涂料行業(yè)工業(yè)廢氣處理方法研究及其工程應(yīng)用

王翔 李蓓智

東華大學(xué)機械工程學(xué)院 （上海 201620）

化工生產(chǎn)過程對環(huán)境的污染主要包括兩個方面：一是生產(chǎn)過程中的無組織排放；二是由于有組織排放設(shè)施自身的缺陷，導(dǎo)致廢氣得不到有效處理并直接排放進入大氣，造成對周圍環(huán)境的污染。

有機廢氣是一種對人和環(huán)境都有害的氣態(tài)污染物，是城市周邊地區(qū)光化學(xué)煙霧形成的主要原因之一。它主要來源于涂料、合成樹脂等化工廠生產(chǎn)作業(yè)過程，其主要成分是揮發(fā)性有機物（VOCs）。

涂料在制造、施工、干燥、固化成膜過程中，向空氣中散發(fā)一定量的VOCs，盡管涂料正朝低污染、無公害的方向發(fā)展，目前水性化、粉末化、無溶劑化等環(huán)境友好型涂料占全球總產(chǎn)量的70%以上，但廢氣處理一直是各大涂料制造企業(yè)不可回避的難題。根據(jù)全國VOCs廢氣排放標準表，目前的VOC排放要求低于50 mg/m3。

為實現(xiàn)涂料行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，涂料生產(chǎn)廠家不斷尋求VOCs減排的措施和技術(shù)手段，并不斷改進。A涂料生產(chǎn)廠于2014年開始投入資金進行環(huán)保型涂料生產(chǎn)線的改造，2015年加大轉(zhuǎn)型力度，重點生產(chǎn)環(huán)保型涂料。從2015年下半年開始，逐步實施VOCs減排措施并持續(xù)改進，如反應(yīng)過程蒸發(fā)溶劑冷凝回收實現(xiàn)綠色生產(chǎn)、在反應(yīng)罐與加料罐間增加平衡管線避免廢氣溢出、對儲罐防泄漏系統(tǒng)進行優(yōu)化等。本文主要介紹A廠廢氣處理系統(tǒng)的優(yōu)化。

A廠VOCs排放的主要環(huán)節(jié)包括儲罐日常加料與存儲過程中的排放、攪拌釜加料與攪拌過程中的排放、產(chǎn)品灌裝過程中的排放等。廠區(qū)廢氣排放系統(tǒng)主要有兩個：（1）生產(chǎn)過程廢氣收集處理系統(tǒng)，主要處理生產(chǎn)過程中的高濃度低流量廢氣；（2）投料過程廢氣處理系統(tǒng)，主要特征是處理的廢氣濃度低、排放量大。環(huán)保部門要求一廠一排放，以方便政府部門對廢氣排放進行監(jiān)測，同時也為后期對所有排放口安裝遠程監(jiān)控設(shè)備作準備。

對廢氣收集系統(tǒng)的整合改造主要包括：（1）對原車間內(nèi)各投料罐直接對外排放的管道進行整合，將抽風系統(tǒng)接入一樓洗滌塔抽風系統(tǒng)；（2）將四樓投料站抽風系統(tǒng)合并到一樓洗滌塔抽風系統(tǒng)；（3）將一樓包裝線抽風系統(tǒng)合并到洗滌塔抽風系統(tǒng)，粉塵通過洗滌塔沉淀后與堿液殘液一起定期處理。

工藝管線抽風排放系統(tǒng)與包裝投料抽風系統(tǒng)合并后產(chǎn)生一個比較嚴重的問題，抽風管線需要大風量，不得不開啟洗滌塔系統(tǒng)后功率為4 kW，風量為2 000 m3/h的風機。開啟風機后出現(xiàn)2個問題：（1）原反應(yīng)罐中部分氣體被抽入廢氣處理系統(tǒng)，增加了廢氣處理系統(tǒng)的負荷；（2）當洗滌塔系統(tǒng)飽和時會將洗滌塔內(nèi)吸附飽和的溶劑抽出，使得廢氣處理末端的活性炭快速飽和，增加廢氣處理費用。為解決上述問題，對廢氣處理系統(tǒng)進行優(yōu)化。

1 合并投料吸風系統(tǒng)和反應(yīng)釜工藝過程抽風系統(tǒng)

投料吸風罩抽風系統(tǒng)與生產(chǎn)工藝過程呼吸閥排風系統(tǒng)合并后廢氣濃度急劇升高。在增大風量前，原先工藝管道中的VOCs只會在投料及反應(yīng)過程中被抽出。由于罐內(nèi)部物料平衡被呼吸閥排放口后部增大的抽風量打破，因此呼吸閥開啟時，大量高濃度廢氣瞬間被排出罐外。這部分額外抽出的廢氣大大增加了原有廢氣處理系統(tǒng)的處理負荷。通過對現(xiàn)有抽風量進行記錄，設(shè)計出兩套方案。

第一套方案是在每個呼吸閥后方增加一套與投料抽風系統(tǒng)相似的圓筒形抽風系統(tǒng)，對呼吸閥周圍進行不間斷抽風，但是由于生產(chǎn)線上每個儲罐都有一套呼吸閥，數(shù)量繁多，現(xiàn)有抽風量不能滿足所有儲罐上方安裝獨立抽風罩的需求。

第二套方案是將所有呼吸閥連接到抽風總管，然后在工藝廢氣排放系統(tǒng)合并的總管與投料系統(tǒng)總抽風管分叉合并處制作吸風罩式套管。該形式不主動將廢氣抽出，只保持工藝廢氣抽風總管有50 MPa的負壓，確保廢氣系統(tǒng)不會強行抽入過多的生產(chǎn)工藝廢氣。由于該方案未將廢氣主動抽出，造成VOCs氣體在抽氣管道內(nèi)聚集，導(dǎo)致各罐呼吸閥至廢氣處理站的支管及總管內(nèi)積存廢氣，廢氣排放管道將成為易燃氣體管道，所以需在所有廢氣排放管道上重新標識“易燃氣體”字樣。

由于投料系統(tǒng)需要大風量，故開啟一樓2 000 m3/h大風量抽風機。如果直接在投料抽風系統(tǒng)主管上開孔作為工藝抽風系統(tǒng)抽風管，將大大增加投料吸風罩抽風系統(tǒng)的負荷，因此仍然啟用二樓工藝抽風系統(tǒng)25 m3/min的風機，其風管順流向插入投料系統(tǒng)抽風總管，不影響投料吸風罩抽風系統(tǒng)的風量。具體見圖1。

2 廢氣預(yù)冷凝，提前收集廢氣中的溶劑

洗滌塔加活性炭處理系統(tǒng)可以輕松處理低流量、高濃度工藝廢氣，大部分廢氣在洗滌塔中被中和，經(jīng)過洗滌塔的剩余廢氣最后通過活性炭進行吸附處理，處理后可以直接排放入大氣中。目前，由于原洗滌塔系統(tǒng)接入投料斗抽風系統(tǒng)，不得不開啟一樓2000 m3/h的大風量風機。投料吸風系統(tǒng)與工藝過程抽風系統(tǒng)合并前，廢氣可以充分在洗滌塔中與堿液中和，然后通過后方活性炭罐。但是洗滌塔后方風機開啟后，不但廢氣不能充分與洗滌塔中堿液進行中和，而且當洗滌塔系統(tǒng)飽和時，大風機抽風量會將洗滌塔內(nèi)吸附的廢氣抽出，使得廢氣處理末端的活性炭快速飽和。因此，不得不引進新設(shè)備對現(xiàn)有廢氣處理工藝進行改造。

圖1 工藝廢氣抽風總管接入抽風機口處改造圖

首先，要處理廢氣系統(tǒng)中的溶劑性VOCs濕氣。由于A工廠投料及工藝廢氣系統(tǒng)所抽的原料主要是各種溶劑等液體原料，若不在洗滌塔前部增加除濕裝置，含有溶劑的廢氣很快會使洗滌塔內(nèi)的堿液飽和。

其次，洗滌塔后大功率風機的開啟導(dǎo)致洗滌塔內(nèi)含堿液濕氣的廢氣大量析出，不但使后端廢氣濃度升高，而且會使末端活性炭系統(tǒng)潤濕，進而使活性炭吸附能力大大降低。

對于以上條件，首先需要解決的問題是在洗滌塔前增加前置除濕裝置。改造過程中選擇冷凝除濕方式，廢氣在經(jīng)過冷凝器后進入殘液收集口，然后再進入洗滌塔。殘液由重力沉降進入殘液收集槽，由專人定期進行收集排放。廢氣系統(tǒng)前端增加冷凝器后，由于急速對含溶劑廢氣進行冷凝，會產(chǎn)生過凝溢出、結(jié)晶現(xiàn)象，因此需要用蒸汽定期對洗滌塔中的結(jié)晶物質(zhì)進行反沖清洗。

3 采用低溫等離子廢氣處理系統(tǒng)

低溫等離子降解氣態(tài)污染物的機理是：首先，高能電子直接進攻有機污染物，通過碰撞將能量轉(zhuǎn)移到污染物的分子或原子中，獲得能量的分子或原子被激發(fā)，部分分子會被電離為活性基團；其次，活性基團從高能激發(fā)態(tài)向下躍遷，會產(chǎn)生紫外光子，其直接與有害氣體進行反應(yīng)，使得氣體分子鍵斷裂得以降解；最后，活性粒子可直接降解氣態(tài)污染物，它與其他分子作用產(chǎn)生新的自由基和激發(fā)物質(zhì)，可進一步降解低相對分子質(zhì)量的酸等化合物。

A廠實際生產(chǎn)過程中，需要及時處理大流量、低濃度的廢氣，不得不引入輔助廢氣處理設(shè)備。經(jīng)過多方案比選，最后選用低溫等離子廢氣處理設(shè)備對洗滌塔后廢氣進行處理。

A廠主要有害污染物是甲苯和二甲苯，故低溫等離子設(shè)備匹配計算以甲苯、二甲苯計，具體如表1所示。

表1 廢氣主要污染物及其性能

經(jīng)計算可知：甲苯與氧氣反應(yīng)的物質(zhì)的量比為1∶9，相對分子質(zhì)量之比為 23∶36；二甲苯與氧氣反應(yīng)的物質(zhì)的量比為2∶21，相對分子質(zhì)量之比為53∶84。同理可知：甲苯與臭氧反應(yīng)的物質(zhì)的量比為1∶6，相對分子質(zhì)量之比為23∶72；二甲苯與臭氧反應(yīng)的物質(zhì)的量比為1∶7，相對分子質(zhì)量之比為53∶168。甲苯中C6H5CH2—H與C6H5—CH3的鍵能分別為317和414 eV，而苯環(huán)中的C—H和C—C鍵能分別是419和510～513 eV，由此可見，C6H5CH2—H 最易被氧化。

綜上所述：23 g甲苯與72 g臭氧進行反應(yīng)生成無害物質(zhì)，而53 g二甲苯與168 g臭氧進行反應(yīng)生成無害物質(zhì)。實際匹配過程一般按照理論量的1.5倍配置低溫等離子設(shè)備，以保證處理效率。該方案所匹配的防爆型CD-AOI低溫等離子設(shè)備的等離子產(chǎn)生量（以臭氧計）為300 g/h，而管道測得風量為80 m3/h，最高質(zhì)量濃度為800 mg/m3,即每小時約產(chǎn)生70 g污染物。可見，所選設(shè)備完全能夠滿足廢氣處理需求。

4 升級整合廢氣處理系統(tǒng)實現(xiàn)減排目標

增加低溫等離子設(shè)備后，排放系統(tǒng)廢氣質(zhì)量濃度得到有效控制?？紤]到洗滌塔后廢氣的濕度較高，故增加活性炭罐（一用一備）對廢氣進行除濕處理，操作人員定期打開活性炭罐底部的排放閥排出并收集殘液。

同時培訓(xùn)操作人員定期監(jiān)測總排放口廢氣質(zhì)量濃度，當梅思安VOCs測試儀測得的廢氣質(zhì)量濃度大于50 mg/m3時，切換備用活性炭收集罐，對主活性炭收集罐內(nèi)的活性炭進行更換。除了嚴格控制總排放口廢氣排放質(zhì)量濃度外，還請環(huán)保部認可的第三方檢測機構(gòu)——華測檢測認證集團股份有限公司，每月對廢氣排放質(zhì)量濃度進行抽查，最終確保改造后廢氣排放濃度符合法律法規(guī)要求。

整套廢氣處理系統(tǒng)改造后，經(jīng)過廠內(nèi)工程師多次現(xiàn)場測量，并對系統(tǒng)進行改進，最終使廢氣排放質(zhì)量濃度達標，通過“一廠一方案”審核，并申請了減排政府補貼。

表2 增加低溫等離子設(shè)備后合并排放口污染物排放情況

5 結(jié)語

本文通過工藝優(yōu)化、設(shè)備投入、對現(xiàn)有廢氣處理設(shè)施進行整合改進等措施最終使A廠廢氣排放達到國內(nèi)相應(yīng)標準的要求。根據(jù)一廠一方案要求，將投料抽風系統(tǒng)和物料反應(yīng)釜工藝呼吸系統(tǒng)合并，同時根據(jù)所測合并后廢氣質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)對廢氣處理系統(tǒng)進行優(yōu)化改造：對廢氣中含溶劑的濕廢氣進行除濕處理；在堿液洗滌塔后增加除濕罐，對洗滌塔中出來的含濕氣廢氣作進一步除濕處理；增加低溫等離子設(shè)備對大風量、低質(zhì)量濃度廢氣進行降VOCs處理；增加活性炭系統(tǒng)。通過對廢氣處理系統(tǒng)的升級改造，最終確保排出到周圍大氣環(huán)境中的廢氣完全符合排放標準的要求。