催化氧化技術(shù)在苯酐裝置尾氣治理中的應(yīng)用

吳 飛 ， 周 銳

(銅陵化工集團(tuán)有機(jī)化工有限責(zé)任公司 ， 安徽 銅陵 244000)

鄰苯二甲酸酐(簡稱苯酐)是一種重要的基礎(chǔ)化工原料，主要應(yīng)用于生產(chǎn)增塑劑、樹脂、染料及醫(yī)藥中間體等。傳統(tǒng)苯酐裝置尾氣治理采用水洗法，同時可以回收富馬酸作為副產(chǎn)品。近年來，隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的越來越嚴(yán)格，環(huán)保治理技術(shù)日益發(fā)展，新工藝、新裝備在環(huán)保治理方面得到不斷應(yīng)用。為了滿足新的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，蓄熱焚燒、催化氧化等工藝逐步替代了原有的水洗法工藝，在苯酐裝置尾氣治理中得到了較好的應(yīng)用。公司新建一套苯酐尾氣催化氧化裝置于2021年5月底投入使用，經(jīng)過一年多的運行，各項指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，運行效果良好。

1 苯酐裝置尾氣治理工藝介紹

苯酐生產(chǎn)尾氣治理工藝主要有水洗法、蓄熱焚燒法、催化氧化法3種。水洗法工藝由于存在處理效率低、周邊異味明顯、處理過程中最終廢水難以處理等環(huán)保因素，近年來已逐步被蓄熱焚燒法、催化氧化法替代。蓄熱焚燒法采用多個箱室輪流周期切換，處理效率和熱效率均較好，但在苯酐尾氣應(yīng)用案例中存在下箱式容易積料、運維難度較大等問題[1]。本文采用催化氧化法，在具有蓄熱焚燒法處理優(yōu)點的同時，還具有工藝安全、運行穩(wěn)定、不需要頻繁操作等優(yōu)勢，極大地降低了裝置運維成本。

催化氧化是典型的氣固相催化反應(yīng)，其實質(zhì)是活性氧參與的深度氧化作用[2]。在催化氧化過程中，催化劑的作用是降低活化能，同時催化劑表面具有吸附作用，使反應(yīng)物分子富集于表面，提高了反應(yīng)速率，加快了反應(yīng)的進(jìn)行。借助催化劑可使有機(jī)廢氣在較低的反應(yīng)溫度條件下，氧化分解為CO2和H2O，同時放出大量熱能，從而達(dá)到去除廢氣中有害物質(zhì)的方法。較低的反應(yīng)溫度，可以避免直接燃燒由于高溫而產(chǎn)生的二次污染，如高溫使空氣中的氮氣或有機(jī)廢氣中的氮元素與氧發(fā)生較強(qiáng)的氧化反應(yīng)，產(chǎn)生氮氧化合物等新的二次氣態(tài)污染物，符合國內(nèi)越來越嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)要求[3]。

2 苯酐裝置尾氣催化氧化技術(shù)方案

2.1 設(shè)計工況

本文催化氧化裝置處理苯酐尾氣工況參數(shù)：處理風(fēng)量84 000 Nm3，操作彈性60%～120%，苯酐裝置生產(chǎn)負(fù)荷30～100 g/Nm3，苯酐裝置尾氣溫度70 ℃。催化劑采用涂覆式蜂窩陶瓷貴金屬催化劑，其主要技術(shù)參數(shù)：空速30 500 h-1，催化劑尺寸150 mm×150 mm×75 mm，催化劑床層3層，催化劑床層壓降1.9 kPa，最低起燃反應(yīng)溫度280 ℃，最高耐受溫度650 ℃，非甲烷總烴處理效率≥99%，設(shè)計使用壽命5年。

2.2 工藝流程

苯酐裝置尾氣催化氧化處理工藝流程見圖1。來自苯酐裝置的尾氣首先經(jīng)過尾氣預(yù)熱器，通過0.25 MPa蒸汽加熱升溫到約120 ℃；再通過熱交換器，以催化處理后干凈的高溫尾氣為熱源，進(jìn)一步升溫到300 ℃左右，達(dá)到催化反應(yīng)所需的溫度；之后進(jìn)入催化反應(yīng)器，在貴金屬催化劑的作用下尾氣中的有機(jī)物和CO發(fā)生催化氧化反應(yīng)，最終轉(zhuǎn)化為H2O和CO2，同時反應(yīng)放熱使得處理干凈的尾氣溫度升高至430 ℃；凈化后的高溫尾氣一部分回到熱交換器作為熱源，另外一部分通過氣體冷卻器經(jīng)軟水降溫，同時副產(chǎn)1.0 MPa蒸汽，兩部分尾氣最終匯合并達(dá)標(biāo)排放，排放溫度約165 ℃。在正式處理尾氣前，需要開啟開工風(fēng)機(jī)和電加熱器，給催化劑、系統(tǒng)設(shè)備和管道升溫預(yù)熱。尾氣進(jìn)入系統(tǒng)后，關(guān)閉開工風(fēng)機(jī)，待苯酐生產(chǎn)負(fù)荷逐步提高，系統(tǒng)熱量能自給自足后，關(guān)閉電加熱器。

圖1 苯酐裝置尾氣催化氧化處理工藝流程

2.3 處理效果

在苯酐生產(chǎn)負(fù)荷穩(wěn)定在85 g/Nm3左右時，催化氧化裝置主要運行效果指標(biāo)見表1。

表1 催化氧化裝置主要運行效果指標(biāo)

由表1可以看出，在正常運行時，非甲烷總烴排放指標(biāo)始終在10 mg/m3以內(nèi)，遠(yuǎn)低于100 mg/m3的排放標(biāo)準(zhǔn)要求，1.0 MPa的副產(chǎn)蒸汽回收量達(dá)到了4.5 t/h，系統(tǒng)阻力壓降基本維持在5.5 kPa左右，表明該催化氧化裝置具有良好的運行效果。

2.4 工藝優(yōu)點分析

與其他催化氧化裝置相比較，經(jīng)分析有以下優(yōu)點：①具有較高的有機(jī)廢氣處理效率[4]。本工藝采用垂直式的反應(yīng)器布置，催化反應(yīng)器采用自上至下的進(jìn)氣方式，更加有利于氣流的分布，避免了橫向布置冷熱氣流產(chǎn)生分層而導(dǎo)致的催化劑床層負(fù)荷差異，在一年以來的運行中催化劑床層溫差始終小于2 ℃，有效地提高了轉(zhuǎn)化效率和催化劑使用壽命。②系統(tǒng)阻力壓降損失小。氣體冷卻器、軟水加熱器等熱能回收裝置采用與熱交換器并聯(lián)的方式，與其他串聯(lián)裝置相比壓損大幅降低，正常運行時，整個系統(tǒng)的阻力壓降在5.5 kPa左右，有效降低了苯酐生產(chǎn)裝置運行電耗。③具有較高的熱回收效率。整體工藝設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊，大大降低了系統(tǒng)熱損，采用較大換熱面積的板式換熱器，熱回收效率高達(dá)75%～82%，在苯酐生產(chǎn)負(fù)荷約為85 g/Nm3時，能夠副產(chǎn)1.0 MPa 蒸汽約4.5 t/h。

3 效益分析

3.1 環(huán)保效益分析

采用催化氧化技術(shù)，一方面可以避免回收富馬酸過程中產(chǎn)生的各種危廢，另一方面可以大大降低尾氣排放中的非甲烷總烴，消除周邊環(huán)境異味，環(huán)保效益分析見表2。

表2 環(huán)保效益分析

由表2可以看出，采用催化氧化技術(shù)可減少廢活性炭、濃縮殘渣、廢濾布等危險固廢278.2 t/a；尾氣中非甲烷總烴濃度由35 mg/m3降至10 mg/m3，按80 000 Nm3/h、年運行8 000 h計，可減少非甲烷總烴排放量16 t/a，環(huán)境效益顯著。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

采用催化氧化技術(shù)，可以增加副產(chǎn)蒸汽效益，減少危廢處理成本，經(jīng)濟(jì)效益分析見表3。

表3 經(jīng)濟(jì)效益分析

由表3可知，采用催化氧化技術(shù)可副產(chǎn)蒸汽4.5 t/h，按年運行時間8 000 h，蒸汽價格200元/t計，年增經(jīng)濟(jì)效益720萬元；減少危廢產(chǎn)生量278.2 t/a，危廢處理成本按2 000元/t計，年減少危廢處理費用55.6萬元；因不回收富馬酸，會減少凈利潤300萬元。綜上合計年增加經(jīng)濟(jì)效益475.6萬元，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

4 結(jié)論

利用催化焚燒技術(shù)進(jìn)行尾氣處理，非甲烷總烴濃度<10 mg/m3，遠(yuǎn)低于排放標(biāo)準(zhǔn)要求，系統(tǒng)阻力壓降僅5.5 kPa，同時副產(chǎn)1.0 MPa蒸汽4.5 t/h，該催化氧化工藝具有有機(jī)廢氣處理效率高、系統(tǒng)阻力壓降損失小、熱能回收效率高等優(yōu)點?？蓽p少危險固廢278.2 t/a，非甲烷總烴減排16 t/a；年增經(jīng)濟(jì)效益476.5萬元，環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。隨著我國環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，先進(jìn)的環(huán)保治理新技術(shù)、新工藝得到快速發(fā)展，催化焚燒技術(shù)因其技術(shù)優(yōu)點，在各行各業(yè)廢氣治理方面具有廣闊的應(yīng)用空間。