石油化学産業向けアルカリ洗浄+水洗浄+3床式RTO(石油・ガス・廃水VOC除去)

事例研究・VOC削減

大手総合製油・石油化学グループが、廃水処理および凝縮回収システムから発生する、高濃度でH₂Sを含むベンゼン系化合物を多く含む16,000 m³/hの排ガスから、99.5%のVOCを分解することに成功した方法。安全性が極めて重要なアルカリ洗浄+水洗浄の前処理チェーンを導入し、その後、800℃以上で稼働する3床式RTOを設置。さらに、三重冗長LELモニタリング、全体にわたる防爆設計、および自己熱性能最適化のための蒸気予熱を採用した。

石油化学製品由来のVOC削減
3ベッドルームRTO
硫化水素除去前処理
防爆型LELインターロック
製油所廃水排ガス

99.5%
VOC破壊
NMHC 8,000→40 mg/Nm³
>95%
熱回収
セラミック蓄熱
16,000
m³/h
標準プロセスガス
3×LEL
冗長監視
2/3ロジックインターロック

01 — 業界背景

石油化学プラントにおけるVOC(揮発性有機化合物)の制御:爆発性、毒性、および変動性の高い製油所排ガス流に対する安全第一のエンジニアリング

石油化学・石油精製部門は、世界的に見てもVOC排出源として最大規模を誇る産業の一つです。石油とその精製製品は、炭化水素の複雑な混合物で構成されており、その中でも低沸点の軽い留分は揮発性が高いという特徴があります。原油の採掘、精製、貯蔵、輸送、販売といった一連の過程において、処理設備の制約により、少量の軽質炭化水素が必然的に大気中に放出されます。石油化学プラントにおけるVOC排出源としては、貯蔵タンク、処理容器の通気口、設備からの漏洩、廃水処理プラントの表面、凝縮回収システムの排ガスなどが挙げられます。

石油化学セクターのVOC削減の課題には、印刷、医薬品、またはコーティング業界の用途と比較して、3つの特徴があります。(1) 極めて重要な安全上の問題 (2)石油化学由来のVOCストリームには可燃性炭化水素(油ガス、ベンゼン系列)、有毒ガス(H₂S)、および自然発火性化合物が含まれているため、LEL管理は許可遵守要件ではなく生命安全要件となります。 腐食性ガス組成物 — H₂Sとベンゼン系化合物は非常に腐食性の高い環境を作り出すため、収集配管からRTO燃焼室に至るまで、全体に特殊な材料が必要となります。(3) 濃度変動が大きい ―廃水処理施設の排ガス濃度は、廃棄物負荷の変化に応じて大きく変動する可能性があるため、緩衝戦略(緩衝容量としてのアルカリ洗浄塔)と堅牢な濃度管理システムが必要となる。

本事例研究の対象となる企業は、従業員数8,000名、総資産650億人民元、原油一次処理能力年間1,050万トン、高硫黄コークス、石油化学製品、グループ貿易、物流、小売事業など複数の下流石油化学製品ラインを有する、大規模な総合製油・石油化学グループです。この施設は、省内有数のエネルギー化学製品生産拠点です。VOC削減プロジェクトは、製油所複合施設内の廃水処理プラントから排出される油ガス回収装置のテールガスと高濃度オフガスを対象としています。

再生式熱酸化装置(RTO)のコークス製造および石油化学精製産業への応用例。蒸留塔、貯蔵タンク、廃水処理からのVOC除去用排ガス収集システム、凝縮回収装置を備えた大規模精製複合施設を示す。

「石油化学プラントの排ガス安全管理では、収集・処理システムのどの地点においても、濃度が25% LEL(爆発下限界値)を超えてはならないことが求められます。アルカリ洗浄工程の下流に設置された緩衝タンク(独自のLELモニターを装備)は、個々の発生源における濃度急上昇から、RTO入口でシステムが危険な状態に達するまでの十分な緊急停止対応時間を確保する上で、極めて重要な安全要素となります。」

— 石油化学産業におけるVOC処理プロジェクトの技術概要


02 — 汚染状況

製油所廃水排ガス:H₂S、ベンゼン、油ガス(NMHC濃度8,000 mg/Nm³、湿度60%、爆発性組成)

このプロジェクトにおける排ガスは、製油所複合施設内の2つの発生源カテゴリーに由来する。

  • 石油・ガス回収装置テールガス (2つのユニット:東ゾーンと西ゾーン):これらは、製油所の油蒸気回収システムから凝縮および吸収された後の残留テールガス流です。東ゾーンユニットは、NMHC <1 g/Nm³で3,300 m³/hを断続的に処理します。西ゾーンユニットは、NMHC <5 g/Nm³で3,500 m³/hを断続的に処理します。合計設計最大処理量は6,800 m³/hです。
  • 廃水処理場から直接採取した高濃度排ガス: 下水調整槽 (3,000×2 m³; 1,014 m³/h)、油分離槽 (300×2 m³; 100.8 m³/h)、汚泥濃縮槽 (60×4 m³; 68 m³/h)、浮上槽 (300×2 m³; 100.8 m³/h)、油含有廃水プール (3.8×4.7×2; 150 m³/h)、沈殿槽 (29.6×16.6×1.5; 2,949 m³/h)、曝気槽 (23.8×14.7×1; 1,400×2 m³/h) からの排ガスを合算し、設計流量 8,700 m³/h、NMHC 5,000~8,000 mg/Nm³、平均 3,500 m³/h となる。 NMHCではmg/Nm³、ベンゼン系列の平均濃度は140 mg/Nm³であった。

標準プロセスガスの総量は 16,000 m³/h (25℃ では 17,465 Nm³/h) です。このオフガスの安全性を左右する重要な特徴は、H₂S (製油プロセス化学由来の硫化水素)、ベンゼン系化合物 (原油分留残渣由来のベンゼン、トルエン、キシレン)、および油ガス炭化水素蒸気が同時に存在し、ピーク負荷条件下では濃度が LEL に近づく可能性があることです。湿度は 60% と高く、ガスには粒子状物質は含まれていません (すべての発生源は液面蒸発です)。O₂ 含有量は 21% (蒸気を伴った外気) です。

パラメータ 初期濃度 実際の店舗 EU IED / NER制限
NMHC(総VOC) 8,000 mg/Nm³(ピーク値) 40 mg/Nm³ IED 2010/75/EU ≤20 mg/Nm³
ベンゼン 現物(ベンゼン系列) ≤2 mg/Nm³ IED ≤1 mg/Nm³
トルエン 現在 ≤5 mg/Nm³ IED ≤3 mg/Nm³
キシレン 現在 ≤8 mg/Nm³ IED ≤12 mg/Nm³
硫化水素、ベンゼン系化合物、石油ガス 現存(気相) アルカリ洗浄により除去 IED/IPPCサイト許可証
湿度 60%
標準ガス量 16,000 m³/h(設計値)
プロセスガス量 25℃で17,465 Nm³/h
年間VOC削減量 約685トン/年 検証済み

重要な安全上の注意: アルカリ洗浄バッファータンクから緊急バイパスバルブまでのファン応答距離は、60m以上(この構成では最大90mまで可能)でなければなりません。この距離は、高LEL警報信号発生後に緊急バイパスダンパーが作動するための十分な機械的応答時間を確保し、爆発条件下で可燃性ガスがRTOセラミックベッドシステムに侵入するのを防ぎます。この距離を60m未満に短縮することは、安全規則違反となります。
炭鉱の超低濃度メタンガスおよび石油化学オフガスに対する再生式熱酸化装置の適用例。炭化水素蒸気濃度の比較、LELモニタリング付き3床式RTO、製油所廃水設備からの可燃性有機蒸気の安全処理のための防爆設計を示す。


03 — 治療溶液

4段階チェーン:アルカリ洗浄+水洗浄+バッファータンク+トリプルLELインターロック付き3ベッドRTO

この処理システムは、(1)可燃性、有毒性、爆発性の排ガス流の安全管理、および(2)99%を超える効率でのVOC分解という2つの要件を同時に満たす必要があります。これらの2つの要件は、システム設計の異なる側面を決定づけます。安全管理は、アルカリ洗浄、バッファータンク、3段階のLELモニタリング、防爆設計、および緊急バイパスを決定づけます。VOC分解は、800℃以上で95%を超える熱回収率を実現する3床式RTOの仕様を決定づけます。

ステージ1:有機ガスの前処理収集と分離

廃水処理槽および油ガス回収装置の排ガスから発生する有機ガスは、隔離前に前処理装置と防爆装置を通して前端で回収されます。防爆装置(防爆トラップとも呼ばれる)は、各発生源接続部に設置されており、RTOでの着火事象が回収マニホールドを通って廃水タンクの液面に逆流し、タンク火災や爆発を引き起こすのを防ぎます。すべての発生源接続部には隔離弁が取り付けられており、システム全体を停止することなく、個々のユニットを隔離してメンテナンスを行うことができます。

ステージ2:アルカリ洗浄(硫化水素および酸性ガスの除去)

中間誘引通風機で集められたガスはアルカリ洗浄システムに入り、酸性成分(主にH₂Sと存在するCO₂またはSO₂)を除去します。H₂SはRTOの前に除去する必要があります。理由は2つあります。(1) RTOでのH₂Sの燃焼によりSO₂が生成され、この設備の設計には含まれていない下流のFGDステージが必要になります。(2) H₂Sを含むガスは保守担当者にとって有毒であり、密閉空間への立ち入り手順が必要となるため、RTOセラミックベッドの検査プログラムが複雑になります。アルカリ洗浄塔は、ガスがバッファタンクに送られる前に、ミスト除去装置を介して洗浄プロセスで発生したミストを除去します。

ステージ3:バッファータンク+LELモニタリング(3対2投票方式)

アルカリ洗浄後、ガスは独自のLEL濃度モニターを備えたバッファタンクに入ります。バッファタンクは、次の2つの重要な機能を同時に果たします。(1) VOC濃度の急激な上昇を時間平均化し、RTOに入るガスの濃度が、短時間で大きく変動する可能性のある原料ガスよりも均一であることを保証します。(2) 高LEL事象が検出された際に、緊急バイパスシステムが正しく動作するために必要な応答時間容量を提供します。

共通収集マニホールドには、3台のLEL監視システムを2-of-3投票方式(3台が2台を選択する方式)で使用したトリプルLEL監視システムが設置されています。3つのLELセンサーのうち2つが同時に25% LEL閾値を超える値を読み取ると、緊急バイパスが自動的に作動します。この2-of-3投票方式により、安全性の冗長性(センサーが1つ故障してもインターロックが無効にならない)と誤報防止(センサーが1つ故障しても不要な生産停止が発生しない)の両方が確保されます。バッファタンクから緊急バイパスバルブまでのセンサーの最小応答距離は、十分な機械的作動時間を確保するために60mです。

異常事態(濃度が25% LELを超える場合)では、ガスは活性炭緊急バイパスを通って短時間大気放出(一時的な緊急措置)されます。通常事態では、ガスは3床式RTOファンに入り、熱酸化されます。

石油化学精製所のVOC除去のための3床式RTOプロセスフロー図。アルカリ洗浄前処理水洗浄バッファータンク(LELモニタリング付き)、3つのセラミック蓄熱床チャンバー、800度の燃焼室、活性炭安全システム付き緊急バイパスを示す。

ステージ4:800℃以上の3床式RTO

通常条件下では、前処理されたガス(H₂Sフリー、濃度緩衝処理済み、LEL 25%以下)が3床式RTOに流入します。RTOはガスを760℃以上(設計運転目標)まで加熱し、有機化合物を熱酸化してCO₂とH₂Oに変換します。RTOの前に蒸気予熱器が設置されており、VOC含有ガスの温度を上昇させ、部分凝縮によって水分含有量を低減し、VOC濃度を上昇させ、ガス中の高分子油状物質の濃度を低減することで、安全上の危険を引き起こす可能性のあるRTO入口マニホールドへの蓄積を防ぎます。

RTOは、標準的な3ベッドバルブ切り替えモードで動作します。1つのベッドは入口モード(予熱されたセラミックを通して流入ガスを予熱)、1つのベッドは出口モード(セラミックが冷却される間にガスを後処理)、そして1つのベッドはパージモード(ベッドが出口モードに移行する前に残留VOCを除去)で動作します。高温緊急バイパス(部分)は、燃焼室温度が最大運転限界を超えた場合に、煙突排出前に混合ボックスで混合することで高温シナリオに対応します。

廃水
タンク+オイル
回復
炎 ⭐
逮捕者
各ソース
アルカリ ⭐
洗う
H₂Sを除去する
バッファー ⭐
タンク
3×LEL
Steam ⭐
予熱
乾燥
3ベッドルームの賃貸物件 ⭐
760℃以上
>99% VOC
ミックスボックス
→ スタック
40mgのVOC

⭐ このプロジェクトにおける新規または安全上重要な機器。緊急バイパス(活性炭)は、安全事象発生時に高LELガスをRTOを迂回して大気中に放出します。

主要機器パラメータ

アイテム 仕様
RTO処理フロー 16,000 m³/h、入口温度≤30°C、設置面積25×15 m、重量60 t
破壊/熱効率 >99% / >95%
燃焼室滞留時間 1.2秒以上、酸化温度760℃以上
燃焼器定格 600,000 kcal/時
天然ガス(コールドスタート3時間) 71 m³/h (圧力: 0.03~0.06 MPa)
天然ガス(アイドル運転) 35 m³/h
冷間始動時のガス消費量 コールドスタートイベント1回あたり176 m³
システム圧力低下 3,000 Pa未満
ファンパワー 75 kW、5,000 Pa、φ600 mmダクト
LELモニタリング 3ユニット、2/3投票ロジック、25% LEL超での緊急バイパス
電気的分類 全体にExdIIBT4防爆仕様
年間電気料金(8,400時間) 324,240 kW·h、約197,786人民元/年(0.61人民元/kWh)
年間圧縮空気コスト 20 m³/時、約25,200人民元/年(0.15人民元/m³)
年間天然ガス費用(概算) 処理能力:25,200 m³/時、年間約37,800人民元(1.5人民元/m³)
年間凝縮蒸気コスト 処理能力:688,800 kg/時、年間約121,228人民元(1トンあたり176人民元)
年間生産用水コスト 年間1,260トン、約1,890人民元/年(1.5人民元/トン)

04 — 主な利点

石油化学精製所のVOC削減において、このアーキテクチャが最適なアプローチである5つの理由


  • RTO(再加熱装置)前のアルカリ洗浄により、H₂Sを除去し、燃焼室内でのSO₂発生を防止します。 製油所廃水排ガスには、前処理なしでRTOで燃焼させた場合、SO₂を高濃度で生成し、下流に石灰石・石膏を用いたFGD(排煙脱硫)工程が必要となる濃度に達します(これにより、設備投資と運転コストが大幅に増加します)。アルカリ洗浄は、RTO入口前にH₂Sを除去し、洗浄液中で硫化ナトリウムに変換します。これにより、酸性ガスによる複雑な問題が発生することなく、RTOの燃焼化学反応をクリーンに保ち(炭化水素 + O₂ → CO₂ + H₂Oのみ)、RTO後の脱硫装置が不要になります。

  • 2/3投票ロジックによるトリプルLELモニタリングは、安全性の冗長性と誤報耐性の両方を提供します。 単一センサーのLELインターロックには、2つの故障モードがあります。1つはセンサーの故障により安全インターロックが無効になる場合(危険)、もう1つはセンサーの誤動作により不要な生産停止が発生する場合(コストがかかる)です。3つのセンサーによる2/3投票方式では、これらの故障モードはどちらも排除されます。残りの2つのセンサーが常に一定の値を示すため、いずれかのセンサーが故障しても検出されます。また、他の2つのセンサーが閾値以下であるため、いずれかのセンサーが誤動作してもインターロックは作動しません。LELセンサーの校正ドリフトが運用上のリスクとして知られている石油化学精製所のような環境では、この投票方式が生命安全インターロックの最低限の許容構成となります。

  • アルカリ洗浄後のバッファータンクは、安全システムが要求する濃度時間平均化と応答時間を提供します。 製油所廃水処理における排ガス濃度は、異なる廃水流が処理される際や生物処理槽の活性が変動する際に、断続的に変化します。バッファタンクがない場合、あるタンクからのVOC濃度の急上昇は、発生源で急上昇が発生してから数秒以内にRTO入口に到達する可能性があります。バッファタンクの容量は、LEL監視システムが急上昇を検出し、制御ロジックが応答し、緊急バイパス弁が実際に作動するために必要な時間遅延を提供します。16,000 m³/hの流量では、最低60秒の応答時間が必要です。アルカリ洗浄塔も、この構成において二次バッファとして機能します。

  • RTO(熱回収装置)前の蒸気予熱は、高湿度、油分、高濃度のガスが抱える3つの課題に対処します。 製油所廃水排ガスの湿度とオイルミスト含有量は、RTOに特有の問題を引き起こします。(1) 高湿度により断熱火炎温度が低下し、補助燃料の消費量が増加します。(2) オイルミストがRTO入口マニホールドに凝縮・蓄積し、火災の危険性が生じます。(3) 高濃度の場合、燃焼室手前のRTOセラミックベッドで制御不能な発熱反応が発生する可能性があります。蒸気予熱は、相対湿度を低下させ(湿度を加えずにガス温度を上昇させることで)、オイルミスト残留物を揮発させ、燃焼ゾーンに入る有効VOC濃度を事前に希釈します。これは、印刷や製薬のRTO設備には見られない、石油化学特有の設計上の特徴です。

  • 石油化学プラント区域の分類には、ExdIIBT4防爆設計が必須です。 VOCの収集および処理システム全体は、ATEX指令2014/34/EUに基づき危険区域に分類されるエリアで稼働しています。すべての電気機器(ファンモーター、アクチュエータ、計器、照明、制御盤)は、グループIIBガス(ベンゼン系ガスおよび油ガス混合物を含む)に対して、ExdIIBT4以上の防爆等級の認証を取得している必要があります。石油化学プラントのVOC除去システムにおいて、標準定格の電気機器を使用することは、単なる規制違反にとどまらず、可燃性ガスをLEL(爆発下限濃度)に近い濃度で処理するように設計されたシステムにおいて、実際に発火の危険性を生じさせることになります。

05 — 業務実績

実証済み性能:VOC除去量99.5%、年間685トン削減

40 / 60
mg/Nm³ 実測値/制限値
NMHC — 99.5%が破壊されました
685トン/年
年間VOC削減量
検証済み
197,786
人民元/年 電気
合計324,240kWh
60トン
機器の重量
設置面積は25×15mです。

RTO装置のレイアウト(第2構成):25メートル×15メートルの設置面積を持つ3床式再生熱酸化装置、アルカリ洗浄前処理塔、水洗浄バッファータンク、蒸気予熱器、防爆ファンアセンブリを石油化学精製所のVOC除去設備に搭載。

年間運転コストの内訳(8,400運転時間):電力 324,240 kWh(0.61人民元/kWh)= 197,786人民元、圧縮空気 20 m³/h(0.15人民元/m³)= 25,200人民元、天然ガス(推定)1.5人民元/m³ = 37,800人民元、凝縮水蒸気 合計 688,800 kg(176人民元/t)= 121,228人民元、生産水 1,260 t(1.5人民元/t)= 1,890人民元。年間総運転コストは約 383,904人民元(約 38.4万人民元相当)です。これは製油所のVOC除去システムとしては非常に低い運転コストであり、小規模(16,000 m³/hに対し、製薬業界の場合は120,000 m³/h)であることと、VOCを多く含む原料を使用することでほぼ自己熱的なRTO運転が可能になっていることを反映している。


06 — 実施上の注意

石油化学プラントにおけるVOC削減のための6つの重要な安全および工学的教訓

  • 🚫
    システム入口におけるLEL濃度は、25% LELを超えてはならない。これは、生産継続性に関するあらゆる考慮事項よりも優先される、生命の安全に関する要件である。 緊急バイパスシステムは、2/3 LELインターロックが作動した際に、即座に自動的に起動する必要があります。プロセス制御室から、オペレーターが生産スループットを維持するためにLELインターロックをバイパスできるようなオーバーライド機能があってはなりません。インターロックロジックは、DCSの故障モードに関わらず独立して動作するように、ソフトウェアPLC機能ではなく、ハードワイヤードの安全リレー(IEC 61511に準拠したSIL定格)として実装する必要があります。緊急バイパスバルブの動作については、毎月機能テストを実施することが義務付けられています。
  • ⚠️
    バッファタンクから緊急バイパスバルブまでのファン応答距離(60m)は必ず確保してください。設置コストを節約するために収集マニホールドを短くしないでください。 60 m の最小距離は、美観上の好みではなく、安全工学上の要件です。φ600 mm のダクトで設計流量 16,000 m³/h の場合、ガス速度は約 15 m/s です。バッファタンクから緊急バイパスバルブまで 60 m の距離では、濃度スパイクが検出点からバイパスバルブに到達するまでの伝播時間は約 4 秒です。2-of-3 ロジック処理時間とバルブ作動時間 (約 2~3 秒) を加えると、応答時間の合計は約 6~7 秒になります。これは、石油化学 LEL 安全インターロックに許容される最小応答時間です。マニホールドを 60 m 未満に短縮すると、この安全マージンが最小値を下回ります。
  • ⚠️
    硫化水素やベンゼン化合物によるガス腐食性のため、あらゆる機器に最高レベルの防食性能が求められます。標準的な炭素鋼では1~2年以内に腐食が進行します。 硫化水素(炭素鋼の水素脆化や硫化物応力割れの原因となる)、ベンゼン系溶剤(標準的なエラストマーの膨潤や劣化の原因となる)、および高湿度の組み合わせにより、工業用排ガス処理において最も腐食性の高いガス環境の一つが形成されます。すべての収集マニホールド、アルカリ洗浄容器、バッファータンク、前処理装置、およびRTO入口マニホールドは、最低でも316Lステンレス鋼で製造し、大口径ダクトおよび容器にはFRPまたはガラスフレークエポキシライニングを施す必要があります。経験概要では、機器の耐用年数が運用上の課題として特に強調されています。ガスの腐食性が非常に高いため、最初から最高レベルの防食仕様を適用しない限り、機器の耐用年数は設計要件を満たしません。
  • ⚠️
    RTO入口マニホールドへの油性凝縮水の蓄積を防ぐため、蒸気予熱器の性能は最大湿度条件下で検証する必要があります。 蒸気予熱器は、製油所廃水排ガス中に存在する重油蒸気の露点以下に相対湿度を下げるために、ガス温度を十分に上昇させる必要があります。予熱器の容量が不足している場合、または冬季の寒冷時に蒸気供給圧力が低下すると、RTO入口の相対湿度が露点以上となり、入口マニホールド内で油の凝縮が発生する可能性があります。RTO入口マニホールド内に蓄積した油性凝縮液は、RTOが運転温度に達した際に自然発火し、内部火災の危険性があります。運転開始1年目から、RTO入口マニホールドの油の蓄積状況を毎月点検することをお勧めします。
  • ⚠️
    安定したガス組成を維持することが主要な運用上の課題であり、原料供給源と炉の運転を厳密に管理する必要がある。 経験概要では、2つの主要な運用リスクが明確に特定されています。(1) CO含有量の不安定性による制限値超過の急増、(2) 設計値を超えるピークを伴う水分および粉塵レベルの変動。対応策は、システムの運用安定性を維持するために原材料供給源を厳密に管理すること、安定したガス組成を確保するために炉(廃水処理)の運転を管理することです。これには、廃水処理運用チームとVOC処理システム運用担当者との積極的な連携が必要であり、計画されている廃水組成の変更については正式なコミュニケーションプロトコルが定められている必要があります。
  • ⚠️
    オペレーターの安全訓練を継続的に改善し、実際の運用経験を反映させるため、緊急時対応計画を改訂する。 石油化学プラントの運転者は、通常のRTO運転手順と、硫化水素放出、LEL超過、およびRTO過熱事象に対する緊急対応手順の両方を理解しておく必要があります。緊急対応計画は、実際の設置構成に合わせて常に最新の状態に維持する必要があります。収集システムの変更、新たな廃水源の追加、またはアルカリ洗浄液の化学組成の変更は、対応要件を変更する可能性があるためです。3つの緊急シナリオ(硫化水素放出、LEL超過、RTO過熱)すべてを網羅した年次緊急対応訓練を、事象発生時に勤務している可能性のあるすべての運転者を対象に実施する必要があります。

07 — エンジニアリングの要点

この石油化学プラントにおけるVOC削減プロジェクトから得られた4つの教訓

  • !
    安全設計(アルカリ洗浄+緩衝液+三重LEL+ExdIIBT4設計)は、石油化学RTO用途におけるコンプライアンス上の負担ではなく、設備の実現可能性を左右するエンジニアリング基盤です。 印刷や製薬分野のRTOアプリケーションでは、安全対策は重要ではあるものの、主な目的は排出基準への準拠であるのに対し、石油化学分野のRTOアプリケーションでは、真に爆発の危険性がある環境下での安全な操業が主な目的となっています。アルカリ洗浄は、最も危険な化合物(H₂S)がRTOに到達する前に除去し、バッファータンクは安全システムに必要な応答時間を提供し、トリプルLELインターロックは爆発性混合物がRTOに流入するのを防ぎ、ExdIIBT4分類は電気着火を防ぎます。これらのいずれかが欠けている場合、CEMSデータが何を示していても、設備は安全ではありません。
  • 2
    H₂S除去のためのRTO前でのアルカリ洗浄は、下流のFGDの必要性をなくし、代替案と比較してシステム全体を大幅に簡素化し、コストを削減します。 硫化水素(H₂S)を含む石油化学排ガスをRTO(逆熱酸化装置)に直接送ると、燃焼反応によって二酸化硫黄(SO₂)が発生し、下流に石灰石・石膏を用いた排煙脱硫(FGD)工程が必要となります(RTOコストの30~40%に相当する設備投資と、継続的な石灰石試薬コストが加算されます)。アルカリ洗浄は、硫化水素を発生源で捕捉し、SO₂の発生を防ぎます。この工程の設備投資は、RTOコストの約10~15%と、継続的な水酸化ナトリウム(NaOH)試薬コストです。硫化水素が存在する石油化学用途においては、ほとんどの場合、RTOの前にアルカリ洗浄を行う方が経済的に優れています。
  • 3
    蒸気予熱は、湿度と油性凝縮水に同時に対処するための石油化学特有の設計機能であり、印刷や医薬品のRTO用途には見られない。 製油所廃水排ガスの湿度とオイルミスト含有量は、印刷(乾燥した溶剤蒸気)や医薬品(比較的オイル含有量が低い)の用途にはない問題を引き起こします。RTO の前の蒸気予熱は、石油化学用途向けに特別に開発された解決策です。これにより、相対湿度が同時に低下し、オイルミストが RTO マニホールド内で凝縮する前に揮発し、ガス温度を RTO 入口の要求温度まで上昇させることができます。印刷または医薬品用途向けに RTO システムを設計しているエンジニアが、石油化学用途向けに設計を変更するよう求められた場合、蒸気予熱器を必須の変更として追加する必要があります。
  • 4
    処理能力16,000 m³/h、NMHC濃度8,000 mg/Nm³の場合、年間運転コストは約3840万人民元となり、調査対象となった23件の事例研究の中で最も低い部類に入る。 この設備では、小規模(他のケースでは60,000~120,000 m³/hに対し、16,000 m³/h)かつ高濃度の入口VOC(補助燃料なしで自己熱運転に近い)の組み合わせにより、運転コストが非常に低く抑えられています。VOCを豊富に含む製油所廃水排ガスはエネルギー密度が高く、8,000 mg/Nm³ NMHCのVOCストリーム中の化学エネルギーは、通常の生産時に補助天然ガスなしでRTO燃焼室の温度を維持するのに十分であるため、ファンの電気代(197,786人民元/年)が主なコスト項目となっています。

08 — よくある質問

石油化学精製所におけるVOC(揮発性有機化合物)のRTO(還元型酸化処理)による削減:10の質問への回答

EU IED / オランダ ATEX / Omgevingswet の要件に基づき、アルカリ洗浄 + RTO VOC 除去システムを計画している石油精製所、石油化学プラント、エネルギー化学プラントの HSE マネージャー、プロセス エンジニア、環境許可チームからの質問。

Q1. 印刷や医薬品用途では必要ないのに、石油化学用途では特にRTOの前にアルカリ洗浄が必要なのはなぜですか?
石油化学RTOの前段でアルカリ洗浄が必要なのは、石油化学の排ガスにはH₂S(硫化水素)が含まれているためです。H₂Sは印刷や医薬品用途には存在しません。RTOでH₂Sが燃焼すると、SO₂(二酸化硫黄)が生成されます:2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂O。下流にFGDがない場合、このSO₂は二酸化硫黄のEU IED許可限度を超える濃度で大気中に放出されます。RTOの下流にFGDを設置すると、多額の設備投資と継続的な石灰石/NaOH試薬コストが発生します。アルカリ洗浄はRTO入口の手前でH₂Sを捕捉し(NaOH + H₂S → NaHS + H₂O)、RTOの燃焼化学をクリーンに保ち、下流での脱硫の必要性をなくします。医薬品RTO前段の水洗浄は、石油化学用途には存在しない化合物群である医薬品合成排ガスから水溶性有機物と酸性ガスを除去するという、異なる目的を果たします。
Q2. 石油化学精製所からのVOC排出には、オランダおよびEUのどのような規制枠組みが適用されますか?
オランダの石油精製所および大規模石油化学コンプレックスは、精製部門および大規模VOC排出部門の主要産業施設として、EU IED 2010/75/EU の規制を受けています。精製所 BREF の適用可能な BAT 結論では、総 VOC、ベンゼン、H₂S (煙突での SO₂ 相当値)、およびその他の規制対象化合物の排出制限値が設定されています。オランダの許可は Omgevingswet に基づいて発行され、Omgevingsdienst によるサイト固有の制限が適用されます。ATEX 指令 2014/34/EU は、精製所内のすべての爆発性雰囲気ゾーンに適用され、ゾーン分類と防爆機器の設置が義務付けられています。LEL 監視および安全インターロックシステムは、リスク評価の結果に応じて、SIL 1 または SIL 2 (IEC 61511 に基づく安全度水準) に設計する必要があります。 CEMSは、EN 12619(VOCのFID)およびEN 14181(QAL1/QAL2/AST)の認証を取得する必要があります。オランダの建築性能基準NTA 8800に基づき、住宅地に近い製薬・化学工場は、追加の大気質モニタリング要件を満たす必要があります。
Q3. LELインターロックが作動するとどうなりますか?システムはどのように反応し、再起動にはどれくらい時間がかかりますか?
2-of-3 LEL インターロックが作動すると (3 つのセンサーのうち 2 つが同時に 25% LEL を超える値を読み取る場合): (1) 緊急バイパスバルブが開き、高濃度のガス流を活性炭緊急バイパス (短時間の場合) または緊急煙突を介して大気に迂回します。(2) RTO 入口隔離バルブが閉じ、可燃性ガスが RTO に入るのを防ぎます。(3) RTO は希釈空気 (外気パージ) で運転を続け、セラミックベッドの温度を維持します。(4) 制御室のオペレーターに、トリガーとなったセンサーの識別情報と測定された濃度が直ちに通知されます。LEL イベント後に通常の運転を再開するには: (1) 濃度スパイクの原因 (通常は有機負荷が異常に高い廃水タンク 1 つ) を特定して修正します。(2) 3 つのセンサーすべてで LEL が 25% 未満であることを確認します。(3) RTO 入口バルブを徐々に開き、濃度が安定していることを確認します。 (4)許可要件に従って、安全記録に事象を記録する。
Q4. アルカリ洗浄(NaOH)の管理は、医薬品の苛性洗浄とどのように異なりますか?
石油化学におけるRTO前アルカリ洗浄と医薬品におけるRTO後苛性洗浄は、除去機能が異なるため、管理方法も異なります。石油化学用途では、アルカリ洗浄はRTO前に存在するH₂S(NaHSを生成)およびSO₂またはCO₂を除去します。NaHSを含む洗浄液は有毒廃水に分類され、それに応じて管理する必要があります。通常の工業排水に廃棄することはできません。医薬品用途では、苛性洗浄はRTO後にRTO燃焼によって生成されたHCl(NaClを生成)を除去します。NaCl洗浄液は比較的無害であり、通常は医薬品廃水処理システムに送ることができます。共通の設計原則:どちらも自動NaOH注入による連続pHモニタリングが必要であり、どちらも最低72時間の自律運転のために十分なNaOH貯蔵が必要であり、どちらも耐腐食性(ポリプロピレンまたはFRP)容器構造が必要です。
Q5. 蒸気予熱器の目的は何ですか?また、設備投資コストを削減するために省略することは可能ですか?
蒸気予熱器は省略できません。蒸気予熱器は、石油化学RTOの信頼性の高い運転に必要な3つの機能を同時に果たします。(1) 湿度低減 - 相対湿度が60%の場合、流入ガスには十分な水蒸気が含まれているため、乾燥ガスと比較してRTO燃焼室の温度が大幅に抑制され、補助燃料の消費量が増加し、VOCの有効分解効率が低下します。蒸気予熱によりガスの温度が上昇し、RTO入口での相対湿度が低下します。(2) オイルミストの除去 - 製油所廃水オフガスには、周囲温度でRTO入口マニホールド内で凝縮するオイルエアロゾルミストが含まれており、RTOが加熱されると火災の危険性があります。蒸気予熱により、このミストがマニホールドに到達する前に揮発します。(3) 濃度管理 - NMHCのピークが8,000 mg/Nm³の場合、VOC濃度はセラミックベッド予熱ゾーンの自己熱閾値を超えており、燃焼室前のベッドで制御不能な発熱反応の危険性があります。蒸気予熱は、セラミックベッド入口における有効濃度を制御します。蒸気予熱器を省略すると、油の蓄積による火災リスク、燃焼温度制御の不安定化、およびセラミックベッドの損傷といった問題が生じます。蒸気コスト(年間約121,228人民元)は、これらの安全性と信頼性の向上というメリットによって正当化されます。
Q6. ExdIIBT4防爆分類とはどういう意味で、なぜこの分類がここに適用されるのですか?
ExdIIBT4 は ATEX 防爆機器の分類です。Ex = 防爆型、d = 耐火性筐体保護コンセプト (筐体は、外部大気に伝播することなく内部発火に耐えることができます)、IIB = 機器グループ IIB、最大実験安全ギャップ (MESG) が 0.45 mm ~ 0.85 mm のガスに適しています (水素、エチレン、および多くの石油化学溶剤が含まれます。IIA ではこれらのガスには不十分です)、T4 = 最大表面温度クラス 135°C (存在するガスの自己発火温度以下)。石油化学 VOC 除去システムは、サイトの ATEX ゾーン図で分類されているゾーン 1 またはゾーン 2 の危険区域内またはその隣接区域で稼働します。これらのゾーン内のすべての電気機器は、適切な ATEX 認証を取得している必要があります。 IIB温度クラスT4が指定されているのは、ベンゼン(自己発火温度498℃)とH₂S(自己発火温度260℃)が存在するためであり、T4(表面温度制限135℃)は両方に対して十分な安全マージンを提供する。
Q7. 廃水処理場からのガス組成の変動は、安定したRTO性能を確保するためにどのように管理されていますか?
変動管理チェーンには次の 3 つの要素があります。(1) 発生源制御 — 廃水処理オペレーション チームは、廃水供給組成の計画変更 (新しいプロセス廃水ストリーム、生物処理の投与量の変更など) の前に VOC 処理チームに通知する必要があります。予告なしの組成変更により予期しない VOC スパイクが発生すると、運転不安定性の主な原因となります。(2) バッファ タンク平均化 — アルカリ洗浄後のバッファ タンクは、濃度変動の時間平均化を提供します。設計条件で 3 ~ 5 分間のガス流量に対応するタンク容量により、短時間のスパイクが平滑化され、制御システムが持続的な高濃度イベントに対応できるようになります。(3) DCS 統合燃焼温度管理 — RTO バーナー制御システムは、燃焼室温度の変化 (VOC 熱放出の変化の代理指標) に自動的に対応し、バーナーの燃焼率を調整します。このフィードバック ループは、燃焼温度測定の応答時間 (通常 10 ~ 30 秒) 内に VOC 濃度の変化を補償します。
Q8. オランダの許可条件の下で、石油化学プラントのVOC削減システムにはどのようなCEMSモニタリングが必要ですか?
オランダの石油化学精製所のVOC削減に関する環境許可条件:煙突での総VOC(FID、連続、EN 12619);煙突でのベンゼン(定期サンプリング、認定ラボ、最低2回/年);アルカリ洗浄出口でのH₂S(連続、アルカリ洗浄性能の指標として);煙突でのSO₂(連続または定期、アルカリ洗浄が失敗した場合、H₂Sの燃焼によりSO₂が発生するため);RTO出口でのCO(連続、不完全燃焼の指標として);RTO燃焼室温度(連続、760°C以上を確認);流量とO₂(連続、基準補正用)。収集マニホールドの3箇所でのLEL(連続、安全上重要)。すべての環境CEMSはEN 14181の認証を取得する必要があります。LELモニタリングは安全上重要な機器として分類され、EU IED CEMS規格だけでなく、機能安全規格(IEC 61511/61508)の対象となります。認定された校正用ガス混合物を用いた3つのLELセンサーすべての年次校正は義務付けられています。
Q9. この石油化学プラントは、コークス製造業や炭鉱ガスRTO(逆酸化装置)の用途とどのように異なりますか?
これら3つの用途(石油化学、コークス製造、炭鉱ガス)は、防爆設計とLEL管理という基本的な要件を共有していますが、ガスの組成と濃度管理のアプローチが異なります。コークス製造産業のオフガス(コークス炉ガスとタール製品由来)には、軽いベンゼン系化合物に加えて、より重い多環芳香族炭化水素(PAH)が含まれています。これらのPAH化合物は、PAHの凝縮と汚染のため、より高いRTO燃焼温度(多くの場合850~900℃)とより積極的なセラミックベッドのメンテナンスを必要とします。炭鉱の低濃度メタンガス用途では、標準的なRTO設計範囲を下回る極めて希薄なメタン・空気混合物(<1% CH₄)が使用され、特殊な触媒酸化または無炎酸化技術が必要です。ここで説明する石油化学廃水オフガス用途は、これら2つのケースの中間に位置します。炭鉱ガスよりは濃度が高いものの、コークス製造オフガスよりは重質PAHの含有量が少ないため、760℃以上の標準的な3ベッドRTOが適切な技術選択となります。
Q10. 石油化学廃水排ガス処理用のアルカリ洗浄+RTOシステムの参考設備で、現場見学が可能なものはありますか?
はい。本事例研究で紹介したアルカリ洗浄+水洗浄+バッファータンク+3床式RTOシステムは、石油精製所および石油化学プラントの廃水処理における排ガス浄化用途に導入されています。資格要件を満たす見込み顧客様には、検証済みのCEMS準拠データ、LELイベント記録(安全インターロックが正しく機能したことを示す)、アルカリ洗浄性能データ(H₂S除去効率を確認)、および蒸気予熱器メンテナンスプログラムの運用文書へのアクセスを含む、参考サイトへの訪問を手配いたします。参考資料のご請求は、下記の連絡先リンクをご利用ください。

石油化学精製所のVOC(揮発性有機化合物)に関する課題を安全に解決する準備はできていますか?

再生式熱酸化ソリューションの全ラインナップをご覧ください

から 3床RTOシステム 石油化学精製所のVOC削減のための防爆設計から、あらゆる産業排出ガス制御ソリューションまで、当社のエンジニアリングチームは、危険区域での使用に求められる安全構造を備えた、EU IED準拠システムを提供します。

本事例研究は、石油精製・石油化学プラントにおける廃水処理、特に排ガス中のVOC(揮発性有機化合物)除去を目的とした、アルカリ洗浄前処理と3床式RTO(逆酸化炉)技術の実例に基づいています。技術パラメータは、検証済みのエンジニアリング記録から抽出されています。安全アーキテクチャの詳細は、同様のシステムを設計するエンジニアの参考となるよう提供されています。規制に関する参照事項は、EU産業排出指令2010/75/EU、ATEX指令2014/34/EU、およびオランダで適用される環境規制(Omgevingswet)の枠組みを反映しています。