新型聯用治理VOCs工藝在煙廠制絲工藝中的應用

夏揚開

（北京優信永科檢測技術有限公司，北京 100176）

1 引言

我國是世界上生產煙草的大國，因為煙草業具有的經濟利益與稅收，能夠為該區域的經濟發展帶來很高的效益。隨著煙草種植越來越多，煙草廠為了滿足社會的需求，增加了卷煙的品種，改變進了制煙技術，而煙草廠的污染也越來越嚴重。

卷煙煙草的制絲工藝主要為制絲排潮和制絲除塵，制絲除塵污染來源于片煙和加料工序，制絲排潮污染來源于切絲、烘絲和膨化工序。制造過程中所產生的工藝廢氣主要成分有：煙末粉塵及醇類、酯類、醛類、烴類、酚類、酸類等多種有機物質[1]。

目前國內傳統制煙污染治理技術種類繁多，包括生物洗滌法、吸附法等。生物洗滌法設備投資高，且維護較難，受環境的溫度和酸堿性影響較大；吸附法中吸附劑具有選擇性，適應性較差，運行費用和投資成本都高。現有學者對市場的煙廠異味處理技術做了比對分析發現，低溫等離子技術具有能耗低，處理效率高，不產生二次污染，投資少等優點,該技術具有很好的應用前景。

2 煙廠廢氣治理技術原理

2.1 污染物特征

某煙廠車間運行時，工藝段煙氣進行匯總：制絲排潮的風量在60 000 m3/h左右，制絲除塵的風量在90 000 m3/h左右；污染物組分濃度采用氣相色譜-質譜聯用法進行測定（見表1）。臭氣濃度按照GBT14675—1993《空氣質量惡臭的測定三點比較式臭袋法》進行測定：制絲排潮的臭氣濃度為4 517（無量綱），制絲除塵的臭氣濃度在為2 090（無量綱），未達到排放標準。

表1 檢測結果排名靠前的主要污染物

從表中看出污染物屬于大風量低濃度，但依然有煙廠區附近的居民投訴有煙草異味影響生活，可能是污染物之間的多種相互作用（如相加、協同、抵消、掩蔽等作用）和長期排放（此工藝車間的排放風量較大）引起的[2]；兩種工藝中污染物中含量最高的是1-葵烯，1-葵烯是石油中提煉出來的有機物，一般用作香料添加劑。制絲排潮的污染物濃度整體比制絲除塵要高，這是工藝中對煙絲進行烘干導致污染物揮發造成的。

2.2 治理工藝

根據污染物濃度特征，VOCs的含量低，水溶性較差，再考慮投資成本、運行費用、維護情況以及使用的便捷程度和材料的適應性等，采用低溫等離子加高效化學洗滌法組合工藝比較有前景。

經前期實驗研究發現，等離子設備安裝在洗池后面，在排放口會檢測到微量臭氧。低溫等離子產生的活性基團會產生臭氧，風量較大，為了給足臭氧的反應時間達到較好反應效果并稀釋臭氧，把低溫等離子的設備安裝在高效洗池的前端較為合理。

圖1為制絲排潮和制絲除塵廢氣的治理聯用工藝圖，煙氣經過靜壓箱穩壓整流后，與注入式低溫等離子注入的活性基團結合，使其異味分子氧化分解，氧化后的混合廢氣進入三級高效化學洗滌設備，大部分氧化后的氣體分子會被溶解在洗池溶液中；其中制絲排潮中有輔助冷卻器和板式換熱器，其間接換熱使氣體達到合適洗池溶液的氧化溫度，最后達到凈化要求后排出。

圖1 治理聯用工藝圖

3 系統關鍵技術工藝流程及特點

3.1 前端壓力穩定技術

當生產線上工藝設備頻繁啟停，管道內風量變化，氣流流速變化導致系統風壓波動，原風量變化通過靜壓箱壓力感應調節排風風機頻率進行匹配，調節時間較長，系統波動較大，不但影響前端生產線生產工藝穩定性，而且造成等離子體在系統流場中的密度變化，使得需被治理的異味分子達不到氧化效果。

針對此問題，本工藝采用增加管道閥門及補風閥，并配套電氣PID控制進行調節，通過加長時間而降低原風機直接變頻調節模式的波動峰值，將煙氣波動對治理效果的影響控制在最小范圍。生產線工藝設備啟停造成前端管道風速變化被風速儀檢測后，電氣PID會迅速調節管道閥門開度大小，調節風速穩定。同時調節補風閥開度，在保持風機頻率不變的前提下，填補工藝設備啟停相應變化的風量，使靜壓箱壓力穩定，待系統穩定后，再通過逐步調節風機頻率及補風閥的開度，實現排風風機頻率調節，最終使風機頻率與治理運行工況相匹配，圖2為壓力穩定技術工藝圖。

圖2 壓力穩定技術工藝圖

3.2 中端治理技術

環境空氣通過等離子系統風機進入三級過濾器，一級袋式過濾器主要過濾去除空氣中的細沙顆粒和灰塵，二級HEPA過濾器，能夠對PM2.5級別的細微塵進行過濾，三級使用活性炭過濾，吸附去除工業園區空氣環境中的氮硫化物、VOCs分子等；經過三級過濾后達到潔凈的空氣分子。潔凈的空氣會進入加熱元件，提高溫度降低濕度，最終吹入等離子發生裝置機柜，當擊穿電壓超過帕邢擊穿電壓時，就會出現大量電子，潔凈的空氣分子與等離子反應器的電子碰撞后，產生氧化性自由基，經過適配器注入管道內，氧化性自由基將從靜壓箱混合后的異味分子氧化分解[3-4]，圖3為注入式低溫等離子技術工藝流程圖。

圖3 注入式低溫等離子技術工藝流程圖

檢測某煙廠中主要的污染物為烷烴，酮類，醛類，酯類，烯烴和苯系物，這些污染物中C-H鍵能為4.2～4.4 eV，C-C鍵能為3.6～8.4 eV，C=O鍵能為3-6 eV和C=C鍵能為6.2～6.4 eV；本技術采用等離子的反應器采用直流電源和交流電疊加的方式達到擊穿電壓，直流電壓疊加上升率大于200 V/μs，峰值大于1 kV各種波形的交流電壓，可以達到放電[5]；本技術中當峰值大于3 kV的各種波形的交流電壓會獲得的能量的電子9-15 eV，基本都能激發這些污染物的氧化性（分子斷鍵氧化分解），其中隨廢氣進入設備的水分子、氧分子被高壓擊穿斷鍵，生成強氧化基團羥基、臭氧分子等，這些強氧化基團與廢氣分子充分接觸氧化，加快反應進程。

等離子的設備工藝參數見表2，其中運行功率可根據濃度自動識別和模塊智能響應達到自動調整變壓器輸出功率和等離子發生模塊的開啟數量，達到節能的作用，其中等離子發生器的輸出電壓采用周期性的變化，范圍為2.7～3.8 kV。

表2 等離子設備工藝參數

3.3 末端治理技術

混合廢氣經過等離子的氧化分解后，會進入后端的高效化學洗池。洗池下方是排水池，噴淋系統采用前、后、上噴淋，前后對噴形成交叉流更易對顆粒物和異味分子進行攔截，上方噴淋使顆粒物隨水流流入水池，每個方向的噴頭各4個，保證全方位對填料進行噴淋，噴頭采用螺旋式結構，噴角在90o～120o，流量為306～619 L/Min，使得循環液體能夠完全達到霧化狀態（液體粒徑1～5 μm），其中霧化的OH-能夠很好接觸含COOH+分子，達到凈化廢氣的目的，根據fick定律，要是酸性氣體的濃度變大，有利于酸性氣體向堿性霧滴擴散，使之與霧滴反應速率增大。

其具體的工藝流程主要為：第一級結構通過噴淋噴出的液體與廢氣分子碰撞，攔截，凝聚作用，顆粒物隨液滴流入底部水池，其中對200 μm以上的顆粒物凈化率達到99%，易溶于水的氣體分子也會隨水流流入水池，噴淋霧化后的液體滿足最小潤濕因子值的要求，噴淋到填料上，液體會隨著填料的邊緣流下，形成了水膜，使氣液充分接觸，達到凈化氣體的目的；隨后的第二，第三結構依次層層凈化，1～10 μm顆粒物凈化率達到90%以上，通過等離子氧化分解后的混合廢氣會被堿性溶液繼續吸收溶解。

廢氣通過洗池含有大量液滴，直接進入管道或設備會腐蝕設備和管道，采用氣液分離裝置，其中氣液分離裝置采用3折4鉤設計結構的折流板，含有液滴的氣體進入到折流板，液滴就會在折流板上慢慢聚集匯流收集，當液滴>33 μm時，其液滴收集率能達到100%，排放流速達到5 m/s時，其壓力損失僅為2 mbar，減少風機功耗，并長久維持高效率。圖4為三級化學洗池結構及工作流程圖。

圖4 三級化學洗池結構及工作流程圖

3.4 輔助冷卻技術

由于制絲排潮工藝中廢氣溫度過高，本工藝采取冷卻塔-板式換熱器組合工藝，冷卻塔循環水量為107 m3/h，進水溫度45 ℃，出水溫度35 ℃，換熱器的換熱面積300 m2，換熱效率達到85%。異味氣體分子中有機物的中乙酸乙酯，苯，苯乙烯等有毒物質，沸點都在75 ℃以上，而排潮工藝中異味氣體的最高溫度約83 ℃，洗池中冷卻循環系統會降溫8.5 ℃，使整個洗池室溫保持在75 ℃以下反應環境，異味氣體分子與霧化后循環液體能夠更好的接觸反應，其中對水溶性較好的醛類和醇類等物質處理效果更好。圖5為冷卻-換熱技術原理圖。

圖5 冷卻-換熱技術原理圖

4 聯用工藝的治理效果

待項目竣工后，開展第三方檢測工作，檢測結果見表3。從表3發現治理技術工藝廢氣處理的VOCs凈化率均達到90%以上，檢測結果發現末端的排放物的VOCs濃度均在0.08 mg/m3以下，其中大部分苯系物低于檢測限；臭氣的治理效果見圖6，制絲排潮的凈化排放達到307，凈化率達到93.2%，制絲除塵的凈化排放達到137，凈化率達到93.4%；本次檢測排放口的濃度，達到了《GB 14554-1993 惡臭污染物排放標準》，本次的治理工藝切實有效。圖6為聯合工藝的臭氣治理效果圖。

表3 治理工藝前后比較

圖6 聯合工藝的臭氣治理效果圖

5 結論

（1）采用低溫等離子+三級化學清洗法聯用工藝綜合治理技術對制絲工藝中產生的廢氣具有很好的治理效果且無二次污染，不僅對致癌，有氣味的大部分低濃度苯系物凈化很徹底，還滿足了兩種制絲工藝中污染物的臭氣濃度凈化率達到90%。

（2）其特殊的低溫等離子設備的處理效率高，能達到節能環保的目的；洗池的三級過濾和噴淋系統相互協調作用能夠徹底的凈化廢氣，氣液分離裝置還能防止設備腐蝕損壞；

（3）整套設備的智能化控制系統既保證異味處理過程的穩定性，又可以滿足煙廠車間連續自動作業。

總體來說，本凈化工藝符合推廣節能環保型煙廠污染廢氣治理技術的發展思路，滿足我國對青山綠水的呼應，其中等離子技術還有進一步研究和推廣價值。