隨著國家及地方關(guān)于揮發(fā)性有機物（ＶＯＣｓ）的排放標準相繼出臺，針對排空尾氣中非甲烷總烴（ＮＭＨＣ）的濃度要求已經(jīng)邁入“毫克級”。因此，化工、石化、煤化工等行業(yè)內(nèi) ＶＯＣｓ治理項目的工作重心已經(jīng)由“油氣回收”轉(zhuǎn)變?yōu)榱恕斑_標排放”，而在油氣回收裝置中常見的作為末端工藝的可再生吸附法也逐漸被以焚燒（ＴＯ）或催化氧化（ＣＯ）為基礎的破壞法所取代。

破壞法通常需要較高溫度來確保排放廢氣中ＶＯＣｓ的去除效率，因此需要消耗大量能源（燃料、電）來維持反應溫度，導致工藝整體能耗很高。而通過將蓄熱反應與 ＴＯ／ＣＯ工藝結(jié)合形成的蓄熱式焚燒（ＲＴＯ）或蓄熱式催化氧化（ＲＣＯ）工藝，可以憑借其 ９０％以上的熱回收效率，大幅降低能耗。因此，ＲＴＯ／ＲＣＯ已經(jīng)成為近年來各行業(yè)中 ＶＯＣｓ凈化方案的主流選項。

ＲＴＯ／ＲＣＯ所采用的蓄熱反應在實際應用中普遍存在以下問題：

①反應器內(nèi)壓力不穩(wěn)定，呈周期性、脈沖式的波動，嚴重時，緊急泄壓閥頻繁起跳，不利于反應器的安全穩(wěn)定運行；

②尾氣中的ＮＭＨＣ濃度呈現(xiàn)周期性波動，嚴重時，ＮＭＨＣ濃度峰值超出排放標準，導致撬裝設備無法投入使用，需要花費大量時間和精力進行設備調(diào)試。

通過對蓄熱反應工藝原理梳理和分析，找到了反應器工況出現(xiàn)周期性波動的根本原因，并提出了工藝上的解決方案。該方案在某石化企業(yè)的ＶＯＣｓ治理項目上進行了實際驗證，證明了方案的有效性。

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蓄熱反應工藝原理及問題分析

一、工藝原理

在國內(nèi)外 ＶＯＣｓ治理領域中，蓄熱反應已屬于較為成熟的工藝技術(shù)，以 １套經(jīng)典的三廂式ＲＣＯ反應器來闡明蓄熱反應的工藝原理。設備主體的結(jié)構(gòu)見圖 １。３個蓄熱室（ａ，ｂ，ｃ）內(nèi)均設有催化劑床和蓄熱床，并上下分層布置。整個系統(tǒng)通過進氣閥（１ａ，１ｂ，１ｃ）及排氣閥（２ａ，2ｂ，２ｃ）調(diào)節(jié)各蓄熱室間的溫度平衡，為避免換向操作時出現(xiàn)未反應氣體因換向直接排出反應器導致尾氣超標，在換向閥組中加入吹掃閥（３ａ，３ｂ，３ｃ）。

含 ＶＯＣｓ的廢氣自進氣閥進入一個蓄熱室，通過第一級蓄熱床加熱至反應溫度后進入第一級催化劑床。在貴金屬催化劑的輔助下，ＶＯＣｓ與空氣中的氧氣在 ３００～３５０℃條件下發(fā)生氧化反應，生成二氧化碳和水，并放出大量的熱。反應后氣體經(jīng)過加熱室，從另一蓄熱室頂部進入。先經(jīng)過第二級催化劑床，使氣體中殘留的 ＶＯＣｓ進一步反應，再經(jīng)過第二級蓄熱床。

由于有機物的完全氧化反應為放熱反應，因此廢氣經(jīng)氧化反應后溫度升高，在經(jīng)過第二級蓄熱床時熱量由廢氣傳導至蓄熱體，從而實現(xiàn)熱量回收。完成熱量回收的尾氣經(jīng)排氣閥出反應器，并由 ＲＣＯ主風機輸送至排氣筒排向大氣。

閥組的換向周期可以分為 ３個階段，每個階段中 ３個蓄熱式分別處于放熱（進氣）、蓄熱（排氣）和吹掃 ３種狀態(tài)，并循環(huán)往復。表 １描述了一個完整的換向周期內(nèi)各蓄熱室的工作狀態(tài)和各個閥門對應的開關(guān)狀態(tài)。

二、 問題分析

換向閥組在進行切換時，大多采用同步開關(guān)的閥門動作形式。而多個閥門在同時動作時，其設備調(diào)試的難度較高，對換向閥組本身的性能要求較高，蓄熱反應出現(xiàn)工況周期性波動是具有必然性的。當閥組中某一個閥門與其他閥門動作時間不同步時（以 ２ｂ閥動作時間較其他閥門慢１～２ｓ為例），則可能出現(xiàn)以下兩個問題。

（１）當閥組處于階段一向階段二切換過程中時，需要動作的進氣和排氣閥門為 １ａ（開→關(guān)），１ｂ（關(guān)→開），２ｂ（開→關(guān)），２ｃ（關(guān)→開）。此時，由于 ２ｂ關(guān)閉動作較其他閥門動作慢 １～２ｓ，導致閥組存在 １ｂ，２ｂ同時打開 １～２ｓ的情況。由于１ｂ，２ｂ同屬于蓄熱室 ｂ，導致自 １ｂ進入且未經(jīng)反應的 ＶＯＣｓ廢氣直接從 ２ｂ排出，使尾氣出現(xiàn)短時超標現(xiàn)象。

（２）當閥組處于階段三向階段一切換過程中時，需要動作的進氣和排氣閥門為 １ｃ（開→關(guān)），１ａ（關(guān)→開），２ａ（開→關(guān)），２ｂ（關(guān)→開）。此時，由于 ２ｂ關(guān)閉動作較其他閥門慢 １～２ｓ，導致整個閥組存在所有排氣閥全部關(guān)閉 １～２ｓ的情況。此時上游的 ＶＯＣｓ廢氣和吹掃空氣經(jīng)增壓后仍持續(xù)自處于打開狀態(tài)的 １ａ和 ３ｃ進入反應器，導致反應器內(nèi)壓力沖破緊急泄壓閥。

事實上，在設備的長周期運行過程中，將閥組的工藝流程設計為同步開關(guān)是不具有可靠性的。ＲＣＯ撬裝設備內(nèi)的閥組動作頻繁，無法保證設備長周期運行時始終確保所有換向閥組同步開關(guān)。當某個閥門因硬件原因出現(xiàn)動作頻率異常，則上述 ＶＯＣｓ廢氣短路直排和反應器憋壓的問題將出現(xiàn)。閥門的數(shù)量越多，同步開關(guān)的難度也越大。因此，需要對換向閥組的工藝流程進行優(yōu)化。

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蓄熱反應工藝優(yōu)化方案

一、方案描述

換向閥組順序控制方案可以有效避免同步開關(guān)的換向閥組工藝帶來的反應器憋壓和廢氣短路直排問題，相鄰兩個動作之間間隔 １～２ｓ，前一個動作的完成作為后一個動作開始的判定依據(jù)。具體的控制優(yōu)化方案見表 ２。

二、 對比試驗

為驗證上述工藝優(yōu)化方案的有效性，在某石化企業(yè) ＶＯＣｓ治理項目實施過程中進行了同步開關(guān)和順序控制的對比試驗，觀察其實際運行狀態(tài)。

（１）同步開關(guān)方案

在 ＲＣＯ撬裝設備進行聯(lián)合調(diào)試的第一階段，將換向閥組的動作設置為同步開關(guān)，并將蓄熱室ｂ對應的排氣閥 ２ｂ的執(zhí)行機構(gòu)人為調(diào)慢 ２ｓ。反應器內(nèi)的壓力立即出現(xiàn)劇烈波動，根據(jù)壓力表顯示，２ｂ打開動作慢 ２ｓ可以導致反應器內(nèi)部壓力從微負壓（－０．５ｋＰａ）迅速上升至５ｋＰａ以上，并導致設備配套的緊急泄壓閥起跳。同時，ＲＣＯ撬裝設備出口的 ＶＯＣｓ濃度在線分析設備的檢測結(jié)果顯示，尾氣中的 ＮＭＨＣ濃度呈現(xiàn)周期性的超標。

將 ２ｂ的執(zhí)行機構(gòu)動作頻率調(diào)至與其他閥門動作保持幾乎一致之后，緊急泄壓閥不再起跳，但反應器內(nèi)依舊存在 －０．５～１ｋＰａ的壓力波動。同時，在線分析數(shù)據(jù)顯示，尾氣中 ＮＭＨＣ的質(zhì)量濃度數(shù)值波動減弱，基本可以維持在 ５０ｍｇ／m3 以下，實現(xiàn)了達標排放。

（２）順序控制方案

完成換向閥組工藝流程的改造后，ＲＣＯ撬裝設備內(nèi)不再出現(xiàn)壓力波動，壓力穩(wěn)定在微負壓（－０．５ｋＰａ），且尾氣中 ＮＭＨＣ的質(zhì)量濃度穩(wěn)定在１５ｍｇ／ｍ３以下，實現(xiàn)了穩(wěn)定達標排放。在線分析儀在 ４８ｈ內(nèi)定時測出 ５個檢測數(shù)據(jù)，并在最后一次在線測出數(shù)據(jù)的同時進行采樣分析，結(jié)果見表 ３。

表 ３ ＲＣＯ裝置的 ＮＭＨＣ

從壓力和尾氣 ＮＭＨＣ質(zhì)量濃度的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)平穩(wěn)趨勢來看，順序控制方案行之有效。

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結(jié) 語

目前行業(yè)內(nèi)的成套設備供應商大多將蓄熱反應的穩(wěn)定運行寄托于設備各組件的可靠性，而沒有從工藝設計的角度去規(guī)避因為設備可靠性下降帶來的安全和環(huán)保達標的風險。

基于此，提出將換向閥組同步開關(guān)的動作方式改為順序控制工藝優(yōu)化方案。通過工程實踐，將換向閥組的動作方式改為順序控制后可以有效地避免 ＲＣＯ裝置出現(xiàn)周期性的工況波動，并將出口尾氣的 ＮＭＨＣ質(zhì)量濃度穩(wěn)定在 １５ｍｇ／m3以下。

此外，該方法通過工藝流程的優(yōu)化降低了裝置對閥組運行可靠性的依賴，降低了設備調(diào)試的難度。

該方案針對蓄熱反應工藝的優(yōu)化具有普適性，隨著 ＲＴＯ／ＲＣＯ技術(shù)在 ＶＯＣｓ治理領域內(nèi)更多的應用，將會在行業(yè)內(nèi)具有更加廣泛的推廣意義。