化工企業(yè)活性炭吸附-蒸汽脫附回收廢氣中二氯乙烷實(shí)例分析

李 超，王竹槽，王志良

（1.江蘇齊清環(huán)境科技有限公司；2.江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院江蘇省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210036）

近年來(lái)，農(nóng)藥廠等化工企業(yè)廢氣排放引起的群眾投訴日益增多，政府對(duì)生態(tài)文明建設(shè)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)報(bào)以堅(jiān)定態(tài)度和堅(jiān)強(qiáng)決心，導(dǎo)致大量工廠停產(chǎn)整頓甚至關(guān)停。因此，如何更加有效地控制廢氣污染是農(nóng)藥企業(yè)急需解決的問(wèn)題[1-2]。

有機(jī)溶劑回收再利用擁有生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保三種效果?，F(xiàn)在一般使用膜分離法、吸附法、吸收法和冷凝法等回收VOCs[3]。冷凝法是通過(guò)降溫或者加壓的方式把VOCs從氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，如果要得到更好的回收率，系統(tǒng)需要擁有較低的溫度和較高的壓力，設(shè)備費(fèi)用大大提升，并且冷凝后的不凝氣難以達(dá)到環(huán)境排放的要求，通常需要和其他凈化工藝一起使用。吸收法一般利用的是大多數(shù)油類物質(zhì)與有機(jī)廢氣相似相溶的特點(diǎn)，把低蒸氣壓與高沸點(diǎn)的油類當(dāng)作吸收劑來(lái)獲取廢氣中的有機(jī)物。該種方式對(duì)于吸收劑有著較高的要求，并且吸收劑的進(jìn)一步處理與回收也極大地局限了它的發(fā)展。膜分離法是一種全新的分離技術(shù)，它利用聚合物膜對(duì)有機(jī)物的選擇滲透性，相比于空氣，其對(duì)有機(jī)蒸汽更容易滲透10～100倍，進(jìn)而能夠達(dá)到有機(jī)物的分離。單級(jí)膜由于分離程度較低，無(wú)法達(dá)到分離的條件，并且多級(jí)膜分離系統(tǒng)會(huì)極大地提升設(shè)備投資。

相比其他技術(shù)，吸附法早已應(yīng)用于石油化工企業(yè)的有機(jī)廢氣處理，活性炭作為吸附法的一種吸附劑，正獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。活性炭吸附主要有以下特點(diǎn)：脫附和吸附能夠多次循環(huán)，吸附劑能夠長(zhǎng)時(shí)間使用；活性炭的比表面積較大，是一種弱極性物質(zhì)，可以較好地吸附有機(jī)溶劑，但是對(duì)水一類的極性物質(zhì)吸附性則較弱，所以能夠通過(guò)水蒸氣再生；不需使用深冷、高壓等技術(shù)，因?yàn)槠渚S護(hù)簡(jiǎn)單，操作費(fèi)用很低；能夠?qū)^低濃度的VOCs產(chǎn)生較好的吸附作用[4-7]。隨著工藝與吸附設(shè)備的飛速發(fā)展，活性炭吸附VOCs的方式已經(jīng)得到了廣泛的使用，本文為此展開探究。

1 產(chǎn)污過(guò)程及情況分析

該農(nóng)藥中間體企業(yè)主要生產(chǎn)鄰甲酰異丙氨基-N-磺基苯胺，基本的生產(chǎn)工藝有水解、蒸餾、離心等，用到的原輔料有鄰苯二甲酰亞胺、鹽酸、酸酐、二氯乙烷、2-甲基吡啶等，其中有機(jī)溶劑為二氯乙烷。調(diào)查結(jié)果顯示，廢氣的處理與收集主要存在以下不足：由于二氯乙烷沒有較好的水溶性，當(dāng)前的吸收方法難以對(duì)其產(chǎn)生作用，使得排放不達(dá)標(biāo)；雖然多級(jí)堿吸收與水吸收對(duì)SO3等酸性物質(zhì)具有較好的凈化作用，但堿吸收凈化塔沒有根據(jù)對(duì)應(yīng)要求設(shè)置pH在線監(jiān)控方法，吸收液如果飽和后沒有立即進(jìn)行更換，就會(huì)使得吸收的效果很差；冷凝能夠回收絕大多數(shù)的溶劑，但因?yàn)槎纫彝榈姆悬c(diǎn)較低，如果只是使用常溫水冷凝的方式進(jìn)行回收，則效果就會(huì)降低。

2 顆?；钚蕴课交厥展に?/h2>

活性炭顆粒（Granular Activated Carbon，GAC）作為多孔性吸附劑，是一種由碳質(zhì)原料經(jīng)炭化、活化后微細(xì)石墨狀微晶和碳?xì)浠衔飿?gòu)成的非結(jié)晶性物質(zhì)。在物理結(jié)構(gòu)上，活性炭由微孔、中孔、大孔構(gòu)成，在總體積中，孔隙的結(jié)構(gòu)超過(guò)80%。大多數(shù)微孔的孔徑不超過(guò)4nm，中孔最小為4nm，最大則能夠達(dá)到100nm，大孔直徑則都超過(guò)100nm。在吸附時(shí)，較小的分子利用過(guò)渡孔達(dá)到微孔，較大的分子則吸附在大孔上。正由于活性炭有著較好的微孔結(jié)構(gòu)，因此其比表面積較大。由于碳固體表面原子具有不飽和性，其能夠通過(guò)化學(xué)方式與碳成分之外的原子與原子基團(tuán)結(jié)合，構(gòu)成多種表面功能基團(tuán)，讓活性炭形成多樣化的吸附特性。這些官能團(tuán)主要是含氧官能團(tuán)，如羥基、羧基、羰基和內(nèi)酯基等。除此之外，其亦具有機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)與熱穩(wěn)定性良好、反復(fù)再生和造價(jià)低等特點(diǎn)。其微孔孔道長(zhǎng)度多在幾毫米甚至十幾毫米，比表面積大（700～1 600 m2/g）。有機(jī)物的平衡吸附容量如表1所示，現(xiàn)實(shí)作業(yè)也顯示，對(duì)于VCOs的吸附率來(lái)說(shuō)，GAC能夠高達(dá)90%，并且具有較長(zhǎng)的使用年限[8-9]。

表1 有機(jī)物的平衡吸附容量（25℃時(shí)飽和蒸汽下的吸附容量）

3 吸附設(shè)備工藝流程

有機(jī)廢氣活性炭顆粒吸附-蒸汽脫附-冷凝回收裝置利用兩個(gè)吸附器組成一個(gè)管路系統(tǒng)。當(dāng)活性炭顆粒吸附有機(jī)物達(dá)到飽和后，要對(duì)其進(jìn)行脫附再生。脫附再生時(shí)，通入飽和水蒸氣加熱活性炭，二氯乙烷被吹脫出來(lái)，并與水蒸氣形成蒸汽混合物，經(jīng)高效冷凝器冷凝為液體，自動(dòng)分層后可得到可回收再利用的二氯乙烷，同時(shí)分層水作為污水排放至企業(yè)污水系統(tǒng)集中處理后排放。脫附干凈的活性炭層再進(jìn)行冷卻和干燥處理，以備下一個(gè)循環(huán)的再次吸附。二氯乙烷冷凝后的不凝氣再接入活性炭顆粒吸附回收裝置。

4 裝置運(yùn)行狀況

該設(shè)備正式使用一年，運(yùn)行良好，對(duì)二氯乙烷有著較高的回收率，回收后能夠直接運(yùn)用到生產(chǎn)系統(tǒng)中。采用《環(huán)境空氣 揮發(fā)性鹵代烴的測(cè)定 活性炭吸附-二硫化碳解吸/氣相色譜法》（HJ 645—2013）對(duì)尾氣展開持續(xù)研究，如表2所示。由此可見，活性炭顆粒設(shè)備回收二氯乙烷的回收率較高，大部分情況都能夠保持在99%左右。

表2 含二氯乙烷廢氣處理與收集情況

5 經(jīng)濟(jì)分析

按照運(yùn)行狀況對(duì)回收展開研究，該農(nóng)藥中間體公司回收設(shè)備的排放量為5 200 m3/h，一年的運(yùn)行時(shí)間為7 200 h，二氯乙烷的平均濃度從5 500 m3/h減小到0.003 mg/m3，如果根據(jù)該參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，每年就能夠回收206 t二氯乙烷，以目前二氯乙烷均價(jià)4 000元/t的水平進(jìn)行計(jì)算，那么一年能夠獲得4 000×206=82.4萬(wàn)元。

設(shè)備購(gòu)買一共花費(fèi)105萬(wàn)元。每年需要投入的運(yùn)行資金為：設(shè)備的維修費(fèi)、資金利息、折舊等一共需要花費(fèi)大約10萬(wàn)元；儀表空氣與冷卻水的花銷大約在3萬(wàn)元；蒸汽費(fèi)用需要花費(fèi)206×2×200元/t≈8.24萬(wàn)元；電費(fèi)需要花費(fèi)15 kW×7 200 h×0.45元/（kW·h）≈4.86萬(wàn)元。由此可見，總費(fèi)用為：10＋3＋8.24＋4.86=26.1萬(wàn)元。投資回收期為1.8年。年凈增效益為：82.4－26.1＝56.3萬(wàn)元。

6 結(jié)論

通過(guò)活性炭顆粒吸附-蒸汽脫附冷凝回收設(shè)備對(duì)生產(chǎn)中產(chǎn)生尾氣的二氯乙烷展開回收再利用，其運(yùn)行信息顯示，該設(shè)備能夠持續(xù)安全運(yùn)轉(zhuǎn)，脫附與吸附的過(guò)程能夠進(jìn)行自動(dòng)化控制，并且回收吸附二氯乙烷的效率可以保持在99.99%。每年的凈收益保持在56.3萬(wàn)元，年回收206 t，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)1.8年就能夠全部回收投入資金，并且設(shè)備的設(shè)計(jì)使用年限超過(guò)10年。設(shè)備出口處二氯乙烷排放濃度遠(yuǎn)低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的排放限值，大大減少二氯乙烷的排放量，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。