PTA装置反应尾气催化氧化处理及能量综合利用系统.pdf

本发明涉及一种PTA装置反应尾气催化氧化处理及能量综合利用系统，其系统的废气进口管道连接所述第一热交换器吸热介质进口，所述第一热交换器吸热介质出口连接第二热交换器吸热介质进口，所述第二热交换器吸热介质出口连接第三热交换器吸热介质进口，所述第三热交换器吸热介质出口通过所述燃气混入器连接所述催化反应器的进口，所述催化反应器的出口连接第二热交换器放热介质进口，第二热交换器放热介质出口部分气体管道连接第一热交换器放热介质进口，所述第二热交换器放热介质出口和第一热交换器放热介质出口分别连接系统的第二净气出口管道和第一净气出口管道，所述燃气混入器设有燃气进气口。这种装置利用反应产生的热能加热废气，消耗的能源少，处理成本低。

1.  一种PTA装置反应尾气催化氧化处理及能量综合利用系统，包括催化反应器，其特征在于所述催化反应器的前面设有燃气混入器、第三热交换器、第二热交换器和第一热交换器，系统的废气进口管道连接所述第一热交换器吸热介质进口，所述第一热交换器吸热介质出口连接第二热交换器吸热介质进口，所述第二热交换器吸热介质出口连接第三热交换器吸热介质进口，所述第三热交换器吸热介质出口通过所述燃气混入器连接所述催化反应器的进口，所述催化反应器的出口连接第二热交换器放热介质进口，第二热交换器放热介质出口部分气体连接第一热交换器放热介质进口，所述第二热交换器放热介质出口和第一热交换器放热介质出口分别连接系统的第二净气出口管道和第一净气出口管道，所述燃气混入器设有燃气进气口。

2.  如权利要求1所述的PTA装置反应尾气催化氧化处理及能量综合利用系统，其特征在于所述第一热交换器和第二热交换器均采用气气热交换器，所述第三热交换器采用加热锅炉或以高压饱和蒸汽为加热介质的热交换器，所述锅炉包括一个燃烧系统和一个加热室，所述加热室内设有供废气通过并吸收外界热量的加热管道。

3.  如权利要求2所述的PTA装置反应尾气催化氧化处理及能量综合利用系统，其特征在于所述燃烧系统设有天然气和沼气两条燃气供气管路。

4.  如权利要求3所述的PTA装置反应尾气催化氧化处理及能量综合利用系统，其特征在于所述燃气混入器的燃气进口连接有空气管道。

5.  如权利要求1、2、3或4所述的PTA装置反应尾气催化氧化处理及能量综合利用系统，其特征在于所述催化反应器出口与所述第二净气出口管道之间设有与所述第二热交换器放热介质通道并联的旁路管道。

6.  如权利要求1、2、3或4所述的PTA装置反应尾气催化氧化处理及能量综合利用系统，其特征在于所述第一热交换器和第二热交换器之间设有第四热交换器。

7.  如权利要求6所述的PTA装置反应尾气催化氧化处理及能量综合利用系统，其特征在于所述第四热交换器采用蒸汽加热器，其吸热介质通道串接在所述第一热交换器吸热介质出口和所述第二热交换器吸热介质进口之间的连接管道上。

8.  如权利要求6所述的PTA装置反应尾气催化氧化处理及能量综合利用系统，其特征在于所述第四热交换器的吸热介质出口和所述系统第二净气出口管道之间设有将废气直接引入所述系统第二净气出口管道的旁路管道。

9.  如权利要求1、2、3或4所述的PTA装置反应尾气催化氧化处理及能量综合利用系统，其特征在于所述系统第二净气出口管道连接PTA生产线的膨胀机热气管道，所述系统第一净气出口管道连接PTA生产线的空气干燥器热气管道。

10.  如权利要求1、2、3或4所述的PTA装置反应尾气催化氧化处理及能量综合利用系统，其特征在于所述系统的废气进口管道连接废气源和与所述废气源并列的氮气源。

PTA装置反应尾气催化氧化处理及能量综合利用系统
技术领域
本发明涉及一种挥发性有机废气净化处理及其热能综合利用的系统，主要适于处理石化、印刷、油漆以及塑料等行业排放出的含有挥发性有机物(VOCs)的废气，特别是PTA(精对苯二甲酸)装置氧化反应尾气的处理。
背景技术
现有挥发性有机废气的处理多采用催化氧化方式，在相对较低的反应温度下(例如220℃～400℃)将废气中所含挥发性有机物经过催化剂的作用与空气中的氧反应，生成二氧化碳和水，其主要反应设备是催化反应器。由于含有挥发性有机物的工业尾气的温度一般达不到催化发应所需的温度，通常还要设置加热装置通过蒸汽等介质对尾气进行加热，因此消耗的能量较多，不仅提高了处理成本，也造成能源的浪费。
例如，PTA生产过程是用空气中氧使对二甲苯(PX)氧化，生成对苯二甲酸(TA)。氧化反应过程产生大量尾气(废气)，尾气中主要成分是氮气及残氧，此外还含有二氧化碳(CO₂)、一氧化碳(CO)、水份(H₂O)及少量有机物醋酸(HAC)、醋酸甲酯(MA)、甲醇(MeOH)、溴甲烷(MeBr)等。二十世纪九十年代以前，PTA装置对氧化尾气基本无净化处理设施，大部分厂家直接将尾气排入大气，造成环境严重污染。随着人们环保意识的增强，环保法规日趋完善，PTA生产厂商逐步采取措施治理氧化尾气。
对于PTA老装置，治理尾气仅从环保角度出发，未充分考虑能量回收利用，如RTO(蓄热床式氧化)或LPCCU(低压催化氧化)对尾气净化处理。对于新建PTA装置，在考虑治理尾气的同时，还要求装置能量合理使用。HPCCU单元即是将净化尾气设施置于高压端在采用催化氧化技术焚烧去除有害物的同时，采用不不同工艺流程将氧化热能合理运用。
蓄热床式氧化净化设施(RTO)内无催化剂，氧化(焚烧)温度800-850℃，由于净化设施在低压端，尾气氧化产生热能无法合理使用；HPCCU(高压催化焚烧)置于尾气高压端，由于采用催化焚烧技术，净化温度相对较低，一般在350-450℃下进行，有害物去除率可达95-99％。不同PTA生产技术根据装置整体能量平衡，设计出不同HPCCU工艺流程，这在能量利用及投资方面有显著区别。
新建PTA装置采用HPCCU净化尾气有三家，其工艺流程大致相同，即采用中、高压蒸汽加热尾气，使其升温至300℃左右，然后在尾气中喷入甲醇，送入HPCCU，尾气中有害物及甲醇氧化燃烧，尾气升温至450℃左右，直接进入尾气膨胀机膨胀作功，膨胀后尾气排出温度～150℃。此流程可以有效地去除有害物，净化尾气，并且将高温尾气推动尾气膨胀机作功、发电。此流程主要缺点是加热尾气要外界输入能量(燃料甲醇和中高压蒸汽)，尾气在150℃时就排放，能量利用不完善，投入大于产出，经济效益为负值。另外，尾气膨胀机在高温(450℃)下运行，材质要求高，投资大。
发明内容
为克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种PTA装置反应尾气催化氧化处理及能量综合利用系统，该系统处理挥发性有机废气时消耗的能源少，处理成本低，并且可以充分利用尾气中的能量。
本发明实现上述目的的技术方案是：一种PTA装置反应尾气催化氧化处理及能量综合利用系统，包括催化反应器，所述催化反应器的前面设有燃气混入器、第三热交换器、第二热交换器和第一热交换器，系统的废气(反应尾气)进口管道连接所述第一热交换器吸热介质进口，所述第一热交换器吸热介质出口连接第二热交换器吸热介质进口，所述第二热交换器吸热介质出口连接第三热交换器吸热介质进口，所述第三热交换器吸热介质出口通过所述燃气混入器连接所述催化反应器的进口，所述催化反应器的出口连接第二热交换器放热介质进口，第二热交换器放热介质出口部分气体连接第一热交换器放热介质进口，所述第二热交换器放热介质出口和第一热交换器放热介质出口分别连接系统的第二净气出口管道和第一净气出口管道，所述燃气混入器设有燃气进气口。
本发明的工作原理和有益效果具体是：系统(整个装置)启动时，通过所述第三热交换器对待处理的废气进行加热，通常所述第三热交换器可以采用加热锅炉，废气经过加热锅炉的加热管后温度提高到反应温度或接近于反应温度，然后进入燃气混入器，通过燃气混入器将甲醇等适宜的可燃气体混入废气中，通过甲醇的氧化(燃烧)反应产生热量，使废气的温度进一步提高，以满足催化反应要求，甲醇的混入量视升温需要而定，通常在系统启动过程中的温升主要由第三热交换器提供。废气中所含的挥发性有机物在催化发应器中发生氧化反应，生成二氧化碳和水，同时产生热量，使催化反应器内的温度进一步升高，从催化反应器出口出来的经过净化的气体(净气)温度高于进入催化反应器的废气温度，这些净气被引入第二热交换器的放热介质通道，换热后一部分被引入第一热交换器的放热介质通道，作为热源对处理前的废气进行加热，当系统平衡时，如果废气在进入第三热交换器时已经接近或达到催化反应所需的温度，则可以停止对第三热交换器的供热，由甲醇等适宜可燃气体的燃烧提供剩余的温升。由此有效地利用了系统反应产生的热能，节省了能源消耗，降低了废气的处理成本。另外，从第二热交换器放热介质出口和第一热交换器放热介质出口出来的净气，可以回用于PTA或其他生产工艺中，以进一步节省能源。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明提供了一种PTA装置反应尾气催化氧化处理及能量综合利用系统，包括催化反应器1，所述催化反应器的前面设有燃气混入器22、第三热交换器17、第二热交换器3和第一热交换器5，系统的废气进口管道连接所述第一热交换器吸热介质进口，所述第一热交换器吸热介质出口连接第二热交换器吸热介质进口，所述第二热交换器吸热介质出口连接第三热交换器吸热介质进口，所述第三热交换器吸热介质出口通过所述燃气混入器22连接所述催化反应器的进口，所述催化反应器的出口连接第二热交换器放热介质进口，第二热交换器放热介质出口部分气体管道连接第一热交换器放热介质进口，所述第二热交换器放热介质出口和第一热交换器放热介质出口分别连接系统的第二净气出口管道和第一净气出口管道，所述燃气混入器设有燃气进气口21。
所述第一热交换器和第二热交换器均可以采用气气热交换器，所述第三热交换器17可以利用加热锅炉燃烧系统16，所述燃烧系统燃烧产生的热气体(烟气)进入第三热交换器并向加热管道内的废气释放热量，然后经烟囱19排放出来。所述燃烧系统可以设有天然气和沼气两条燃气供气管路，通过天然气启动燃烧，然后再利用沼气燃烧，所述天然气来源于天然气源15，所用沼气可以来源于以PTA生产过程中产生的固体和液体废弃物(例如污水厂的污泥等)为原料的沼气池14，由此实现了废物利用，节省了能源。所述燃气锅炉可以设有新风进风装置12为燃烧提供空气，所述新风进风装置设有风机13。
所述第三热交换器也可以采用以高压饱和蒸汽为加热介质的热交换器，所述高压饱和蒸汽的压力可以是92kg/cm2左右。
所述燃气混入器设有所述的进口、出口和燃气进口，燃气进入燃气混入器后通过喷射等方式同废气混合，以便均匀地提高废气的温度。所述燃气一般可以采用甲醇，来源于甲醇源23，也可以采用在相应温度和环境条件下即可发生完全的氧化反应的其他适宜气体。为调节废气中氧或空气的比例，还可以通过燃气进口连接空气管道，将PTA生产的厂用空气20接入燃气混入器同废气混合。
所述催化反应器出口与所述第二净气出口管道之间可以设有与所述第二热交换器放热介质通道并联的旁路管道2，以便在必要时将催化反应器出口的净气直接引入第二净气出口管道。
所述第一热交换器和第二热交换器之间可以设有第四热交换器18，所述第四热交换器可以采用蒸汽加热器，其吸热介质通道串接在所述第一热交换器吸热介质出口和所述第二热交换器吸热介质进口之间的连接管道上，即其吸热介质进口连接所述第一热交换器吸热介质出口，其吸热介质出口连接所述第二热交换器吸热介质进口，其放热介质进口用于连接蒸汽源10，所述蒸汽源多可采用PTA生产线的蒸汽源，其放热介质出口连接冷凝线11，以便于蒸汽放热后的冷凝。通过所述第四热交换器可以对废气的温度进行进一步的调节，有利于调节和控制系统的稳定运行。
所述第四热交换器的吸热介质出口和所述系统第二净气出口管道之间可以设有将废气直接引入所述系统第二净气出口管道的旁路管道4，使废气不再经过后续的第二热交换器、第三热交换器和催化反应器，以便在催化反应器出现故障或其他问题时(例如催化反应器内温度过高)时将废气直接引入所述系统第二净气出口管道，通过第四热交换器的加热，可以保证这样引入系统第二净气出口管道的废气具备后续利用所需的温度。
根据系统各净气出口管道的净气温度，可以将这些净气加以利用，例如可以将所述系统第二净气出口引入PTA生产装置的尾气膨胀机6的热气管道用于膨胀作功；将所述系统第一净气出口引进入PTA生产装置的空气干燥器9的低温气管道，经干燥后尾气用于PTA装置的分离干燥和输送等，对能量充分利用。
所述系统的废气进口管道连接相应生产线的尾气排放口7，或者其他废气源出口。
在所述系统的废气进口管道上还可以连接有与所述废气源并列的氮气源8，以便在系统停机时或者烟气浓度超过爆炸下限(LEL)的50％时，将系统内通入氮气进行系统净化。
依据现有技术和其他各种可能的技术，可以在各管路上和各设备内设置测量压力、温度和流量等工艺参数的仪表和传感器等信号采集装置，在各管路上设置各种阀门等控制装置，并可以设置电控柜、电控板和计算机控制系统进行整体系统的操作和自动化控制，并可以通过网络或其他远程传输方式进行远程数据传递，将各种数据传递给远程控制中心或接受远程控制中心的指令。
根据申请人在某PTA生产线上的试验数据，PTA装置反应尾气经过第一热交换器后被加热到～60℃，通过第二热交换器后被加热到305℃，经过第三热交换器时被加热到344℃-360℃，进入催化反应器前再通过燃气混入器喷入甲醇燃料以补充热量，经过催化反应器后废气(净气)的温度最终达到420℃。净化后的高温气体通过第二热交换器和第一热交换器降温后送入膨胀机和干燥器，进入膨胀机的气体温度可以控制在170-180℃，进入干燥器的气体温度可以控制在70-80℃，因此实现了系统的热平衡和热能的有效和充分的利用。当催化反应器内的反应温度为360℃-420℃时，可以保证溴甲烷去除效率为95-99％。
本发明HPCCU工艺流程的特点主要是：利用装置副产低压蒸汽和副产物(MA、MeOH、CH₄)升温尾气，无需外供能源，HPCCU可在350-450℃范围操作，能有效地去除有害物、净化尾气。流程中利用氧化焚烧后高温尾气和低温尾气进气换热，使其达到HPCCU规定的进口温度，换热后高温尾气仍在170-180℃，用于尾气膨胀机膨胀作功，膨胀后排出尾气温度～40℃，能量利用充分，效益明显。另外，由于尾透膨胀机膨胀条件缓和，设备投资也较低。本发明工艺流程体现了以废治废、综合利用、降能环保的思路，投资低、经济效益显著是工艺流程技术优势。