組合廢氣治理工藝在有機(jī)化工行業(yè)工程實(shí)例

黃文迪,楊煥

(1.山東海美儂環(huán)?？萍加邢薰?山東 濟(jì)南 250098;2.山東樸業(yè)建設(shè)集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南 250300)

化工行業(yè)在我國改革開放以來得到了不斷的發(fā)展,但伴隨的污染問題也隨之產(chǎn)生,特別是在有機(jī)化工生產(chǎn)過程產(chǎn)生的有機(jī)廢氣污染物(VOCs)污染環(huán)境的難題日益突出[1]。有機(jī)化工企業(yè)生產(chǎn)過程中不同工序產(chǎn)生廢氣的排放量、排放濃度、排放種類各不相同,若VOCs在前端收集及末端處理工藝不當(dāng),可能會(huì)因收集不徹底、處理效率低導(dǎo)致向周圍環(huán)境逸散大量有異味、有毒害的廢氣,不僅對(duì)我們的環(huán)境造成破壞,還能對(duì)我們乃至子孫后代的健康造成一定的影響[2-3]。如何治理好化工工業(yè)廢氣,是目前影響化工企業(yè)正常連續(xù)生產(chǎn)的重要影響因素,也是環(huán)保監(jiān)管部門最為關(guān)注的問題。

有機(jī)廢氣的處理技術(shù)的隨著科技的發(fā)展經(jīng)歷了漫的演變過程,即從最簡(jiǎn)單的液體洗滌法逐步發(fā)展到液體/固體吸收法、高級(jí)氧化法、燃燒法等。常見的處理方法有:水洗法、活性炭吸附法、高級(jí)氧化法、燃燒法等方法[4-5]。水洗法是利用循環(huán)液體與廢氣中的有害成分直接接觸,廢氣中像NH3、H2S、低級(jí)脂肪酸等易溶于水的物質(zhì)特性被水吸收,從而達(dá)到凈化目的。該處理工藝簡(jiǎn)單、管理相對(duì)方便、系統(tǒng)運(yùn)維費(fèi)用低,但是產(chǎn)生的廢水和結(jié)晶鹽會(huì)造成二次污染,需要對(duì)洗滌液和危廢進(jìn)行處理;其次對(duì)有機(jī)類的廢氣組分吸收處理效果差;再次,該工藝綜合吸收效率不高,需要與其他的處理工藝技術(shù)聯(lián)合協(xié)同使用。采用藥液反應(yīng)吸收法是利用廢氣中的某些物質(zhì)和所投加的藥液產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)性質(zhì)去除廢氣中的有害物質(zhì),該工藝可以針對(duì)性地去除某些廢氣污染因子,如:堿性洗滌吸收法對(duì)HCl、H2S、脂肪酸類有效[6]。但是這種方法會(huì)產(chǎn)生二次污染,需要對(duì)洗滌液進(jìn)行處理?；钚蕴课椒ㄊ抢没钚蕴康奈教匦匀コ龔U氣成分的方法,吸附效率在90%左右,對(duì)有機(jī)物的吸附容量在20%左右[7]。利用該工藝氣體需要將廢氣先進(jìn)行預(yù)處理,如過濾、洗滌去除廢氣中的易堵塞成分,但經(jīng)過多次再生后吸附材料會(huì)失活,吸附材料會(huì)產(chǎn)生危廢。臭氧氧化法是利用臭氧自身強(qiáng)的氧化性,可以直接將廢氣中有害成分直接氧化分解去除。該法對(duì)硫醇類、醛類等具有較好的效果,但是對(duì)苯系物效果相對(duì)較差,需要同水洗、活性炭吸附法并用,需要有足夠的停留時(shí)間,臭氧設(shè)備須配套安全設(shè)施。蓄熱式燃燒技術(shù)是一種在高溫狀況下燃燒的技術(shù),又稱蓄熱式燃燒技術(shù)(Regenerative Thermal Oxidize)。根據(jù)廢氣的特點(diǎn),當(dāng)爐膛氧化室溫度達(dá)到760 ℃以上,煙氣停留時(shí)間大于0.8 s時(shí),VOCs廢氣會(huì)直接被高溫氧化分解,生成CO2和H2O。該工藝去除效率高,可達(dá)99%,但從安全和運(yùn)行費(fèi)用方面需考慮廢氣濃度,濃度過低運(yùn)行費(fèi)用過高的問題,濃度過高存在安全風(fēng)險(xiǎn)[8-9]。

針對(duì)化工廢氣處理工藝的選擇依據(jù),要考慮選擇控制因素很多,如控制處理的對(duì)象、控制所要達(dá)到的目標(biāo)、所選用的處理技術(shù)是否會(huì)造成二次污染,以及需要處理的氣體流量的大小、處理設(shè)備的投資和運(yùn)行費(fèi)用問題、運(yùn)行的安全問題等。除了具體的條件外,還要綜合考慮分析廢氣處理技術(shù)的可靠性和可行性。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目以山東某化工企業(yè)為例:該企業(yè)在生產(chǎn)過程涉及的廢氣主要來自反應(yīng)釜、離心機(jī)、真空泵、廠區(qū)危險(xiǎn)廢物暫存間及板框壓濾機(jī)房等設(shè)施環(huán)節(jié)產(chǎn)生,主要廢氣組分包含:HCl、H2S、甲苯、DMF、二甲苯、乙酸甲醋、NH3、乙醇等。其中反應(yīng)釜、離心機(jī)和真空泵的排氣特性為風(fēng)量小濃度高且不穩(wěn)定。危廢暫存間和壓濾板房出的排氣屬于大風(fēng)量低濃度廢氣。兩者排氣均為常溫排氣。

為響應(yīng)國家環(huán)保要求,企業(yè)前期對(duì)車間排氣進(jìn)行收集并配套了廢氣處理設(shè)備,為了確保達(dá)標(biāo)排放并在排氣筒配套的在線檢測(cè)系統(tǒng)與當(dāng)?shù)丨h(huán)保局聯(lián)網(wǎng)。采用的廢氣處理工藝為堿洗+活性炭吸附,設(shè)計(jì)風(fēng)量為20 000 m3/h?；钚蕴垦b填量為3 m3。設(shè)備投運(yùn)后發(fā)現(xiàn)活性炭飽和過快,經(jīng)過統(tǒng)計(jì)更換一周左右排氣出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。企業(yè)考慮到頻繁超標(biāo)嚴(yán)重影響車間生產(chǎn),對(duì)廢氣處理系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造。

2 工藝分析

根據(jù)企業(yè)提供的設(shè)計(jì)風(fēng)量為20 000 m3/h,通過實(shí)際檢測(cè)大部分時(shí)間排放的VOCs的質(zhì)量濃度為300～500 mg/m3范圍內(nèi)。對(duì)于有機(jī)化工企業(yè)生產(chǎn)所排放的廢氣多為不溶或難溶于水的有機(jī)物,單純的洗滌吸收難以去除有機(jī)物。通過前期以上的廢氣處理措施已驗(yàn)證單一的活性炭吸附也難以保證系統(tǒng)能穩(wěn)定連續(xù)達(dá)標(biāo),而高級(jí)氧化法同樣不適應(yīng)于本廢氣組分。焚燒法雖然處理效率高,能使排氣穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放,但由于本企業(yè)排氣濃度在500 mg/m3以下,對(duì)于焚燒法處理該濃度廢氣難以支持處理系統(tǒng)自行運(yùn)行所需的熱量,需要額外補(bǔ)充熱源,因此,需要額外補(bǔ)充熱源來維持系統(tǒng)運(yùn)行,所以將會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行費(fèi)用過高。

3 工藝設(shè)計(jì)

針對(duì)上述分析,企業(yè)通過對(duì)前期收集進(jìn)行了升級(jí)改造,將反應(yīng)釜、離心機(jī)和真空泵的排氣和廢暫存間和壓濾板房出的排氣進(jìn)行分別收集,單獨(dú)排放。經(jīng)過多次實(shí)際檢測(cè),高濃度排放的質(zhì)量濃度在2 000～3 000 mg/m3,對(duì)應(yīng)的風(fēng)量～2 000 m3/h。低濃度廢氣質(zhì)量濃度在100～200 mg/m3,對(duì)應(yīng)的排氣風(fēng)量～17 000 m3/h?？紤]到分類處理原則,企業(yè)最終設(shè)計(jì)采用組合工藝,高濃度小風(fēng)量廢氣進(jìn)入蓄熱式焚燒設(shè)備(RTO),低濃度大風(fēng)量廢氣進(jìn)入可再生活性炭吸附器。工藝流程畫面見圖一。

圖1 工藝流程示意圖

4 工藝說明

本系統(tǒng)處理共分兩部分廢氣,一部分為濃度較高的廢氣和濃度較低的廢氣,兩種廢氣采用的工藝不同,高濃度廢氣經(jīng)過兩級(jí)堿洗塔吸收處理掉廢氣中HCl及氨氣等酸性廢氣后再經(jīng)兩級(jí)水洗塔洗滌中和吸收并在除水霧之后直接送至RTO內(nèi)焚燒,經(jīng)焚燒之后的排氣通過煙囪排放。低濃度廢氣進(jìn)入一級(jí)堿洗塔,吸收處理掉廢氣中HCl及氨氣等酸性廢氣后再經(jīng)兩級(jí)水洗塔洗滌中和吸收并在除水霧之后進(jìn)入可再生的活性炭吸附器吸附之后達(dá)標(biāo)排放,本項(xiàng)目所用的活性炭吸附器具有可再生功能,即當(dāng)吸附一段時(shí)間活性炭達(dá)到動(dòng)態(tài)飽和后需要對(duì)活性炭進(jìn)行升溫脫附再生,脫附下來的高濃廢氣進(jìn)入RTO內(nèi)焚燒,再生需要的熱風(fēng)由RTO提供。通過該組合工藝既保證了廢氣能夠連續(xù)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放,也達(dá)到了節(jié)能減排的目的。

5 主要構(gòu)筑物及工藝參數(shù)

5.1 洗滌吸收塔

本項(xiàng)目根據(jù)處理風(fēng)量共有兩種規(guī)格的洗滌吸收塔,洗滌塔采用聚丙烯材質(zhì)。洗滌吸收塔配有循環(huán)水洗、噴淋系統(tǒng),循環(huán)水泵、液位控制系統(tǒng)、自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、除霧系統(tǒng)以及具有堿洗功能的塔還配有pH檢測(cè)系統(tǒng)和自動(dòng)加藥系統(tǒng)。其規(guī)格尺寸分別為:處理2 000 m3/h洗滌吸收塔,數(shù)量?jī)膳_(tái)堿洗、兩臺(tái)水洗,其設(shè)計(jì)參數(shù)為:直徑1 000 mm,高度5 500 mm。處理18 000 m3/h洗滌吸收塔,數(shù)量1臺(tái)堿洗、1臺(tái)水洗,其設(shè)計(jì)參數(shù)為:直徑2 500 mm,高度6 500 mm。

5.2 吸附再生設(shè)備

在本工程中,吸附再生設(shè)備采用固定床,吸附劑采用蜂窩活性炭。吸附器單元化制作,根據(jù)廢氣的處理風(fēng)量,配置相應(yīng)數(shù)量的吸附器。實(shí)際風(fēng)量為17 000 m3/h,設(shè)計(jì)系統(tǒng)處理風(fēng)量為20 000 m3/h 的系統(tǒng),配置2個(gè)處理風(fēng)量為10 000 m3/h的吸附處理單元吸,吸附空塔流速0.8 m/s,停留時(shí)間0.6 s。按每天工作24 h,以實(shí)測(cè)平均質(zhì)量濃度計(jì)算(150 mg/m3),吸附裝填數(shù)量可滿足4 d左右使用設(shè)計(jì)(活性炭動(dòng)態(tài)吸附值10%設(shè)計(jì)確保系統(tǒng)達(dá)標(biāo)排放)。吸附器采用鋼板制作并保溫,保溫層厚度100 mm,材質(zhì)為巖棉。每個(gè)吸附單元需要配置四臺(tái)氣動(dòng)切換閥門,對(duì)吸附、脫附操作進(jìn)行切換;每個(gè)吸附單元上下各配有一支熱電偶變送器用于控制脫附及安保措施;吸附器帶有消防噴淋管道用于安保措施。每個(gè)活性炭箱裝填活性炭的量為3 m3,兩個(gè)共裝63 m3。整體設(shè)計(jì)尺寸為:8 600 mm×3 400 mm×3 100 mm。兩個(gè)活性炭箱可同時(shí)吸附,也可單獨(dú)吸附另一個(gè)進(jìn)行脫附再生。吸附一體機(jī)的吸附和脫附程序在自動(dòng)狀態(tài)下均為一鍵啟動(dòng)?？勺詣?dòng)完成活性炭的再生過程。

5.3 蓄熱式焚燒爐(RTO)

本工程采用三塔式蓄熱式焚燒爐。三塔式RTO由布?xì)馐覂?nèi)含氣動(dòng)廢氣切換閥、蓄熱室內(nèi)含蓄熱陶瓷、氧化室內(nèi)有用于加熱的燃燒系統(tǒng)。其工作原理為廢氣進(jìn)入布?xì)馐以谇袚Q閥作用下,待處理有機(jī)氣體分進(jìn)入 A 塔蓄熱體的底部(該陶瓷蓄熱體儲(chǔ)存了上一循環(huán)中的熱量),冷的氣體經(jīng)過熱的陶瓷蓄熱體,氣體與熱的蓄熱體接觸溫度提高,蓄熱體放熱降溫,廢氣中的有機(jī)廢氣在蓄熱體升溫過程中,發(fā)生部分氧化分解反應(yīng),產(chǎn)生熱量進(jìn)入爐膛內(nèi)。在氧化室內(nèi),通過燃燒系統(tǒng)使氣體溫度再次升高到設(shè)定溫度(800～850 ℃),使有機(jī)氣體發(fā)生充分的氧化分解反應(yīng),變成CO2和H2O。有機(jī)氣體變成凈化的高溫氣體后進(jìn)入B塔蓄熱室(前一循環(huán)已被冷卻),高溫氣體和冷的陶瓷蓄熱體發(fā)生熱交換,氣體通過放熱而降溫;陶瓷蓄熱體固定床吸收大量熱量后溫度升高(用于下一循環(huán)加熱廢氣),降溫后的凈化氣體經(jīng)煙囪排放到大氣中。系統(tǒng)同時(shí)引入一小股新鮮空氣(或反抽廢氣)吹掃C塔室。每完成一個(gè)步驟,VOCs氣體和潔凈氣體就會(huì)交互換向。系統(tǒng)歷經(jīng)蓄熱-放熱-吹掃程序周而復(fù)始,連續(xù)運(yùn)行。如有機(jī)氣體濃度過低,致使氧化室內(nèi)溫度過低,則燃燒系統(tǒng)全功率工作,系統(tǒng)裝機(jī)功率已考慮了此種情況。

本工程考慮需要給活性炭再生提供再生熱源,因此設(shè)有獨(dú)立的混風(fēng)換熱裝置,可在上述活性炭箱需要再生時(shí)提供熱風(fēng),熱風(fēng)溫度通過系統(tǒng)自動(dòng)控制。RTO在自動(dòng)狀態(tài)下均為一鍵啟動(dòng)?？勺詣?dòng)運(yùn)行。本工程設(shè)計(jì)RTO進(jìn)氣風(fēng)量為3 000 m3/h,設(shè)計(jì)尺寸為:5 000 mm×2 000 mm×5 100 mm。

5.4 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)

本工程離心風(fēng)機(jī)共三臺(tái)。三臺(tái)離心風(fēng)機(jī)均采用變頻、防爆風(fēng)機(jī)。其參數(shù)分別為:RTO風(fēng)機(jī)風(fēng)量3 000 m3/h,風(fēng)壓3 500 Pa,功率11 kW,設(shè)計(jì)最高進(jìn)氣溫度80 ℃。吹掃風(fēng)機(jī)1 000 m3/h,風(fēng)壓3 500 Pa,功率4 kW。吸附風(fēng)機(jī)20 000 m3/h,風(fēng)壓2 500 Pa,功率30 kW。

6 運(yùn)行能耗計(jì)算

本企業(yè)每天為24 h運(yùn)行,年平均運(yùn)行天數(shù)為300 d。

新上設(shè)備年運(yùn)行費(fèi)用分析。電費(fèi)0.7元/kWh,年運(yùn)行電費(fèi)為:(11+4+30)kW×24 h×300 d×0.7元/kWh =226 800元/a。天然氣運(yùn)行費(fèi)用:系統(tǒng)正常運(yùn)行后,根據(jù)統(tǒng)計(jì)日平均天然氣用量為40 m3/d(天然氣用量與廢氣濃度有關(guān)),天然氣價(jià)格按照3.4 m3/元計(jì)算,則年天然氣運(yùn)行費(fèi)用為:40 m3/天×3.4元/m3×300天/年=40 800元/a。液堿運(yùn)行費(fèi)用:消耗量經(jīng)統(tǒng)計(jì)每天約80 kg。液堿價(jià)格按照1 000元/t,則液堿年運(yùn)行費(fèi)用為:0.080 t/天×300天/a×1 000元/t=24 000元/a。水費(fèi):平均每天消耗0.8 m3,水費(fèi)價(jià)格按照3元/m3,則年運(yùn)行所需水費(fèi)為:0.8 m3/d×300 d/a×3元/m3=720元/a。活性炭的費(fèi)用為8 000元/m3,本項(xiàng)目運(yùn)行一年后活性吸附效率開始下降,一年后全部更換,活性炭年更換費(fèi)用為:6 m3/次×1次/a×8 000元/m3=48 000元/a。綜上新上廢氣處理設(shè)備年總運(yùn)行費(fèi)用為:340 320元/a。

原廢氣處理設(shè)備的年運(yùn)行費(fèi)用分析。年運(yùn)行電費(fèi)為:30 kW×24 h×300 d×0.7元/kWh =151 200元/a。堿液消耗量同上述用量。為保證穩(wěn)定達(dá)標(biāo)活性炭平均約7 d更換一次,則年更換43次,活性炭費(fèi)用為8 000元/m3,則年更換費(fèi)用為:3 m3/次×43次/a×8 000元/m3=1 032 000元/a。年總運(yùn)行費(fèi)用為:1 207 200元。

7 總結(jié)

針對(duì)化工行業(yè)復(fù)雜又不同的生產(chǎn)工段,導(dǎo)致排放的廢氣特性也不一樣,本文結(jié)合當(dāng)?shù)鼗て髽I(yè)實(shí)際情況根據(jù)實(shí)際情況,采用源頭分類收集、末端分質(zhì)處理的措施,采用一套洗滌吸收+活性炭吸附再生+焚燒組合工藝。新上處理系統(tǒng)運(yùn)行后,排氣筒上在線檢測(cè)一直穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。而且運(yùn)行費(fèi)用比前期設(shè)備大大降低,實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排、穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的宗旨。