碳九芳烴儲罐廢氣處理工藝能效分析研究

文_夏揚開 北京優(yōu)信永科檢測技術(shù)有限公司

化工企業(yè)儲罐中存在“大呼吸”、“小呼吸”現(xiàn)象，這些氣體被排放儲罐外部，不僅污染環(huán)境和危害人體健康，而且也對企業(yè)造成經(jīng)濟損失。本文針對某化工企業(yè)的碳九芳烴污染物特征進行選型治理比較。

1 項目概況

1.1 廢氣情況

該化工企業(yè)中碳九芳烴儲罐的主要物質(zhì)是偏三甲苯、乙烯基甲苯和甲乙苯。

“大呼吸”排放量計算公式為：式中LB—固定頂罐的呼吸排放量（kg/a）；M—儲罐內(nèi)蒸氣的分子量；P—在大量液體狀態(tài)下，真實的蒸氣壓力（Pa）；D—罐的直徑（m）；H—平均蒸氣空間高度（m）；△T—一天之內(nèi)的平均溫度差（℃）；FP—涂層因子（無量綱），根據(jù)油漆狀況取值在1～1.5之間，1.25；C—用于小直徑罐的調(diào)節(jié)因子（無量綱），直徑在0～9m之間的罐體，C=1-0.0123(D-9)2，罐徑大于9m的C=1；KC—產(chǎn)品因子（石油原油KC取0.65，其他的液體取1.0）。

“小呼吸”排放量計算公式為：

式中LW—固定頂罐的工作損失（kg/m3投入量），KN—周轉(zhuǎn)因子（無量綱），取值按年周轉(zhuǎn)次數(shù)（K，約12次）確定。K≤36，KN=136＜K≤220,KN=11.467×K-0.7026K＞220，KN=0.26，其他的同上式。

通過以上計算公式，核算某化工廠的儲罐揮發(fā)量為：偏三甲苯15.8t/a，乙烯基甲苯5.5t/a，甲乙苯11.6t/a。根據(jù)排放量和濃度核算風(fēng)量：偏三甲苯儲罐64m3/h，乙烯基甲苯儲罐40m3/h，甲乙苯儲罐40m3/h。

1.2 驗收標(biāo)準(zhǔn)

排放要求按照江蘇省《DB32-4041-2021江蘇省大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中表1設(shè)計。

2 研究方案

2.1 工藝設(shè)計

2.1.1 冷凝回收工藝

由于儲罐的廢氣濃度比較高，風(fēng)量小可直接考慮冷凝回收工藝，儲罐廢氣混合后，高于25%爆炸下限，為了防止產(chǎn)生靜電爆炸危險，需要補新風(fēng)以降低濃度，直接進入冷凝器，經(jīng)冷凍水冷卻后進入凝液罐，凝液罐中的液體進入液體回收罐中，冷凝器中的少量不凝氣排至炭床，達排放標(biāo)準(zhǔn)排至煙囪，如圖1所示。

圖1 冷凝回收處理工藝流程

本工藝設(shè)計冷凝系統(tǒng)設(shè)備包括：預(yù)過濾單元、冷凝器單元、內(nèi)部清潔功能、儀表和控制系統(tǒng)、二級圍堰盤及漏夜監(jiān)測系統(tǒng)、冷凝液的液位顯示系統(tǒng)及接收和輸送泵、管道系統(tǒng)等。功能需求本系統(tǒng)設(shè)備對于工藝有機廢氣污染物的去除效率在90%以上及處理后廢氣含水率在20%以下。其中回收技術(shù)系統(tǒng)控制主要包括閥門及壓力控制、溫度控制、氧氣量控制等。

一方面，城市軌道交通安全預(yù)估標(biāo)準(zhǔn)較少。目前，針對城市軌道交通預(yù)評價可遵照的標(biāo)準(zhǔn)只有AQ 8002—2007《安全預(yù)評價導(dǎo)則》[10]和AQ 8004—2007《城市軌道交通安全預(yù)評價細(xì)則》[11]。這兩個標(biāo)準(zhǔn)只是框定了對城市軌道交通所有系統(tǒng)安全預(yù)評價的范圍和總體流程，屬于指導(dǎo)性建議，并未針對信號系統(tǒng)給出安全預(yù)評價過程和具體的安全定性和定量方法，導(dǎo)致在實際中對信號系統(tǒng)的安全預(yù)評價沒有可參考的具體方法，難度較大。

2.1.2 催化燃燒（CO）工藝

廢氣經(jīng)過補新風(fēng)稀釋后進換熱器升溫至350℃，經(jīng)CO爐進行氧化處理，處理后的高溫廢氣進換熱器降溫后可達到166℃，再進入冷卻塔降溫除濕后進炭床處理，達標(biāo)后進煙囪直排，如圖2所示。

圖2 化燃燒工藝流程

本工藝設(shè)計的催化氧化工藝的催化氧化設(shè)備由電加熱室、催化室、熱交換器、阻火器、溫度探測器、和相應(yīng)的氣動閥門、保溫管道組成。催化燃燒的預(yù)熱廢氣熱由電控箱自動控制，當(dāng)廢氣溫度低于溫度時(可設(shè)定)電熱管會自動接通電源給廢氣加熱,當(dāng)廢氣溫度高于溫度時(可設(shè)定)電熱管會自動斷開多組或全部電源以節(jié)約電能及達到運行。當(dāng)氣體中的廢氣濃度達到4000mg/m3左右，基本可以實現(xiàn)熱量的自平衡，不需要開啟電加熱，達到節(jié)約能源的目的。

2.2 材料選型

催化燃燒工藝所選用的催化劑采用堇青石基材的貴金屬催化劑，貴金屬含量400g/m3，空速 10000h-1。其冷凝器中絲網(wǎng)除霧器：99%@10um/2組， 表冷器：制冷功率22.92kW/1套/SUS316，燭式濾芯：99%@0.5um/4支（Kimre）。

2.3 能效計算說明

根據(jù)設(shè)計及驗收標(biāo)準(zhǔn)，氧化裝置按98%的氧化效率，冷凝器按91%凈化效率，涉及的燃燒熱計算公式：

式中W釋放—有機物燃燒釋放熱，kJ/h；C—進入氧化裝置的廢氣濃度，mg/m3；Q—進入氧化裝置的廢氣量，m3/h；J—有機物燃燒釋放熱，kJ/mol；Pi—第i種有機物的占比；M—對應(yīng)有機物的分子量，g/mol。涉及冷凝制冷計算公式：

式中L—制冷量kcal/h；△T—溫差，℃；m—重量，kg；t—時間，h；Cm—比熱，kcal/(kg·℃)；K—安全系數(shù)。相關(guān)的環(huán)境經(jīng)濟效應(yīng)計算：

式中E—環(huán)境經(jīng)濟效應(yīng)，元/a；C—進入治理設(shè)施的廢氣濃度，mg/m3；Q—進入治理設(shè)施的廢氣量，m3/h；η—治理設(shè)施凈化率；B—處理單位VOCs的排污費，元/kg；N—綜合經(jīng)濟效益，元/a；U—治理設(shè)施年運行費用，元/a，S—產(chǎn)品回收效益，元。

3 結(jié)果與分析

3.1 運行參數(shù)對比

表1 治理工藝能效參數(shù)對比

由表1可以看出，運行過程中，核心設(shè)備的壓損：催化燃燒＜冷凝回收；配套電加熱功率/制冷功率：催化燃燒＞冷凝回收；占地面積：催化燃燒＜冷凝回收；涉及風(fēng)機總功率：催化燃燒=冷凝回收。

3.2 環(huán)境經(jīng)濟效益對比

由于儲罐廢氣的排放量相等，故環(huán)境經(jīng)濟效益為固定值，每削減1kgVOCs按20元計，由于兩種治理工藝的凈化效率不一，則環(huán)境經(jīng)濟效益（E）不同，催化燃燒為533952元/a，冷凝回收為532224元/a。設(shè)備投入運行后，不同治理工藝的綜合經(jīng)濟效益（N）為：CO67617元/a，冷凝回收487114元/a；運行費用占環(huán)境效益比例具體值分別為催化燃燒87.34%，冷凝回收43.15%，詳見表2。

表2 相關(guān)費用對比

4 結(jié)語

本文針對某項目中的碳九芳烴的廢氣參數(shù)作為選型依據(jù)，通過對氧化裝置及冷凝裝置的選型、運行費用，綜合經(jīng)濟效益的對比分析，得出如下結(jié)論。

①根據(jù)碳九芳烴的理化性質(zhì)、選型治理工藝，在達標(biāo)排放的情況下，能效比最優(yōu)的是冷凝回收。

②催化燃燒工藝的運行費用較高，可通過換熱技術(shù)提升能量利用率，防止熱量損失。

③在碳中和、碳達峰目標(biāo)要求下，冷凝回收工藝對于揮發(fā)性較弱的，有經(jīng)濟價值的VOCs具有研究前景。