揮發性氣體深冷冷凝回收系統設計

孟麗莉，裴玉慶

（山西陽煤化工工程有限公司，山西 太原 030021）

0 引 言

自2017 年以來，環保形勢日益嚴峻，國家將VOCs 納入《大氣污染防治法》監管范圍，各級環保部門要求對VOCs 限期進行治理。

根據政府辦公廳下發的《2018 年大氣污染防治行動計劃通知》中提到加快推進重點行業VOCs綜合治理，全面完成《重點行業揮發性有機物綜合治理方案》。

某乙二醇廠的產品罐區未安裝揮發性有機氣體回收裝置，本文針對此廠區情況，為其設計揮發性有機氣體深冷冷凝回收裝置，此設計既提高了產品回收量，提升經濟效益的同時，極大的改善了環境空氣質量，積極響應國家政策。

1 項目概況

本項目VOCs 主要來源于產品儲罐區，VOCs儲罐區一覽表見表1。

表1 VOCs 儲罐區一覽表Table 1 List of VOCs tank farm

根據生產工況確定本罐區所涉及的有機液體儲罐同時最大工作進料量為150 m3/h，兼顧罐區由溫差引起的小呼吸，綜合計算罐區回收量為180 m3/h，本設計回收裝置作業量為200 m3/h。

本罐區揮發的主要有機物為乙二醇和甲醇，甲醇在-80 ℃時，蒸汽濃度為35 mg/m3；乙二醇在-35 ℃時蒸汽濃度為26 mg/m3。

由于本廠的罐區廢氣中VOCs 含量較高，回收后可與原有的雜醇混合作為產品出售，具有一定的經濟價值。

因此，本次罐區廢氣回收采用“冷凝+吸收”組合工藝進行處理。

2 工程設計

根據儲罐區VOCs 特性及排放流量，結合裝置的回收處理能力和安全性考慮，對儲罐區VOCs 的回收裝置采用冷凝+吸收組合工藝。收集的VOCs氣體直接輸送到回收處理裝置的冷凝單元，尚未液化的余氣進入吸收單元。冷凝單元由三級制冷機組及四段冷凝換熱器組成；吸收單元由2 臺吸收塔、閥門和循環泵等組成。

2.1 尾氣冷凝單元

根據尾氣空氣混合氣中各組分不同的飽和溫度、國家法規規定的回收率及尾氣排放濃度限值，確定冷凝工況的溫度，采用分段連續冷卻的方法降低有機尾氣溫度，使揮發的有機物組分達到從氣態到液態相變的過飽和狀態，從而直接得到回收的液態有機物。

尾氣冷凝單元設置分段冷凝的換熱器，由前置級、第一級淺冷級3 ℃、第二級中冷級-35 ℃和第三級深冷級-80 ℃4 個冷凝段組成。由引風機經過密閉管道收集并輸送到回收處理裝置的揮發尾氣，首先經前置換熱器，將第三級深冷級-80 ℃的冷箱排出的低溫余氣與進入裝置的常溫尾氣進行熱交換，使進入裝置的尾氣初步降溫5～10 ℃，該冷箱沒有設計制冷機組。然后進入第二個冷箱由第一級制冷機組提供冷量，將初步降溫的尾氣冷凝到3℃，大部分有機物和水氣降溫冷凝液化。未凝結的少量余氣進入與第二級制冷機組對應的第三段冷凝箱，繼續降溫冷凝降溫到-35 ℃。最后，第三級深冷，從-35 ℃降到-80 ℃將大多數的有機物組分冷凝液化，冷凝殘留濃度達到標準規定排放限值范圍。

經過多級冷凝之后尚未液化的余氣進入吸收單元的吸收塔，余氣中的有機氣組分被吸收塔中的吸收劑攔截，待吸收劑接近吸收平衡時，更換吸收劑為新鮮液體。吸收了有機物的吸收劑進入廢水處理系統。

針對乙二醇凝固點較高問題，本設計一是采用大片距（12 mm） 板式換熱器，大片距板式換熱器的結霜周期時間比普通換熱器多一倍。二是設置了氣道壓降控制的融霜設施，當氣道管路壓降＞2 500 Pa 時，啟動融霜系統快速融霜；當氣道壓降＞3 000 Pa 時，切換排氣熱量至換熱器內，快速升溫融霜，完全可以避免通道堵塞問題。

2.2 尾氣吸收單元

尾氣吸收單元由2 個吸收塔和3 臺循環泵組成。2 個吸收塔分別擔任一級吸收和二級吸收的操作。吸收塔塔頂氣最后經過除霧器排放，使尾氣經過多次處理后達標排放。

凈化處理后的尾氣，非甲烷總烴含量＜80 mg/m3，轉化率≥97%，甲醇含量＜50 mg/m3，乙二醇含量＜50 mg/m3。暫存罐內的回收物達到設定液位時，抽出送回到混合醇儲罐中。

根據收集的VOCs 氣體特性，本設計所有收集VOCs 氣體的管道材質選用0Cr18Ni9 不銹鋼管。

3 安全設施設計

（1） 本設計配置在現場的動設備、電氣、儀表、控制系統等選用防爆產品，防爆等級為EXdⅡCT4，防護等級≥IP65。對各相關設備及管道設置防雷及防靜電接地系統。

（2） VOCs 揮發氣回收處理裝置設計了以PLC控制器為控制核心的自控系統，可以根據設定的條件實現VOCs 揮發氣回收裝置自動開和停，無人值守。

（3） 根據儲運系統發油泵開啟的狀況或VOCs 揮發氣在輸送管路傳輸壓力變化狀態，選擇啟動與停機運行。設定控制值：當輸送管路傳輸壓力≥微正壓100 Pa 時引風機啟動，將VOCs 氣體增壓送入撬裝系統；當輸送管路傳輸壓力≤微正壓50 Pa 時引風機停機。

（4） 本設計裝置設置了報警和聯鎖裝置，當出現異常時，會立即報警，嚴重時自動聯鎖停機。裝置現場設有緊急停機按鈕，控制系統也可遙控緊急停機。

（5） 所有動設備均有常規保護配置，對過壓過流過熱狀態實時監控，有異常情況會報警，同時控制系統會給出停機或呼喚信號。

（6） 制冷壓縮機排氣壓、回氣壓、油壓都有監控儀表實時監測，在設定值臨界（上下限） 給出控制動作（停機） 并報警。

（7） 吸收塔設置液位檢測和報警聯鎖、循環泵運行狀況監控和聯鎖等多重控制，當1 臺泵出現故障報警后，切換到備用泵運行，故障泵維修后恢復運行狀態。

（8） 在每個儲罐的接出口處設置單呼閥和全天候防爆轟阻火器，使氣體只能呼出不能呼入，從而防止氣體倒流罐引發危險；在罐區油氣回收總管上設置在線氧分析儀，實時監測排出氣體中的氧含量，氧含量≥3%時，就會進行聲光報警。凈化后的尾氣采用15 m 高空排放措施，并設置阻火器。

（9） 當系統停電時，系統內所有電氣設備均停機。此時，進口電動閥自動關閉，壓力真空安全閥自動打開，將尾氣高空放散。

（10） 吸收塔吸收的是冷凝到-80 ℃后的低溫有機氣體，低溫下吸收處理更安全并能夠改善吸收工況，以規避吸收熱效應帶來的安全隱患，提高吸收效率。

回收裝置工藝流程如圖1 所示。

圖1 回收裝置工藝流程Fig.1 Process flowchart of recovery unit

4 結 語

乙二醇儲罐區排放的有機氣體經過“冷凝+吸收”組合技術處理后，終端尾氣通過高15 m 煙囪排放，排放尾氣中非甲烷總烴排放濃度≤80 mg/m3，處理效率≥97%。

甲醇排放濃度≤50 mg/m3，乙二醇排排放濃度≤50 mg/m3，可以滿足《石油化學工業污染物排放標準》 （GB31571-2015） 及 《VOCs 無組織排放控制標準》 （GB37822-2019） 要求，滿足環保部門排放限值要求。

本設計不僅提高了產品回收量，提升了經濟效益，而且極大的改善了環境空氣質量，積極響應國家政策。