硬質合金燒結尾氣處理方案分析

張 彬

(廈門冉能環保科技有限公司，福建 廈門 361001)

硬質合金是由難熔金屬的硬質化合物(如WC、TiC、TaC、NbC等)和粘結金屬(如Co、Ni、Fe)通過粉末冶金工藝制成的一種復合材料，具有很高的硬度、強度、耐磨性和耐腐蝕性，被譽為“工業牙齒”，被廣泛用于模具材料、刀具、耐磨零部件等領域。其生產工藝包括制粉、混合、研磨、成型、燒結、打磨等工序[1]。其中成型后的合金還十分脆弱，需通過真空脫蠟燒結使壓制的粉末熔化生成硬質合金，該過程產生的排氣中含有一定量的有機氣體，主要來源于石蠟的分解[2]，此類有機廢氣濃度較低，通常直接通過排氣筒外排。但隨著環保要求的提高，近年來多地出臺的廢氣排放標準中規定非甲烷總烴排放濃度均低于100 mg/m3，顯然硬質合金燒結尾氣直接外排將存在不達標的情況，因此針對該行業燒結尾氣的分析及治理對策顯得尤其重要。本文以廈門市某硬質合金燒結尾氣為處理對象，針對該廢氣設計了切實可行的尾氣處理方案。

1 廢氣特性分析

1.1 處理風量

本項目燒結爐產生的尾氣在改造前均通過15米排氣口直接外排，各排氣口排風量約250 Nm3/h，改造后需將10個排氣口合并至一套廢氣處理設施凈化后達標排放，合并處理風量為2500 Nm3/h。

1.2 廢氣濃度

由于該生產線每天24小時連續生產，為研究生產過程中的排氣情況，我們抽選了其中的排氣口A和排氣口B進行24 h的濃度檢測，采用手持式VOCs濃度檢測儀，檢測頻次為間隔1 h檢測一次，檢測結果如圖1所示。

圖1 入口濃度檢測結果Fig.1 Inlet concentration test result

由圖1可知，兩個排氣口的VOCs排放濃度普遍較低，主要集中在50～150 mg/m3之間；同時存在 VOCs排放濃度波動較大的情況，部分時段可出現超過1000 mg/m3。

1.3 廢氣溫度

各排氣口排煙溫度約35～50 ℃。

1.4 廢氣成分分析

本項目廢氣來源包括石蠟的高溫分解及揮發，石蠟主要由直鏈結構的碳氫化合物組成，并含部分異鏈烷烴和環烷烴，高溫燒結作用下主要以碳氫鍵的斷鏈與分解產物的汽化揮發為主，研究表明石蠟集中脫除溫度為270～290 ℃[3]。由于碳原子數與烷烴沸點的成負相關，故斷鏈后產生的有機成分沸點降低，且混合有機物沸點范圍較大[4]。

2 工藝確定

廢氣具有以下特點：處理風量小，有機物濃度普遍較低，但存在波動，峰值可達1000 mg/m3以上，廢氣溫度約35～50 ℃，廢氣成分沸點范圍較大。目前國內針對VOCs廢氣有效治理技術包括回收法、溶液吸收法、吸附法、蓄熱式燃燒法、催化燃燒法及以上多種工藝復合處理的方法等[5]。針對本項目廢氣特性，推薦采用“預處理+吸附+催化燃燒”工藝。

本工藝采用“洗滌+干式過濾”作為預處理，將廢氣進入吸附系統前的顆粒物濃度降低至10 mg/m3，入口溫度降低至40 ℃，以確保吸附效果及吸附劑的使用壽命。其中洗滌預處理采用旋流板塔一方面可去除高沸點物質和顆粒物，另一方面還可通過氣液接觸而降低廢氣溫度。由于石蠟熱處理后將產生一定的焦油類物質，如采用填料塔易造成填料堵塞等狀況，而旋流板塔則可很好地避免該問題，且旋流板塔的占地面積小。干式過濾預處理則通過G4初效濾袋和F7中效濾袋將洗滌后的廢氣進一步除塵并攔截水汽，作為吸附系統的安全保障。

常見的吸附劑有活性炭、沸石分子篩、硅膠、樹脂等，由于該廢氣中不乏高沸點的物質，宜設置較高的脫附溫度以保障吸附劑再生后的吸附性能，而活性炭在高溫脫附時存在一定的安全隱患。與活性炭相比，分子篩具有不可燃性，高溫再生性好，表面疏水性可控等特點[6]，故本方案建議采用經濟可行的蜂窩分子篩作為吸附劑。

圖2 工藝流程Fig.2 Process Flow

3 設備設計及選型

3.1 旋流塔設計計算

旋流板開孔面積：

(1)

式中：A0——旋流板開孔面積，m2

F0——氣體通過旋流板開孔的動能因子，kg1/2/(x1/2·s)，取值12

V——氣體流量， Nm3/h

ρv——氣體密度，kg/m3

Dx——旋流葉片外徑，m

Dm——盲板直徑，m，取(Dx/3)

m——旋流葉片數，取24

δ——葉片厚度，取3 mm

α——葉片仰角，取25°

由此計算可得，旋流葉片外徑為：Dx=0.48 m

則計算旋流塔直徑：Di=1.25Dx=0.6 m

本系統設置4層旋流板，其中3層為洗滌層，1層為除霧層，則全塔總壓力損失為：

(2)

其中v為溢流口的液速，取0.45 m/s，據此計算可得全塔總壓力損失約1110 Pa。

3.2 吸附床設計計算

設計吸附層有效厚度L=600 mm，則單床吸附劑裝填量約0.83 m3，折合約500 kg。

吸附床總壓力損失為：

ΔP2=945.1ν1.055×L=273 Pa

3.3 脫附-催化燃燒系統設計計算

本系統設計脫附處理風量為1000 Nm3/h，催化燃燒系統采用鉑鈀貴金屬催化劑，其最佳的反應溫度為400 ℃，設計空速為18000 h-1，催化燃燒系統內部集成有換熱器，在換熱器的作用下脫附廢氣由100 ℃被預熱至250 ℃以上，催化反應后的排氣溫度在換熱器作用下由400 ℃降至250 ℃左右，該股排氣通過補風口補入的新鮮空氣混合成160 ℃直接用于吸附床脫附。

本催化燃燒系統采用電加熱形式，電加熱總功率：

本催化燃燒系統催化劑填充量：

蜂窩分子篩飽和吸附量25 mg/g，設置2個吸附床，單床裝填量500 kg。

進氣平均濃度按150 mg/m3計，廢氣流量為2500 m3/h，則單床吸附飽和時間為500×25×1000÷(150×2500)=33.3 h，考慮一定的安全系數，本系統設備單床吸附時長為24 h。

其中1#床吸附達24 h后，系統自動切換至2#床吸附，待2#床吸附21 h后，催化燃燒系統開始啟動，其預熱時間為0.5～1.0 h，預熱結束自動進入1#床進行脫附作業，脫附時長為2 h，1#床脫附完成后切換至2#床進行脫附作業，1#床進入吸附作業模式，待2#床脫附作業結束后，催化燃燒系統進入停機降溫狀態，等待下一輪脫附工作的開始，從而實現系統的在線脫附。本系統脫附周期為48 h。

催化燃燒系統設計處理風量為1000 m3/h，則催化燃燒系統入口平均濃度為：

150×2500×24÷(1000×2)=4500 mg/m3

3.4 風機選型

(1)吸附風機

流量：2500 m3/h；靜壓：3200 Pa；電機功率：5.5 kW。

(2)脫附風機

流量：1000 m3/h；靜壓：2800 Pa；電機功率：2.2 kW。

3.5 運行能耗分析

3.5.1 催化燃燒系統耗電量分析

本系統廢氣成分以烷烴為主，其質量發熱量約50 kJ/g，催化燃燒系統空荷載運行時電加熱總功率N0=65 kW，脫附過程中由脫附氣體進行氧化反應供熱，其供熱功率可按下式計算：

N1=1000×4500×50÷1000÷3600=62.5 kW

催化燃燒系統預熱時長按1 h計，預熱過程耗電量為65×1=65 kW·h。

脫附過程持續時長為4 h，脫附過程耗電量為(65-62.5)×4=10 kW·h。

3.5.2 風機耗電量分析

(1)吸附風機

吸附風機功率為5.5 kW，按每日24小時連續運行計，運行中電機運行功率約80%，則吸附風機日耗電量為5.5×24×0.8=105.6 kW·h。

(2)脫附風機

脫附風機功率為2.2 kW，每個脫附周期連續運行5 h，運行中電機運行功率約80%，則脫附風機單次耗電量為2.2×5×0.8=8.8 kW·h。

3.5.3 平均日耗電量分析

由于該系統脫附周期為48 h，脫附系統平均日耗電量約為147.5 kW·h。

4 運行結果

本系統目前已投運一年有余，為考察該廢氣處理系統的運行效果，分別在投運初期、運行6個月、運行12個月進行系統進出口廢氣濃度的檢測，結果如表1所示。

表1 有機廢氣檢測結果

(1)該有機廢氣處理系統運行1年來運行結果穩定，處理效率均達90%以上。

(2)經處理后的廢氣非甲烷總烴排放濃度均低于60 mg/m3，滿足《廈門市大氣污染物排放標準》(DB35/323-2018)中的有機氣態污染物排放限值。

5 結 論

(1)“旋流洗滌+干式過濾+蜂窩分子篩吸附濃縮+催化燃燒”工藝適用于硬質合金燒結尾氣的處理，其運行能耗較低，且處理效率可達90%以上。

(2)該工藝可推廣到類似處理風量小、廢氣濃度不穩定，且有機成分沸點范圍廣，存在一定危險性的有機廢氣治理領域。

(3)由于本項目僅考察一年的運行效果，對于系統長期穩定性運行效果還需繼續考察分析。