摘要：煤化工企业废气主要成分由VOCs、含硫化合物、含氮化合物和一氧化碳等，其中卤素、以及酸性气体的腐蚀问题为煤化工行业区别与其它行业的重点。根据煤化工领域有益经验和取得的良好效果提供参考。
01煤化工废气中污染源及种类：
煤制焦过程废气：焦化废气主要来源于装煤、炼焦、化产回收等过程。装煤初期，煤料在高温条件下与空气接触，形成大量黑烟及烟尘、荒煤气及对人体健康有害的多环芳烃。炼焦时，废气一方面来自化学转化过程中未完全炭化的细煤粉及其析出的挥发组分、焦油、飞灰和泄漏的粗煤气，另一方面来自出焦时灼热的焦炭与空气接触生成的CO、CO2、NOx等,主要污染物包括苯系物（如苯并芘）、酚、氰、硫氧化物以及碳氢化合物等。
煤制气过程中废气：煤制气废气的来源主要是气化炉开车过程中由于炉内结渣、火层倾斜等非正常停车而产生的逸散，另外，还有炉内的排空气形成部分废气、固定床气化炉的卸压废气、粗煤气净化工序中的部分尾气、硫酚类物质回收装置的尾气及酸性气体、氨回收吸收塔的排放气。这些废气的主要成分包括碳氧化物、硫氧化物、氨气、苯并芘、CO、CH4等，有些还夹杂了煤中的砷、镉、汞、铅等有害物质，对环境及人体健康有较大的危害。
煤制油过程废气：煤的液化可分为直接液化和间接液化。煤直接液化时，经过加氢反应，所有异质原子基本被脱除，也无颗粒物，回收的硫可以获得元素硫，氮大多转化为氨。煤间接液化时，催化合成过程中的排放物不多，未反应的尾气（主要是CO）可以在燃烧器中燃烧，排放的废气中CO2和硫很少，也没有颗粒物的生成。煤液化过程对环境造成的影响较小，主要的污染物是液化残渣，这是一种高碳、高灰和高硫物质，在某些工艺中占到液化原料煤总量的40％左右，需进一步处理。
煤燃烧过程废气：煤燃烧过程主要污染物有粉尘与烟雾、SO2为主的硫化物、N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4等氮氧化物、Hg、Cd、Pb、Cr、As、Se、F等有害微量元素、产生温室效应的CO2等。煤直接燃烧的能量利用率低，环境污染严重。
02项目背景
以某石化项目为例：废气最大风量20000Nm3/h，废气浓度约3500mg/m3。主要成分如下：甲苯、苯乙烯和少量酸性气体等成分。
03工艺选择
废气属于小风量、高浓度废气，大部分为有机废气，含有部分酸性气体，采用较为合理的工艺为：洗涤+GRTO+洗涤。对于大部分有机废气的分解温度在760摄氏度以下，其中苯环和卤素，在400℃左右条件下，容易产生二噁英，但二噁英可以在温度高于850摄氏度且燃烧时间大于1S或者温度高于800摄氏度且燃烧时间大于2S时就可以分解掉，苯环被破坏掉后就不会有二噁英产生，即其反应是不可逆的，所以安居乐的炉膛设计燃烧温度是850摄氏度且燃烧时间在2S以上。
04工艺流程图
GRTO原理：蓄热式热氧化炉，专业处理有机废气，使有机废气在高温环境里分解干净，分解率达到99％以上，最终使废气排放符合国家环保标准。此热氧化炉使用两个固定的热交换媒介床，热交换媒介使用的是蓄热陶瓷，来自生产线的废气经过一个热陶瓷媒介床后被加热；到炉膛后燃烧的高温气体将另一个热交换媒介床加热，如此两个热交换媒介床互相切换，蓄热后去加热低温废气。热交换效率达到95％以上，很容易利用有机废气实现氧化炉的自我维持，而不用任何燃料。
05设备介绍
蓄热式氧化炉
GRTO设备是在吸收德美技术的基础上自主开发的三床式GRTO设备，该系统主要由燃烧室、3组结构相同的蓄热床和3个气动切换进气阀，3个气动排气切换阀以及3个气动清吹切换阀组成，9个气动切换阀自动切换，切换周期1~6min，由时间来控制，若出气温度超过设定值，会强制切换。蓄热床内填充规整蜂窝陶瓷蓄热体，其主要材质为致密堇青石，具有优良的耐酸、碱和有机介质腐蚀性、蓄热效果好、热回收效率高、过风阻力小、热胀冷缩系数小，抗裂性能好，寿命长等优点。设备内部内衬300mm以上的耐高温陶瓷纤维保温材料，充分保证设备表面温度低于国家标准，同时可有效防止气体和钢构件接触。气动切换阀均采用知名品牌气动执行器，其中，气动切换阀体采用双相不锈钢材质，切换稳定，使用寿命长，正常工作可切换1000万次。防止与炉体钢板接触部分腐蚀问题，凡与废气接触部分衬防腐涂料，喷涂材料耐高温，可以保证炉体的较长使用寿命，在日常维护过程中，如果有涂层脱落，需要及时的补修，防止大面积氧化。
涡流净化塔
涡流净化塔具有阻力小、能耗省、噪音低、处理效率高，能处理氯化氢气体、氟化氢气体、氨气雾、铬酸雾、氰氢酸气体、碱蒸气、硫化氢气体等气体的新型净化塔，它具有净化效率高、占地面积小、耐腐蚀、耐老化性能好，重量轻的特点。它适用于排放一定浓度的腐蚀性酸雾气体，主要用于化工、电子、医院、研究中心等场所。
工作原理：需处理的废气，由玻璃钢离心风机压入净化塔之进气段后，垂直向上与喷淋段自上而下的液体发生吸收反应，使废气浓度降低，然后继续向上进入填料段，废气在塑料球打滚再与吸收液起中和反应，使废气浓度进一步降低后进入脱水器，净化后的气体排出大气。经测定分析，硫酸雾净化效率可达99%以上，硝酸净化效率可达99%，盐酸雾净化效率可达99.9%、对酸雾净化性达到国内先进水平。涡流净化塔为圆筒型结构形式，全塔由三部份组成，即贮液、进气、喷淋、脱水和出气，出口管连接，塑料球分别装在喷淋内。碱洗净化塔为玻璃钢一体成型，结构紧凑、耐腐蚀，耐高温、外表光滑；除水部份离式产生水气分离；喷水部：高压喷水产生雾状，分上下两段扩大接触处理提高功能。
06GRTO安全方面设计
A．管道内起火对车间的影响：管道内的爆炸，大部分都来源于管道内有大量有机积液突然挥发，再遇上静电而产生的。输送腐蚀性气体的管道比较难做防静电设施，只能降低风速，设计在8米/秒以下的风速比较适合。
B．GRTO失火对车间的影响：GRTO炉膛内的明火很难进入车间过来的管道，因为有2米高左右的蓄热陶瓷，蓄热体本身就是很好的阻火器。在管道前端可以安装阻火器，进一步保障生产车间内的安全。
C．RTO区域内的爆炸：GRTO在点火前要进行吹扫，吹扫的目的是将残留在GRTO管道和炉膛内的有机物清理干净，避免点火时引爆。GRTO入口处有浓度检测仪，响应时间在5秒左右，所以浓度检测仪的安装位置比较重要，且要做缓冲罐，当检测到废气浓度高报警，新风风门会自动打开进行浓度稀释；若废气浓度高会报警，则GRTO切断与生产线间的联机，废气直接旁通到烟囱。现实生产中做多少措施也无法100%避免爆炸，所以在适当的位置加泄爆装置，比如GRTO炉膛顶部有泄爆门，此泄爆门可以靠自重关闭，泄爆后不会影响GRTO的正常运行；缓冲罐上有泄爆片。有这些泄爆措施，即使发生爆炸，也会把爆炸的损失降到最低。
D．应急停电系统设计：GRTO非常害怕突然停电，炉膛内的高温无法快速散去，导致很多防腐材料或者其他设备被高温损坏。设计了一台应急压缩空气储气罐、UPS和手自动控制的泄爆门，一旦突然停电，UPS和应急压缩空气储气罐会将所有风门打到安全位置，比如新风风门开启，吹扫风门开启，泄爆门打开等等；应急压缩空气会进入燃烧器管道，避免高温烟气从燃烧器泄露出来，导致点火管路的危险和损坏燃烧器。但压缩空气罐仅能支撑15到20分钟左右，甲方需要配置备用电源给压缩空气或助燃风机。
E．针对GRTO出口有洗涤塔的系统高温保护：GRTO出口接洗涤塔，若洗涤塔是玻璃钢材质，则GRTO出口温度需要控制在100摄氏度以下，若超过100摄氏度，GRTO自动切断与生产线之间的联机，工艺废气直接进入烟囱。
G．炉膛温度过高保护：炉膛内有2支热电偶，每支热电偶都是双支的，如果一支出现问题，还有一支备用，保证炉膛内温度控制均匀。炉膛温度不能超过980摄氏度，否则内部的蓄热陶瓷和陶瓷纤维组块的使用寿命会受影响，当炉膛温度超过一定值时，燃油管路的双电磁阀会自动关闭，避免柴油泄漏进入炉膛。炉膛温度再高就要打开新风风门去降温，当炉膛温度发生高高报警，GRTO自动切断与生产线的联机，工艺废气直接进入烟囱。
07GRTO运行过程
首次开机时，需要对蓄热体预热，待预热至设定温度后，含挥发性有机化合物(VOCs)的废气通过阀门的切换，进入蓄热床，废气被蓄热陶瓷逐渐加热后进入燃烧室（燃烧室有两个作用：一是保证废气能达到设定的氧化温度，二是保证废气有足够的停留时间，从而使其中的VOCs充分氧化），VOCs在燃烧室内高温氧化分解并放出热量，形成的热风在通过另一蓄热床时，与蓄热体进行热交换，蓄积热量，以减少辅助燃料的消耗，而被氧化的干净气体温度逐渐降低。正常运行过程中，GRTO内部温度控制通过燃烧器来实现。当有机废气浓度达到自持燃烧状态时，产生热量足以满足下一次冷气预热要求时，此时系统无需开启辅助加热装置进行辅助加热，即可完成有机废气氧化，达到节能效果。当GRTO温度出现异常时（即前端浓度太高），通过PLC程序自动控制关闭进气阀，全开异常外排和新风阀，使GRTO设备完全通过新鲜风降温。GRTO炉膛温度通过2根高温热电偶进行实时监控，运行过程PLC程序通过自动调节燃气调节比和相关阀门控制炉膛温度的稳定。当炉膛温度出现异常升温时，可通过GRTO设备的泄温口进行紧急排温。
08设备净化效率
GRTO运行多年，经多方检测，处理效率一直保持在99%以上，炉体外表温在30～50摄氏度作用，烟囱出口温度低于60摄氏度，运行状态良好。
作者介绍：
郑承煜，国家环保部特邀VOCs治理实战技术授课专家，国家千人计划PM2.5特别防治小组专家组成员，国家煤专委成员、煤化工VOCs治理技术中心主任，上海市环保产业研究院大气污染防治研究所所长。
原标题：蓄热式热力氧化器GRTO在煤化工领域的应用
