的重点是专门介绍直燃式热氧化炉(DFTO)。

一家生产制药和化肥行业用的有机中间体公司,决定安装一套直燃式热氧化炉系统,用于处理其很多中小型工艺反应器和储罐排空口排出的所有液体和气体废物流。直燃式热氧化炉(DFTO)设计处理多种废物,包括含有卤素、硫磺和氮的有机化合物。


该系统由必需的液体管线和储罐、工艺废气管线(包括防爆设备)、氧化室、烟管余热蒸汽锅炉、节热器、除去酸性气体的洗涤塔、除去氮氧化物(NOx )的选择性催化还原(SCR)系统、引风系统风机以及烟囱(包括排放监测系统)组成。

模块化直燃式热氧化炉(DFTO)系统的组成部分可根据废物流污染物进行选择


废液和废气源

废液从全厂从很多源聚集,并收集在储罐内。小储罐尺寸的设计能够容纳定期清洗储罐产生的废水。在该特定工厂中,所有的废液全是有机物,并且热值都较高,能够通过热氧化炉的双燃烧系统直接燃烧。在启动后,这些系统可完全依靠废液燃料运行。虽然该工厂不需要,但有时候需要使用另一套系统收集热值较低或不一致或水分含量较高的废液,这些废液通过辅助喷枪在燃烧器旁的氧化室中雾化。

除了废液外,共有六种工艺废气流由热氧化炉系统控制,每种废气由独立的控制管线输送,并单独喷入氧化室。一股气流通过风机从充氮保护的储罐抽出,用于处理潜在爆炸性的气体,目的是保持轻微负压。其余的气流来自于带压的工艺反应器,并且送到氧化室,无需风机。每股流中的废气量和挥发性有机化合物(VOC)的含热量变化性很大,特别对于在充注作业过程中排放最多挥发性有机化合物(VOC)的多台间歇式反应器和储罐。这些流量和负荷的较大变化是单一集中直燃式热氧化炉(DFTO)系统的最主要的好处。


多个撬装式废气管系控制系统

在排放控制系统的初步设计中,已经考虑了在各工艺气源旁边安装有多个较小的直燃式热氧化炉(DFTO)系统,这种布置的好处是将废气收集系统的管道成本降到最低,并保持各工艺过程完全独立。但经废气源分析,确定各直燃式热氧化炉(DFTO)的设计需要满足该源在启动或不稳定条件下所需的最大废气量和含热量,因而需要更大的尺寸。而大氧化炉很难有效处理很低的“正常”废气流。对于多台间歇式反应器工艺过程来说,满足这种高极限负荷比的设计特别具有挑战性。

将这些所有的废气流引入单一集中直燃式热氧化炉(DFTO),能够设计同时满足多个流程上挥发性有机化合物(VOC)的高峰负荷(但并不是所有的都有必要),降低整个系统的规模和资本成本,同时改进在正常运行条件下的极限负荷比和直燃式热氧化炉(DFTO)的效率。进入集中直燃式热氧化炉(DFTO)的有机废液还对运行有稳定效应,因为在最大废气负荷期间的中断液体喷射(同时罐内的收集继续)并在低废气负荷期间恢复提供补充热量。集中直燃式热氧化炉(DFTO)的总体影响是大大降低了天然气(或其他补充燃料)的用量,从而降低了工厂公用工程的预算。通过将补充燃料用量降到最低程度,也就相应减少了工厂的碳排放量。在欧洲,不管温室气体(GHG)减排是强制性的,还是自愿的,这对很多公司来说,是越来越重要的考虑因素。


工艺蒸汽

很多化工厂在现场产生并使用蒸汽,以满足各种工艺过程和加热的需求。从直燃式热氧化炉(DFTO)氧化室出来的烟气温度在1600 ~ 2200℉,是一种优质的余热源,这种烟气很容易转换成饱和或过热蒸汽,供工厂的燃气/燃油或燃煤锅炉使用,从而降低其矿物燃料的用量。为此,将直燃式热氧化炉(DFTO)耐火材料内里的氧化室经过简单过渡处理,与锅炉进口匹配。锅炉设计和选型需要考虑很多因素,具体包括:

  • 预期的蒸汽压力
  • 是否需要过热蒸汽
  • 是否存在产生酸性气体的卤素或硫
  • 是否存在硅、磷、金属和其他产生灰尘的化合物

在这种情况下,系统包括一个产生中压饱和蒸汽的烟管余热锅炉,后接过热器和预热锅炉给水的节热器。由于氧化炉烟气中的盐酸和氢溴酸的浓度高,在设计时限制了节热器中的热回收,以在所有运行工况下保持出口温度高于酸的露点温度。另外,由于与工厂主锅炉房有一段距离,系统还包括了一个带有冗余泵的锅炉给水箱和冷凝水回水的除氧器。


烟管单通道余热锅炉

同样,在与多台局部装置比较时,单一集中直燃式热氧化炉(DFTO)特别有好处。就生产相同量的蒸汽来说,高利用率的单一余热锅炉系统比连接至局部直燃式热氧化炉(DFTO)的多台锅炉的资本成本要低得多。局部直燃式热氧化炉(DFTO)的余热锅炉在设计和选型时必须考虑氧化炉的高峰流量和热负荷,但是通常只在部分设计能力下操作。很明显,锅炉本身属于资本密集型设备,但是单一集中余热锅炉还能够将与锅炉给水、蒸汽供给和排污管系相关的安装成本降低到最低程度。锅炉开车和停车次数减少,延长了设备的使用寿命,并且将锅炉操作工的时间需求缩短到最短。实际效果是改善了投资回报,这种回报证明了余热回收作蒸汽使用,是很合理的。通过选择回收余热,工厂会进一步降低其总的矿物燃料消耗和碳排放量。


酸洗涤塔

在现有的节热器后面,烟气直接引入急冷器和酸洗涤塔,急冷器用水喷嘴和冷水壁冷却烟气流并使之达到饱和状态。急冷器将烟气和水排放至立式流填料洗涤塔内,其中 HCl、Cl2、 HBr、Br2、HF 和SO2 被吸收,并与NaOH溶液中和。洗涤塔除去99%的此类污染物。要使污染物去除效率大于99.9%,可以采用更高的塔和多级处理。 该工厂有50%的 NaOH ,并且从日用罐补给,通过冗余泵加入再循环的洗涤塔的洗涤水中,以调节pH值。

废液和六股废气流中的三股流目前含有卤素,需要在氧化炉的下游用大量来自废液的二氯甲烷洗涤。在安装新的直燃式热氧化炉(DFTO)系统前,这些含卤素的液体通过槽罐车运至远离现场的位置进行处置,这需要花大量费用(每加仑0.20 ~0.50美元)。使用余热锅炉后,向单一集中直燃式热氧化炉(DFTO)系统增设一台洗涤塔,比在多台小装置上加装洗涤的方案有明显的资本成本优势。

 
氮氧化物(NOx )的选择性催化还原

近年来,主管部门已经越来越将重点放在降低燃烧过程中氮氧化物(NOx )的排放,氧化炉也不例外。如果采用锅炉或工艺加热炉,大多数氮氧化物(NOx )以“热氮氧化物(NOx )”的形式出现,由燃气炉和燃油炉火焰锋的氮气形成。在本案例研究中,大多数预期的氮氧化物(NOx )来自于工厂废气和废液中的胺和其他含氮的挥发性有机化合物(VOC)。为满足很低的排放指标,在根据要求的高转换效率选择选择性催化还原(SCR)之前,已经评价了减少氮氧化物(NOx )的其他几种可替代方法,包括氧化室内非催化还原法。选择性催化还原(SCR)的另一好处是用于减少氮氧化物(NOx )的催化剂对破坏在含氯化合物氧化过程中形成的微量二氧(杂)芑和呋喃非常有利。


因为从洗涤塔出来的烟气是饱和气体,并且含有微量的酸,选择性催化还原(SCR)系统从预加热模块开始,通过混合少量来自下游的再循环热风,将烟气的温度提高到其露点温度以上。该模块的材质为耐氯化物腐蚀的合金。直燃式热氧化炉(DFTO)系统的冗余引风机装在预加热炉后,并采用变频驱动装置,目的是维持在氧化室内相对于大气具有一个轻微的负压。然后,烟气从选择性催化还原(SCR)出口(还原过程是放热过程)进入回热式热交换器回收热量,目的是使烟气达到还原温度。最后,将氨水还原剂喷入气流,还原剂精确计量以与所测得的氮氧化物(NOx )进入量匹配,然后烟气进入催化剂床,将超过95%的氮氧化物(NOx )转化成氮气和水。烟气再通过热交换器的另一侧,沿通道进入系统烟囱,从烟囱排放至大气,温度大约为200℉。按照工厂空气排放许可的要求,安装在烟囱上的连续排放监测设备跟踪总的碳氢化合物、盐酸和氮氧化物(NOx )的排放浓度,确认系统运行是否正常。

该系统要求氮氧化物(NOx )的排放量低是针对多个系统选择单一集中直燃式热氧化炉(DFTO)的另一个因素,选择性催化还原(SCR)系统属于资本密集型系统,包括昂贵的稀有金属催化剂、热交换器和烟气分析仪并且完全可以只安装一套系统。

结论

对于采用很多较小工艺过程的有机化学品制造厂而言,单一集中式热氧化系统是扩大生产的最经济合理的途径,同时又能满足最新的排放控制要求。因此,直燃式热氧化炉(DFTO)系统的好处如下,

  • 将挥发性有机物(VOC)和有害空气污染物(HAP)的处理效率最大化
  • 很好地将氮氧化物(NOx )的排放降至其许可标准以下
  • 消除了场外处置废液的费用
  • 通过使用矿物燃料余热值产生蒸汽,降低全厂范围内矿物燃料的需求量
  • 通过只安装一套系统,将维护成本降低到最低程度

总之,工厂通过减少其锅炉使用的矿物燃料和通过消除场外废物处置成本每年节省的费用实际上超出了其新排放控制系统的营业成本。在其设计使用寿命过程中,在其设计使用寿命过程中,使用直燃式热氧化炉(DFTO)系统为工厂带来的是净回报,这充分证明了“环保”并不一定非要以牺牲底线为代价。


作者

乔恩•霍姆斯(Jon Hommes)是密歇根州普利茅斯杜尔系统公司环境和能源系统事业部的一名工程师,拥有密歇根大学安娜堡分校的化学工程学士学位。


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