某化工企業(yè)TMPTA車間廢氣治理系統(tǒng)改造工程實(shí)例

何 銳， 陳金育， 何亮亮

（南大環(huán)保科技服務(wù)南通有限公司， 江蘇 南通 226400）

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展，揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）的用量越來(lái)越大，2010年江蘇省人為源VOCs排放總量約為179.20萬(wàn)t，其中溶劑使用源占排放總量的25.3%，占比最高[1]。應(yīng)對(duì)可持續(xù)發(fā)展和清潔生產(chǎn)的需要，VOCs的回收再利用逐漸成為節(jié)能減排的重要手段。開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)高效的VOCs回收工藝，已成為環(huán)保領(lǐng)域的又一研究熱點(diǎn)。回收VOCs不僅對(duì)于減輕環(huán)境污染，保護(hù)人類健康具有重大意義，而且能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益[2－5]。

江蘇某化工企業(yè)年產(chǎn)8 000 t三羥甲基丙烷三丙烯酸酯（TMPTA），生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生廢氣含有大量甲苯及少量丙烯酸。TMPTA車間雖然配備了廢氣治理設(shè)施，但收集不完善且治理效果欠佳，難以滿足現(xiàn)行的大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)，甲苯的大量排放造成了嚴(yán)重資源浪費(fèi)和社會(huì)不良影響。因此，企業(yè)如何更加有效減少VOCs的排放并有效回收溶劑是亟待解決的問(wèn)題。

1 廢氣產(chǎn)生及工藝情況

TMPTA生產(chǎn)過(guò)程主要包括配料、酯化、水洗、蒸餾、灌裝等工序，主要生產(chǎn)設(shè)備包括酯化釜、分層釜、蒸餾釜、板框壓濾機(jī)、機(jī)械真空泵等。車間大部分工藝廢氣都進(jìn)行了有組織收集，但也有少部分生產(chǎn)和輔助裝置存在無(wú)組織廢氣排放現(xiàn)象。TMPTA車間廢氣收集及處理情況見(jiàn)表1。

表1 TMPTA車間廢氣收集及處理情況

2 企業(yè)廢氣治理現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

2.1 廢氣收集系統(tǒng)

酯化釜在投加三羥甲基丙烷、對(duì)甲苯磺酸的過(guò)程中，投料口產(chǎn)生無(wú)組織尾氣排放，需增加負(fù)壓收集裝置并納入車間廢氣治理系統(tǒng)。

甲苯接收罐的放空尾氣以及車間污水池散發(fā)的無(wú)組織尾氣均未收集處理，都需增加收集裝置并納入車間廢氣治理系統(tǒng)。

2.2 廢氣凈化工藝

酯化釜尾氣分別經(jīng) “兩級(jí)水冷+一級(jí)低溫水冷”后匯總接入緩沖罐，再接入車間廢氣處理系統(tǒng)處理，機(jī)械真空泵尾氣經(jīng)過(guò)“一級(jí)低溫水冷+緩沖罐”后與水環(huán)真空泵尾氣匯總接入車間廢氣治理系統(tǒng)處理。車間廢氣處理系統(tǒng)采用 “一級(jí)低溫水冷+氣體捕集器+旋風(fēng)除霧+光催化氧化”處理工藝。企業(yè)現(xiàn)有廢氣治理工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 現(xiàn)有廢氣治理工藝流程

經(jīng)過(guò) “低溫水冷凝+氣體捕集器+旋風(fēng)除霧”后的廢氣中仍有較高濃度的飽和甲苯蒸汽和微量丙烯酸，丙烯酸產(chǎn)生的聚合物和廢氣中的甲苯極易黏附在光催化氧化反應(yīng)器紫外燈管及催化填料層表面[6]，阻擋了紫外光的輻射并減弱了催化劑的功效，加之光催化氧化反應(yīng)器設(shè)備對(duì)高濃度的有機(jī)廢氣處理效率較低，所以企業(yè)TMPTA車間現(xiàn)有廢氣治理工藝難以保證廢氣污染物達(dá)標(biāo)排放。因此現(xiàn)有廢氣治理工藝需進(jìn)行優(yōu)化改造，以進(jìn)一步提高廢氣凈化效率。另外，車間水洗分層釜尾氣經(jīng)一級(jí)低溫水冷后直接排放，處理效率低，造成大量有機(jī)物直接排入大氣環(huán)境，造成了不良影響和大量資源浪費(fèi)。

3 企業(yè)廢氣治理系統(tǒng)改造

3.1 廢氣收集系統(tǒng)改造

在酯化釜投料口增設(shè)集氣罩，開(kāi)啟酯化釜投料口前將集氣罩風(fēng)管閥門(mén)打開(kāi)，進(jìn)行負(fù)壓收集，接入車間廢氣治理系統(tǒng)；甲苯接收罐的放空尾氣通過(guò)管道接入車間廢氣治理系統(tǒng)；車間污水池密閉加蓋，產(chǎn)生尾氣用過(guò)管道接入車間廢氣治理系統(tǒng)。

3.2 廢氣凈化工藝改造

酯化釜尾氣在車間內(nèi)經(jīng)“兩級(jí)水冷+一級(jí)低溫水冷”后接入車間廢氣治理系統(tǒng)，維持現(xiàn)狀不變；機(jī)械真空泵尾氣經(jīng)過(guò)“一級(jí)低溫水冷+緩沖罐”后與水環(huán)真空泵尾氣匯總接入車間廢氣治理系統(tǒng)處理，維持現(xiàn)狀不變；水洗分層釜尾氣經(jīng)“一級(jí)低溫水冷”后同甲苯接收罐放空尾氣、車間污水池尾氣一期并入車間廢氣治理系統(tǒng)。

現(xiàn)有TMPTA車間廢氣治理設(shè)施存在缺陷，經(jīng)過(guò)多級(jí)冷凝回收后廢氣中甲苯含量仍然較高，具有較高的回收價(jià)值，若采用燃燒法處理，不僅浪費(fèi)資源，同時(shí)增加處理成本，因此優(yōu)化改造將原有光催化氧化反應(yīng)器改為活性炭纖維吸附蒸汽脫附回收裝置，并在旋風(fēng)除霧前增加一級(jí)堿吸收裝置，去除廢氣中微量丙烯酸，保障吸附回收裝置正常運(yùn)行。經(jīng)優(yōu)化整改后的廢氣治理工藝為“一級(jí)低溫水冷+氣體捕集器+一級(jí)堿吸收+旋風(fēng)除霧+活性炭纖維吸附回收裝置”。優(yōu)化改造后的廢氣治理工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 優(yōu)化改造后廢氣治理工藝流程

3.3 廢氣氣量設(shè)計(jì)及改造前后工藝對(duì)比

企業(yè)TMPTA車間酯化釜、水洗分層釜等各反應(yīng)釜平均排氣量為25 m3/h，車間污水池設(shè)計(jì)換氣量為15次/h，無(wú)油立式真空泵銘牌抽氣速率為300 L/s，水環(huán)真空泵銘牌抽氣速率為8.2～20.5 m3/min，其中無(wú)油立式真空泵3用3備，水環(huán)真空泵1用1備。該車間廢氣氣量設(shè)計(jì)及改造前后工藝對(duì)比見(jiàn)表2。

根據(jù)計(jì)算，接入車間廢氣處理裝置的廢氣風(fēng)量為5 620 m3/h，考慮一定的設(shè)計(jì)余量，設(shè)計(jì)風(fēng)量為6 000 m3/h。

表2 廢氣治理系統(tǒng)排口監(jiān)測(cè)結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)限值

3.4 活性炭纖維吸附回收裝置設(shè)備設(shè)計(jì)

活性炭纖維吸附回收裝置是目前最廣泛使用的工業(yè)廢氣治理回收技術(shù)[7]。活性炭纖維具有比表面積大、微孔豐富且分布均勻、吸脫附速率快、吸附效率高、易再生等優(yōu)點(diǎn)[8]。

當(dāng)甲苯尾氣通過(guò)活性炭纖維床層時(shí)，其中的甲苯被活性炭纖維吸附、截留，從而使廢氣得到凈化排放。當(dāng)活性炭纖維吸附有機(jī)物達(dá)到飽和后，要對(duì)活性炭纖維床層進(jìn)行脫附再生。再生時(shí)，通入飽和水蒸汽加熱活性炭纖維床層，甲苯被吹脫解吸出來(lái)，并與水蒸氣形成蒸汽混合物，然后將蒸汽混合物冷凝為液體，液體經(jīng)自動(dòng)分層后得到可以回收再利用的油層甲苯，同時(shí)分層水排入廢水系統(tǒng)集中處理。脫附干凈的活性炭纖維床層再進(jìn)行冷卻和干燥處理，以備下一個(gè)循環(huán)的再次吸附。甲苯冷凝產(chǎn)生的尾氣再接入活性炭纖維吸附回收裝置。

活性炭纖維吸附回收裝置工藝原理見(jiàn)圖3。

圖3 活性炭纖維吸附回收裝置工藝原理

本項(xiàng)目活性炭纖維吸附回收裝置的設(shè)計(jì)風(fēng)量為6 000 m3/h，設(shè)計(jì)甲苯的流量為30 kg/h，設(shè)計(jì)吸附進(jìn)氣溫度小于40℃，設(shè)計(jì)脫附蒸汽壓力約0.2 MPa，設(shè)計(jì)脫附溫度約100～105℃。

活性炭纖維吸附回收裝置由一套2箱6芯的不銹鋼活性炭纖維吸附器和一座不銹鋼顆粒碳吸附器，前者完成甲苯的吸附和回收，后者作為保安工藝保障甲苯達(dá)標(biāo)排放。其中活性炭纖維吸附器碳纖維裝填量40 kg/芯，共480 kg，采用2箱并聯(lián)運(yùn)行，交替完成吸附和再生，單箱活性炭纖維吸附器的吸附時(shí)間為30 min，蒸汽脫附時(shí)間為15 min，間歇時(shí)間5 min，空氣干燥10 min。顆粒碳吸附器再生時(shí)，排氣進(jìn)行超越。企業(yè)通過(guò)定期取樣分析，判斷活性炭吸附器及顆粒碳吸附器處理效率，并調(diào)整吸附周期及再生頻次。

4 廢氣治理效果分析

目前，該化工企業(yè)TMPTA生產(chǎn)車間廢氣治理系統(tǒng)已經(jīng)改造完成，在廢氣治理裝置入口總管、活性炭纖維吸附回收裝置入口、凈化尾氣排放口斷面進(jìn)行了檢測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 廢氣治理系統(tǒng)排口監(jiān)測(cè)結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)限值

由表2可知，經(jīng)優(yōu)化改造后的廢氣治理系統(tǒng)，甲苯排放濃度、排放速率均遠(yuǎn)低于相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)限值，可實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。

5 項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)分析

項(xiàng)目甲苯的回收量按照30 kg/h，每年生產(chǎn)時(shí)間按照8 000 h計(jì)算，通過(guò)活性炭纖維吸附回收裝置每年可回收的甲苯量為228 t（回收率95%）。每噸甲苯價(jià)格按照0.6萬(wàn)元計(jì)算，每年的回收甲苯的總價(jià)值為136.8萬(wàn)元。

活性炭纖維吸附回收裝置蒸汽消耗量500 kg/h（蒸汽平均使用系數(shù) 0.167），廢氣治理裝置運(yùn)行基本功率約45 kW。則每年消耗蒸汽668 t，耗電3.6×105 kW·h，每年蒸汽和用電費(fèi)用為52.7萬(wàn)元；每年設(shè)備維修維護(hù)費(fèi)用、吸附劑更換費(fèi)用約6萬(wàn)元，每年設(shè)備折舊費(fèi)用約6萬(wàn)元；每年人工費(fèi)用約3萬(wàn)元。合計(jì)每年總運(yùn)行費(fèi)用約為67.7萬(wàn)元。

通過(guò)上述計(jì)算，每年活性炭纖維吸附回收裝置回收甲苯產(chǎn)生的利潤(rùn)為78.1萬(wàn)元。

優(yōu)化改造工程的直接投資包括設(shè)備、管道、土建共約120萬(wàn)元，企業(yè)通過(guò)2 a的運(yùn)行，便可收回投資成本。

6 結(jié)論

經(jīng)過(guò)上述優(yōu)化改造后，企業(yè)TMPTA生產(chǎn)過(guò)程中的廢氣污染大大減少，廢氣能達(dá)標(biāo)排放，實(shí)現(xiàn)了VOCs減排，同時(shí)回收的大量甲苯可再利用，具有較好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。該工程對(duì)類似廢氣治理具有較大的實(shí)際參考價(jià)值，前景良好。