CN111346471A - 工业过程废气处理与循环利用的控制方法及系统 - Google Patents

工业过程废气处理与循环利用的控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

一种工业过程废气处理与循环利用的控制方法及系统，该方法是将气体利用装置产生的废气处理后一部分回流至气体利用装置中，另一部分废气再达标处理后达标排放；该系统包括废气排放管路和废气循环管路；废气排放管路上依次设置有进风鼓风机、气体利用装置、废气处理装置、废气分配装置、废气达标处理装置、排气引风机和排气筒；废气循环管路连接在气体利用装置和废气分配装置之间；废气循环管路上设置有循环鼓风机和/或循环引风机。本发明以废气达标排放确定废气循环量，并与循环前废气污染物处理措施、循环后废气排放前的废气污染物处理措施相配合使用，可以实现热工或工况参数的工艺要求，同时满足废气排放对空气用量折算和排放措施的要求。

Description

工业过程废气处理与循环利用的控制方法及系统
技术领域
本发明涉及一种用于废气污染治理过程中废气循环控制方法及其控制系统，属于废气治理技术领域。
背景技术
雾霾、臭氧、VOCs等大气污染现象的爆发引发了污染治理技术和排放标准的快速响应。与水污染过程的控制措施最大不同是，水资源、水利用、水污染治理与废水排放的全链条管理，有利于水生态环境的管理与质量改善；但空气的利用、废气中污染物的总量和浓度排放等方面的管理过程却难以完善。总体上，环境空气的利用并没有相关的取费、管理要求，只有间接相关的部分燃烧过程，废气污染物排放浓度的含氧量折算体现了环境空气利用总量的要求。
但是，许多工业过程的空气利用与废气排放相关标准完全不考虑环境空气的利用总量问题。
目前，工业过程废气一般仅考虑相关工艺参数和标准规定来确定所需空气用量，如窑炉种类较多，以天然气燃烧产热为例，若窑炉为高温温度控制过程，以钛白粉煅烧为例，煅烧过程实际为一个高温反应器过程，工艺要求煅烧温度需在1200℃以上不同固定温度值，煅烧相应的时间，因此实际空气用量与天然气燃烧所需理论空气的体积流量比值应为4左右，多余空气主要平衡燃烧火焰温度以便控制窑炉温度，产生的废气中剩余氧气含量体积浓度约为15％，按一般窑炉废气排放要求从6-11％不等的废气含氧量折算，该型窑炉的污染物排放浓度可能会超标。同样用于危废仓库、油漆喷涂等过程的废气排放，虽不涉及氧含量问题，但其为满足工艺要求和污染物排放要求所需废气量也有巨大的差别。
CN104033912A公开了一种用于废气处理及回收循环利用的装置，包括热氧化炉，热氧化炉分别通过第一管道、第二管道接入废气入口与废气出口，热氧化炉与废气入口相连通的第一管道上还设有废气预热器，废气预热器与热氧化炉相连通；装置中还包括活性炭吸附装置，活性炭吸附装置与热氧化炉相互并列，且活性炭吸附装置分别通过第三管道、第四管道接入废气入口与废气出口。通过回收管道使经热氧化炉燃烧氧化后的废气直接进入废气预热器中辅助预热等待处理的废气，且在热氧化炉发生故障时，通过活性炭吸附装置直接过滤废气中的有害物质，进而不影响装置的正常运行，通过废气出口前端设置的余热回收装置，可将燃烧氧化后废气的热量回收以做他用。该装置是通过一个活性炭装置，把部分废气吸附净化后，通过换热器回收废气中的显热在用于氧化炉的燃烧过程，但是空气利用与废气排放仍没有考虑环境空气的利用总量问题，也无法确定废气循环量。
发明内容
针对工业过程的废气污染治理过程中，部分燃烧过程或其他空气利用过程中有关环境空气利用总量问题，本发明提出一种工业过程废气处理与循环利用的控制方法及其控制系统，可应用于工业窑炉、铸造、危险废物仓库、表面涂装与喷漆等过程的废气排放管理，以便其适应不同环保要求和不同部门指定的各种技术规范要求。
本发明工业过程废气处理与循环利用的控制方法，是：
将鼓入气体利用装置中的空气量(新鲜空气流量)设为Q2，气体利用装置产生的废气处理后一部分回流至气体利用装置中，该部分的循环气体量设为Q1，另一部分废气再达标处理后排放，达标排放的废气量设为Q3；
对于天然气燃烧环境，根据使用的天然气流量Qm3/h，天然气理论燃烧所需空气量Q2＝9.524Q；若废气含氧量要求基准为y％,为控制燃烧火焰温度和NOx热力生成，需要燃烧器助燃气与天然气比例为m时，实际所需空气量(标准状况体积比)为：Q2＝9.524Q+(8.524y/(21-y))Q，调节干基废气流量Q3为Q2产生的废气量，实际废气量为湿基流量Q3＝10.524Q+(8.524y/(21-y))Q，(不计空气和天然气所带水分)，湿基循环气体量Q1＝9.524(m-1)Q，废气循环比Q1/Q3(湿基)。
对于非燃烧环境(如危废仓库，以VOCs控制为例)，Q1＝Q3(CL-4C)/4C,废气循环比同样为Q1/Q3；封闭环境(危险废物暂存仓库)的换风流量M＝Q1+Q2，单位m3/h；C为气体利用装置出口废气中的VOCs浓度，单位mg/m3；CL为废气爆炸极限，单位mg/m3。
所述Q1对应流量的管路(废气循环管路)内的风速为4-6m/s。所述Q1+Q2对应流量的管路内的风速为2-4m/s。
实现上述方法的工业过程废气处理与循环利用的控制系统，采用以下技术方案：
该系统，包括废气排放管路和废气循环管路；废气排放管路上依次设置有进风鼓风机、气体利用装置、废气处理装置、废气分配装置、废气达标处理装置、排气引风机和排气筒；废气循环管路连接在气体利用装置和废气分配装置之间；废气循环管路上设置有循环鼓风机和/或循环引风机。
所述废气循环管路上设置有第一流量计，进风鼓风机与气体利用装置之间的连接管上设置有第二流量计，排气筒上设置第三流量计及废气中特征污染物浓度在线测定分析仪(如测定含氧量参数y％或VOCs浓度)。
所述废气分配装置使Q1对应流量的管路(废气循环管路)内的风速为4-6m/s，使Q1+Q2(Q1与Q2之和)对应流量的管路(废气排放管路中气体利用装置与废气分配装置之间的一段)内的风速为2-4m/s。两处风速均为湿烟气风速。
所述废气分配装置可以是变径三通接头，或者是具有一个进口和两个出口的缓冲罐，三通接头或缓冲罐与废气循环管路和废气达标处理装置连接的两个端口的直径不同。
通过第一流量计监测回流至循环鼓风机的循环气体量Q1；通过第二流量计监测进风鼓风机1鼓入的空气量(新鲜空气流量)Q2；通过第三流量计12监测由排气筒11排放的经过达标后的废气量Q3。
上述系统为固定循环比全混流模式气体流动系统，循环引风机和循环鼓风机确定系统废气循环比和燃烧过程的温度，调整控制进风鼓风机、循环鼓风机、循环引风机和排气引风机的风量，实现空气-废气全过程数量和质量的控制和管理。
本发明对于废气循环过程的控制方法是，以废气达标排放确定废气循环量，并与循环前废气污染物处理措施、循环后废气排放前废气污染物处理措施相配合使用，可以实现热工或工况参数的工艺要求，同时满足废气排放对空气用量折算和排放措施的要求。
附图说明
图1是本发明中废气污染治理过程的废气循环控制系统的结构原理示意图。
图中：1.进风鼓风机，2.循环鼓风机，3.第一流量计，4.第二流量计，5.气体利用装置，6.废气处理装置，7.废气分配装置，8.循环引风机，9.废气达标处理装置，10.排气引风机，11.排气筒，12.第三流量计，13.废气循环管路，14.进风排气管路。
具体实施方式
如图1所示，本发明的废气污染治理过程的废气循环控制系统，包括废气排放管路14和废气循环管路13。废气排放管路14中鼓入空气与废气排放是匹配一致的，另一路为废气循环管路13，用于将处理后的废气进行循环。本发明是调节循环废气的控制。
废气排放管路14上依次连接有进风鼓风机1、气体利用装置5、废气处理装置6、废气分配装置7、废气达标处理装置9和排气引风机10，废气达标处理装置9通过排气引风机10与排气筒11连接。气体利用装置5与废气分配装置7之间连接废气循环回路13，废气循环回路13上连接有循环引风机8、第一流量计3和循环鼓风机2，进风鼓风机1的出风口与循环鼓风机2的出风口均与气体利用装置5连接。进风鼓风机1用于吸入新鲜空气，循环鼓风机2用于废气循环，排气引风机10用于排出系统中的废气。进风鼓风机1与气体利用装置5的连接管路上设置有第二流量计4。排气筒11上设置第三流量计12以及废气中特征污染物浓度在线测定分析仪(如测定含氧量参数y％或VOCs浓度)。循环鼓风机2和循环引风机8的配合可按实际配管与管路风阻计算确定两者同时使用或只用一个，一般同时使用。
第一流量计3用于监测回流至循环鼓风机2的循环气体量Q1；第二流量计4用于监测进风鼓风机1鼓入的空气量(新鲜空气流量)Q2；第三流量计12用于监测由排气筒11排放的经过达标后的废气量Q3。
循环气体量Q1一般会与空气量(新鲜空气流量)Q2混合后利用，也就是混合后再进入气体利用装置5。
气体利用装置5就是指燃烧环境(窑炉)或者非燃烧环境(如危险废物仓库、喷漆、铸造、建材生产等环境)。废气处理装置6可以是蓄热式焚烧炉(简称RTO)、酸碱双功能单塔双循环等现有废气处理设备，根据具体应用场合进行选择。废气分配装置7可以是变径三通接头，或者是具有一个进口和两个出口的缓冲罐，三通接头或缓冲罐与废气循环管路和废气达标处理装置连接的两个端口的直径不同。使Q1对应流量的管路(废气循环管路13)内的风速为4-6m/s，使Q1+Q2(Q1与Q2之和)对应流量的管路(进风排气管路14中气体利用装置5与废气分配装置7之间的一段)内的风速为2-4m/s，两处风速均为湿烟气。废气达标处理装置9采用现有吸附-脱附设备或RTO设备,通过吸附-脱附或RTO焚烧达标处理后排放。
上述整体系统为固定循环比全混流模式气体流动系统，循环引风机8和循环鼓风机2确定系统废气循环比和燃烧过程的温度，进风鼓风机1和排气引风机10确定系统燃烧过程的废气含氧量。采用DCS(计算机控制系统)和现场一次仪表(流量计)测量Q1、Q2和Q3等参数，利用排放废气中的VOCs在线分析其浓度数据，调整控制进风鼓风机1、循环鼓风机2、循环引风机8和排气引风机10的流量，实现空气-废气全过程数量和质量的精确控制和管理。
以下给出上述系统在不同环境中的控制方式实例。
实施例1
本实施例将上述系统用于燃烧环境，以天然气窑炉为例说明燃烧环境Q1、Q2和Q3之间的关系。Q3是对应Q2燃烧产生的一定含氧量y％下的废气量，Q1＝9.524(m-1)Q，(实际湿基流量)废气循环比为Q1/Q3。Q为窑炉热工设计需要的天然气使用量，单位m3/h。
窑炉热工设计需要天然气使用量为Q m3/h(标准状态)，所需理论空气量为9.524Qm3/h，燃烧产生的理论湿烟气量10.524Q m3/h，干基废气量为8.524Q m3/h。燃烧过程需要满足低氮燃烧和废气含氧量(如3％(v/v))要求。若低氮燃烧所需控温(工艺要求)空气过剩系数为3.5(就是“需要燃烧器助燃气与天然气比例为m”)，非循环废气而使用新鲜空气燃烧产生的废气含氧量则为15.5％(v/v，干基)。若要满足废气含氧量3％(v/v)要求，根据公式Q2＝9.524+(8.524y/(21-y)计算得到所需空气量Q2＝(9.524+1.421)Q＝10.945Q。由(8.524y/(21-y)和y＝3计算得到所需剩余空气量系数为1.421。
而由排气筒11排出的干基废气量Q3＝(1.421+8.524)Q＝9.945Q(这里Q3＝9.945Q是干基废气量),前面的Q3＝10.524Q+(8.524y/(21-y))是湿基废气流量，是流量计测定的实际流量，用来控制循环比)，因此根据公式Q1＝9.524(m-1)Q得到Q1＝(9.524*(3.5-1))Q＝23.81Q。废气循环比Q1/Q3＝1.993(湿基)(23.81Q/(1+10.945)Q＝1.993)。即废气循环状态可同时满足低氮燃烧1200℃以下火焰温度，废气排放含氧量3％的要求，可用于天然气锅炉热工要求和废气排放含氧量要求，废气排放量减少((m-1)*9.524+8.524-1.421-8.524)/((m-1)*9.524+8.524)＝69.24％。
废气含氧量6％时，同样计算过程得到废气循环比Q1/Q3＝23.81/(1+12.934)＝1.709，废气排放量减少((m-1)*9.524+8.524-3.4096-8.524)/((m-1)*9.524+8.524)＝63.09％。3.4096由(8.524x/(21-x)和x＝6计算得到。
若干燥过程的废气含氧量更高时，控温热工计算所得空气过剩系数会高达5以上,废气排放量将大为减少。
实施例2
如果上述系统用于非燃烧环境(如危险废物仓库、喷漆、铸造、建材生产等环境)，以下以危废仓库为例说明仓库通风与VOCs(挥发性有机化合物)的控制方式：
危险废物暂存仓库的通风要求一般为3-6次/小时。对于面积3000m2，高度15m高的标准库房，换风流量M一般应大于135000m3/h，全部废气处理采用RTO焚烧处理废气排放成本较高，且一般危废仓库通风废气中的酸碱性气体较多，VOCs浓度较低。因此，废气处理装置6可采用酸碱双功能单塔双循环处理废气中的酸碱气体，循环气体(进风鼓风机1排出的气体)累积后，在线分析循环气体中的VOCs浓度含量，接近其爆炸极限的1/4时，由废气达标处理装置9采用吸附-脱附或RTO焚烧达标处理后，经排气筒11排放剩余废气。Q1、Q2和Q3的关系为如下：Q2＝Q3,Q1＝Q3(CL-4C)/4C，废气循环比Q1/Q3；M为危险废物暂存仓库的换风流量(通风量)，单位m3/h；C为循环气体中的VOCs浓度，单位mg/m3；CL为循环气体爆炸极限，单位mg/m3。
若直接通风排放废气(不循环的时候)中的VOCs浓度C为150mg/m3，假定其爆炸极限CL是6000mg/m3，设计仓库通风量Q1+Q2＝135000m3/h,则Q1/Q3＝(6000-150×4)/(150×4)＝9，Q2＝Q3＝135000*0.1＝13500m3/h。最终废气达标处理废气量为工艺设计废气量的10％，大大减少了废气处理的负荷与费用。同时检测Q3中废气的VOCs浓度Cout，适时调整循环比例，则可灵活调节新鲜空气用量和废气排放量，方便选择有针对性的废气处理工艺，如RTO、RCO、转轮+RTO、吸附/脱附等。

Claims (8)

1.一种工业过程废气处理与循环利用的控制方法，将鼓入气体利用装置中的空气量设为Q2，气体利用装置产生的废气处理后一部分回流至气体利用装置中，该部分的循环气体量设为Q1，另一部分废气再达标处理后排放，达标排放的废气量设为Q3；其特征是：
对于天然气燃烧环境，根据使用的天然气流量Qm3/h，天然气理论燃烧所需空气量Q2＝9.524Q；若废气含氧量要求基准为y％,为控制燃烧火焰温度和NOx热力生成，需要燃烧器助燃气与天然气比例为m时，实际空气量(标准状况体积比)为：Q2＝9.524Q+(8.524y/(21-y))Q，调节干基废气流量Q3为Q2产生的含氧量为y％废气量，实际废气量为湿基流量Q3＝10.524Q+(8.524y/(21-y))Q，湿基循环气体量Q1＝9.524(m-1)Q，废气循环比Q1/Q3；
对于非燃烧环境VOCs污染物控制，Q1＝Q3(CL-4C)/4C,废气循环比同样为Q1/Q3；环境的换风流量M＝Q1+Q2，单位m3/h；C为气体利用装置出口废气中的VOCs浓度，单位mg/m3；CL为废气爆炸极限，单位mg/m3。
2.根据权利要求1所述的工业过程废气处理与循环利用的控制方法，其特征是：所述Q1对应流量的管路内的风速为4-6m/s。
3.根据权利要求1所述的工业过程废气处理与循环利用的控制方法，其特征是：所述Q1+Q2对应流量的管路内的风速2-4m/s。
4.一种工业过程废气处理与循环利用的控制系统，其特征是：包括废气排放管路和废气循环管路；废气排放管路上依次设置有进风鼓风机、气体利用装置、废气处理装置、废气分配装置、废气达标处理装置、排气引风机和排气筒；废气循环管路连接在气体利用装置和废气分配装置之间；废气循环管路上设置有循环鼓风机和/或循环引风机。
5.根据权利要求4所述的工业过程废气处理与循环利用的控制系统，其特征是：所述废气循环管路上设置有第一流量计，进风鼓风机与气体利用装置之间的连接管上设置有第二流量计，排气筒上设置第三流量计及废气中特征污染物浓度在线测定分析仪。
6.根据权利要求4所述的工业过程废气处理与循环利用的控制系统，其特征是：所述废气分配装置使Q1对应流量的管路内的风速为4-6m/s，使Q1+Q2对应流量的管路内的风速为2-4m/s。
7.根据权利要求4所述的工业过程废气处理与循环利用的控制系统，其特征是：所述废气分配装置是变径三通接头，三通接头与所述废气循环管路和废气达标处理装置连接的两个端口的直径不同。
8.根据权利要求4所述的工业过程废气处理与循环利用的控制系统，其特征是：所述废气分配装置是具有一个进口和两个出口的缓冲罐，缓冲罐与所述废气循环管路和废气达标处理装置连接的两个端口的直径不同。
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