苯酚丙酮装置废气焚烧炉的系统设计.pdf

CH E MI C A L E NG I N E E R I N G D E S I G N 化工设计 2 0 1 1 ， 2 1 ( 1 ) 苯酚丙酮装置废气焚烧炉 的系统设计 徐歆桐 中国石化集团上海工程有限公司 上海2 0 0 1 2 0 摘要 从多方面分析苯酚丙酮装置的废气焚烧处理，并对该废气焚烧炉的系统设计提出策略性的方案。 关键词 苯酚丙酮废气焚烧炉系统设计 苯酚丙酮装 置是 常见 的乙烯 工程 配套装置。 该装置多采用异丙苯法 ，即先 以苯 和丙烯 为原料 反应生成异丙苯 ，再将异丙苯经空气氧化生成 中 间产物过氧化氢异丙苯 ( C H P ) ，最后 C H P在酸性 条件下分解生成苯酚和丙酮。 苯酚丙酮装置在生产过程 中，尤 其是其氧化 工段会产生大量的废气 。由于废气 中含有一定量 的异丙苯、丙酮等有害物质 ，且 流量很 大，因此 通常均考 虑为 苯酚丙 酮 装置 设 置专用 的废 气 焚 烧炉 。 以下就苯酚丙 酮装 置废气 焚烧炉的系统设计 加以论述。 1 设计条件分析 1 1 废气组分 苯酚丙酮装置 中需要焚烧处理 的废气通 常来 自于氧化反应尾气、真空精馏尾气和加氢 反应尾 气。以 3 0 0 k t a 装置规模为例，其典型废气组成见 表 1 。 表 1 典型废气 组成 一览 表 1 1 1 氧化反应尾气 氧化反应是在一定 的操 作条件下，将空气连 续通人过量 的异丙苯 液相 中，反应 的尾气从反应 器顶部排出，经多 级冷凝后送往 焚烧炉，冷凝 液 则经接受罐收集后返 回氧化反应进料系统循环。 该废气流量很 大，其 组成 主要 为氮 ，约 占 9 4 ； 氧含量控制在 5 左 右；同时 还夹 带 了少量 的异 丙苯。 1 1 2 真空精馏尾气 精馏操作均是在真空条件下进行的。真空系 统抽 出的系统气相经多级 冷凝后作 为尾 气送往焚 烧炉 ，冷凝液则经接受罐收集后返 回精 馏进料系 统循环。该废气 主要 以空气 等不凝 气为 主，同时 还夹带 了少量的水蒸汽和异丙苯 ，流量很小。 1 1 3 加氢反应尾气 加氢反应是氢气和 仅一甲基异丙苯 ( A M S )在 加氢反应 器 中经加氢 催化剂 的催化 作用进 行 的。 反应液中夹带的未参与反应 的氢气经 气液分离后 即作为尾气送往焚烧炉。该废气主要以氢气为主， 同时还含有少量的氮气，流量很小。 徐歆桐 ：工程师。2 0 0 0年毕业于华东理工大学。一直从事于石油化工工艺设 计工作 。联 系电话 ：( 0 2 1 )5 8 3 6 6 6 0 0 3 6 1 0 。 徐歆桐苯酚丙酮装置废 气焚烧炉的 系统设计 1 2 操作工况 焚烧炉是废气 焚烧 系统中最为关键 的核心设 1 2 1 正常工况 备 ，苯酚丙酮装置废气 焚烧 系统通常选用 热氧化 正常 况下 ，以上 3类废气均为连续排放，流 炉。热氧化炉主要有 “ 直燃式 ” 和 “ 蓄热式” 两 量稳定。 种 ，见图2和图 3 。 1 2 2 停车工况 ( 1 )苯酚丙酮装 置的停 车工况有一定 的特殊 性。通常在停车期 间，氧化反应 器 中仍需存 留一 定量 的低浓度 C H P物料 ，以备再次开车。 由于 C H P属 于强 氧化剂 ，物性非常活跃 ，极 易引发火灾和爆炸，所 以 C H P的系统必须保证物 料的良好 流动 ，避免 出现死 区形成局部热点积 聚 进而引发爆炸。 为保证 此期间反应器 的安 全 ，需用氮气 以小 流量间歇性地通人反应器 ，使反应器 内的物料得 到良好的流动混合 ，避 免 出现 局部热点 ；而吹扫 通人的氮气又作为尾气经反应器顶部排至焚烧炉。 ( 2 )当焚烧炉系统停 车时 ，将联锁苯酚丙酮 装置进人停车程序。 由于停车期 间仍有 吹扫用氮 气作为尾气从反应器顶部 排出 ，因此需考虑设置 放空旁路来满足该尾气的排放要求。 2 主要工艺流 程 2 1 焚烧炉 系统的常规流程 焚烧炉系统的常规流程见图 1 。 图 1 焚烧 炉系统的常规流程 通常 由废物 预处 理 、助燃 风机、焚烧炉 、烟 气处理 、抽引 风机、烟 囱等组 成。当然 ，不 同的 项 目则可在此基础上 ，根据废 物的特性及装置 的 实际需要，对各环节 进行不 同 的配置 和选型 ，以 满足工艺处理要求。 2 2工艺流程 2 2 1 废物预处理 苯酚丙酮装 置中送 焚烧处理 的废气 已在工艺 主装置内经过 了多级 冷凝 、分 液，无 液相或 固态 杂质存在 ，因此无需再考虑预处理设施。 2 2 2 废气分组 根据表 1中各股废气的压力、组份、操作工况 等条件， 苯酚丙酮装置的废气可分为三组，分三 路送焚烧炉处理。 2 2 3 焚烧炉 废气 燃料气 图 2 直燃式废气焚烧炉 蓄热室A 蓄热宅 B ( 蓄热室 a B定期切换： A进 B出或 B进A出) 图 3 蓄热式废气焚烧炉 实际上 ，直燃式废气 焚烧 炉和蓄热式 废气焚 烧炉的原理是相同的，其差异主要是 废气 的预热 方式不 同：直燃式废 气焚烧炉 的废气 预热是通过 外部的热交换器来完成 的；而蓄热式废 气焚烧炉 的废气预热是通过蓄热材料 ( 多数采用 “ 蜂窝陶 瓷” )来实现的。 由表 1可知，苯酚丙酮装置废气 中的有机物含 量很少 ，所以废气 的热值非常低。若选用 蓄热式 废气焚烧炉 ，仍要依 赖补充燃 料来提供所需 的热 量 ，无法 发挥蓄热系统 的作用。因此 ，选用直燃 式废气焚烧炉更适合于苯酚丙酮装置。 焚烧炉宜选 用卧式结构 ，较立式 结构在操作 和维护方 面都更为方便。炉体通 常均为 圆筒设计 以避免死 角，内衬防腐 隔热耐火材 料 以减少热损 失 ，同时确保炉体在高温工 况下 的使 用寿命。焚 烧炉的一端设置燃烧器 ，另一端则 连接通往下游 的烟道。燃烧器应选用低 N O 烧嘴 ，并设置火焰 检测器。 在设计时 ，应按照燃烧的 3 T+E原则 ( 焚烧 温度、停留时 间、湍 流度、过 剩空气 系数 )来 确 定焚烧炉的设计参数。 根据 危 险废 物焚烧污染 控 制标 准G B 1 8 4 8 4 2 0 0 1和 危险废物焚烧处置工程建设技术 规范H J T 1 7 6 2 0 0 5中的相关规定，整个焚烧 系统必须保持微 负压状态运行 。焚烧 炉的炉温通 常为 8 5 0 c C。 2 6 CHE CAL E NGI NEERI NG DES I GN 2 2 4 烟气处理 烟气处理通常包括废热回收和烟气净化。 ( 1 )由于该装 置废气排量大 、且需连续 焚烧 处理 ，因此很有必要 设置废热 回收设施。废热 回 收的途径很多，如 ：废热锅炉 发生蒸汽 、燃烧空 气预热、废气预热、导热油热 媒换热等 ，对于苯 酚丙酮装置而言： 首先，工艺装置需要 消耗大量的高压 中压蒸 汽 ，设置废热锅炉 可减少对一 次蒸汽 的消耗。由 于苯酚丙酮装置废气 比较 清洁 ，其烟气也 比较干 净，因此可选用烟 管式 废热锅 炉，较其他结构型 式的废热锅炉 ，烟管式废 热锅炉结构较为简单紧 凑、制造安装较 为容易、操作维 护较为方便。通 常考虑将烟气温度通过废热锅炉 降至 4 0 0 q C左右 ， 发生蒸汽的压力等级可根据工艺装置 的蒸汽平衡 要求来确定。 由于废热锅炉位于焚烧炉 的下游，而废物 的 焚烧处理过程又是在 焚烧 炉 内完成 的，因此蒸汽 等级、废热锅炉型式对废物焚烧效果无直接影响。 其次，氧化反应尾 气 的流量很大 ，且 因多级 冷凝使温度降至常温 ，因此应考 虑进行预热，需 另外设置预热器。考虑 到本 系统焚烧烟气较为清 洁，因此可考虑选用 管式 空气预 热器，此种预热 器的结构简单、传 热效率高、加工制 造容易 、检 修维护方便 。预热器应采 用逆流换 热，同时通过 在空气侧设置隔板增加空气侧 的流程 ，以提高换 热效率。氧化反应尾气可被预热至 2 5 0 C左右，同 时使烟气温度降至 2 0 0 C以下。 再次 ，预热器通常均被设置在废热锅炉上游 ， 以便尽可能提升废气 的预热温 度，从 而更 多地减 少焚烧炉的燃 料消耗。苯 酚丙酮装置 中，虽然 氧 化反应尾气 的含氧量被严格 控制在一定 的安 全区 间，但其所含 的异丙苯爆炸下 限很低 ( 常温常压 下低于 1 ) ，宜将预热 器设置在废 热锅炉下游 ， 使废气的受热温度受到一定 的限制 ，这样 既可延 长金属换热管的寿命 ，又可在 一定程度上 提升焚 烧炉系统的安全性。 ( 2 )由于苯酚丙酮装置各股废气均比较清洁 ， 不含 有硫化物、卤化 物等 ，且 基本无 灰份 产生 ， 所以无需考虑设 置烟气净化设施。焚烧后 的排放 烟气 应 满 足 大 气 污染 物综 合 排放 标 准 G B 1 6 2 9 71 9 9 6的要求。 2 2 5 其他设计 根据 1 2节描述 ，即便苯酚丙酮装置和焚烧炉 系统都处于停车状态的工况下 ，仍 需要将 氮气 问 歇地通人含有 C H P的氧化反应器 ，于是就有尾气 从反应器顶部排 出，因此应在焚烧 炉系统 内氧化 尾气进料切断阀的上游设置一根旁路 管线接至烟 囱，以便氧化尾气直接放空。 根据 以上设计理念 ，选用直 燃式 焚烧炉的苯 酚丙酮装置焚烧炉系统的工艺流程 ，见图 4 。 而 燃料气 锅炉给水 蒸汽 气反应尾气 1 窜 紧 急放 空 旁路 I 图 4 苯酚丙酮装置焚烧炉 系统的工艺流程 3 联锁控制 ( 1 )系统需设置延 时吹扫 功能 ，以确 保在点 火之前将 焚烧炉 内残留的燃 料气 和可燃废 气完 全 清除。 ( 2 )系统先 由燃料气烧 嘴点 火升温 ，当确认 炉温 已升至焚烧温度 ，且 焚烧炉 内有明火 时，方 可允许打开废气管路上 的切断 阀，使废气 经专用 烧嘴送炉 内焚烧。 ( 3 )燃料气的进气量需 由焚烧炉 内温度来控 制调节。当炉温高于上 限值 时，燃料 气进气量将 被 自动调小；当炉温低于下 限值时 ，燃料气进气 量将被 自动加大 ，从而维持炉温的稳定 。 ( 4 )助燃补风量必须 由焚烧炉 出 口的氧分析 仪来控制调节。当焚烧炉 出 口氧含量 过高时 ，助 燃补风量将被 自动调小 ；当焚烧炉 出 口氧含量过 低时 ，助燃补风量将被 自动加 大 ，从 而保持炉 内 合理的空气系数。 ( 5 )引风量必须 由焚烧炉 内的压力来控制调 节 。直燃式焚烧 炉应在微负压条 件下操 作 ，当焚 烧炉内的压力过高时，引风量将被 自动调小；当 焚烧炉内 的压力过 低时 ，引风 量将 被 自动加 大， 从而维持炉内稳定的负压条件。 ( 6 )设置火焰在线检测 系统 ，一 旦炉 内明火 熄灭，系统必须联锁切断废气和燃料气的进料。 ( 7 )需对废气、燃料气的进料压力进行监测， 一 旦压力过低必须联锁先切断废气进料，再切断 燃料气进料。 ( 8 )助燃风机、抽引风机发生故障时，必须 联锁切断废气和燃料气的进料 。 ( 下 转第3 0 页) 3 0 C H E MI C A L E NG I N E E R I NG D E S I GN 化工设计 2 0 1 1 ， 2 1 ( 1 ) 为 2 4 0 0 0元 年人 。则每吨蒸汽消耗定额见表 1 。 表 1 C H相余 热锅炉每吨蒸 汽消耗表 名称 消耗定额 脱盐水 ，m 电 ，k W h 天然气，N m 1 o 5 2 O 2 3 各种动力费用 ：脱盐水为 7 0 f r t；电为 0 8 k wh；天然气为 1 2 f N m ，每吨蒸汽动力消 耗为 5 0 9元 ，则 C H相余热 锅炉 总成 本 费用 见 表 2 。 表 2 C H相 余热锅炉总成本费用 ( 万元 ) 名称 年成本 原料及动力 工 资及福利 折 旧及维护费 总成本 l o 9 9 3 3 6 9 4 9 2 3 8 4 5 2 销售收入计算 蒸汽产量为 3 t h ，售价为 2 0 0 t ，则全年收 人为： 2 0 0 3 7 2 0 0= 4 3 2万元 每年能创造利润近 2 0 0