ABS樹脂裝置的廢氣治理研究

侯衍哲

（中石油吉林化工工程有限公司，吉林 吉林 132000）

工業(yè)廢氣是指化工企業(yè)或者化工園區(qū)在工業(yè)生產(chǎn)的過程中因燃燒燃料等排放到大氣中的污染物，包括二氧化碳、含硫氮氧化物、一氧化碳、煙塵、工業(yè)粉塵等，一系列物質(zhì)通過呼吸道以不同方式進(jìn)入人體、積聚會(huì)對(duì)人體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。近年來，更多的研究集中在流向變換催化燃燒技術(shù)，其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)有利于工業(yè)化應(yīng)用成本的降低和效率的提高。目前國(guó)外大多將其應(yīng)用于環(huán)境工程和石化行業(yè)。我國(guó)迫切需要開發(fā)具有實(shí)用價(jià)值的低能耗、適用于低溫、低濃度的VOCs 廢氣處理工藝與設(shè)備。因此，許多學(xué)者和企業(yè)都致力于改進(jìn)廢氣治理裝置。在ABS 樹脂生產(chǎn)裝置廢氣治理領(lǐng)域，目前的理論研究和實(shí)踐數(shù)量并不算多。謝景偉（2014）以某石化公司合成樹脂廠的工業(yè)化要求設(shè)計(jì)安裝了ABS 樹脂裝置廢氣治理設(shè)備，對(duì)催化氧化法進(jìn)行了深入探究，經(jīng)過考核標(biāo)定最終確定了符合設(shè)計(jì)要求的工業(yè)化裝置，給本文提供了一定的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐思路。杜亮（2014）將研究重點(diǎn)放在了ABS 裝置廢氣治理項(xiàng)目的整體評(píng)估上，在提出工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)整體方案進(jìn)行了評(píng)估并給出了風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避措施。王海玥（2020）則針對(duì)合成樹脂行業(yè)的環(huán)境影響評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究，從廢氣評(píng)價(jià)因子選取和廢氣來源入手，并提出了一系列的廢氣處理措施。

本文在研究國(guó)內(nèi)工藝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，根據(jù)研究廠區(qū)的實(shí)際情況提出了ABS 樹脂裝置廢氣治理方案，首先明確催化氧化技術(shù)適用于ABS 樹脂生產(chǎn)裝置廢氣治理，接著進(jìn)行廢氣治理裝置設(shè)計(jì)，最后將該裝置應(yīng)用于工業(yè)實(shí)踐并針對(duì)運(yùn)行過程中存在的不足提出了優(yōu)化措施，以期為ABS 樹脂裝置的廢氣治理研究建言獻(xiàn)策。

1 國(guó)內(nèi)外工藝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 ABS 樹脂國(guó)內(nèi)國(guó)際生產(chǎn)情況

ABS 樹脂工藝的發(fā)展起源20世紀(jì)40、50年代，早在1947年，美國(guó)就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的工業(yè)化生產(chǎn)，但性能較差，在后續(xù)的發(fā)展過程中逐漸被淘汰。之后有公司開始利用乳液接枝法成功開發(fā)ABS 樹脂，英、法、德、日等國(guó)紛紛引進(jìn)該項(xiàng)生產(chǎn)技術(shù)并建設(shè)工廠，同時(shí)逐步開發(fā)新的更為完備的生產(chǎn)技術(shù)。到了90年代，世界范圍內(nèi)的ABS樹脂生產(chǎn)量大幅度增加。從消費(fèi)結(jié)構(gòu)來看，歐美ABS 樹脂主要用于汽車、電器、器具和建筑領(lǐng)域，日韓主要用于汽車行業(yè)，亞太地區(qū)大多數(shù)國(guó)家用于器具和玩具領(lǐng)域。我國(guó)早期ABS 樹脂生產(chǎn)工藝發(fā)展進(jìn)度緩慢，技術(shù)遠(yuǎn)不如發(fā)達(dá)國(guó)家，但是生產(chǎn)量總體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

1.2 國(guó)外ABS 樹脂裝置廢氣治理情況

國(guó)外部分發(fā)達(dá)ABS 樹脂裝置廢氣處理工業(yè)化程度深，已經(jīng)具備較為完善成熟的治理技術(shù)。就VOCs 廢氣治理技術(shù)而言，國(guó)外值得借鑒的成熟的治理工藝有：直燃式廢氣處理爐，廢氣去除效率高達(dá)99.5%；催化式廢氣處理爐，優(yōu)點(diǎn)在于使用年限長(zhǎng)；全熱交換器，設(shè)備采用離子樹脂為吸濕劑，成功緩解了傳統(tǒng)材料導(dǎo)致的氣味問題；搭配VOC濃縮裝置的廢氣處理爐，適用于低濃度及較低溫的排氣。總體上，發(fā)達(dá)國(guó)家十分重視工業(yè)廢氣的治理，不管是在經(jīng)濟(jì)投入還是技術(shù)創(chuàng)新方面都有可圈可點(diǎn)之處。

1.3 國(guó)內(nèi)ABS 樹脂裝置廢氣治理情況

圖1 直燃式廢氣處理爐

在長(zhǎng)期的廢氣治理過程中，許多實(shí)驗(yàn)室和企業(yè)已經(jīng)逐漸摸索出完善的廢氣治理工藝，主要包括吸收、氧化、吸附、活檢、等離子體等處理工藝。目前來說，最常用的兩種廢氣治理方法為氧化物燃燒和吸附，此外還有生物等離子體VOCs氣體控制技術(shù)。催化燃燒氧化法在實(shí)際的處理過程中對(duì)預(yù)熱的溫度要求不高，廢氣治理安全指數(shù)較高，與此同時(shí)該方式的治理成本也較低，在實(shí)踐的應(yīng)用中廣受青睞。

2 ABS 樹脂裝置廢氣治理方案

2.1 廢氣檢測(cè)及催化劑評(píng)價(jià)

常用的ABS 裝置廢氣治理方式為蓄熱式燃燒法，本文為了探究催化氧化技術(shù)是否適用于ABS 樹脂生產(chǎn)裝置廢氣治理，進(jìn)行了為期3 個(gè)月的中試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)材料有AN、ST 標(biāo)準(zhǔn)氣以及從生產(chǎn)裝置排氣管道中采集的ABS 管線低聚物。實(shí)驗(yàn)方法為針對(duì)排出的含有AN 和ST 的VOCs 廢氣采用催化氧化法利用相關(guān)的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行處理以期將AN、ST 轉(zhuǎn)化為無害的H2O 和CO2。實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后采用色相氣譜法、鹽酸萘乙二胺比色法進(jìn)行檢測(cè)分析，所用儀器包括針筒、光電分光光度計(jì)以及電子天平等。該實(shí)驗(yàn)采用的催化劑為整體型蜂窩催化劑，具有熱穩(wěn)定性良好、結(jié)合力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。接著本文考察了在不同空速和不同溫度下總烴去除效率，最終確定了催化劑的最佳操作條件為溫度340 ℃、空速15 500 h-1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在該操作條件下苯乙烯的去除效率達(dá)到98.5%，丙烯腈的去除率達(dá)到98%，低聚物分解效率達(dá)到99.5%，抑氮率更是達(dá)到了80%。在該技術(shù)條件下處理之后的廢氣，AN、ST 處理情況均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)且穩(wěn)定性良好。

表1 實(shí)驗(yàn)室催化劑抑氮實(shí)驗(yàn)情況

2.2 廢氣治理裝置設(shè)計(jì)

本文所采用的ABS 樹脂廢氣治理裝置由預(yù)分離單元和主反應(yīng)器組成，用于處理研究車間凝聚干燥單元和混煉造粒單元所產(chǎn)生的VOCs 廢氣，成為主要為AN 和ST。預(yù)分離單元用于分離進(jìn)入反應(yīng)器前廢氣中含有的味完全反應(yīng)化學(xué)品、低分子聚合物、氣體顆粒物等；反應(yīng)器采用旋轉(zhuǎn)翼型蓄熱式催化氧化爐對(duì)廢氣進(jìn)行預(yù)熱并回收煙氣，同時(shí)采用前文檢測(cè)評(píng)價(jià)優(yōu)良的催化劑對(duì)有機(jī)揮發(fā)物進(jìn)行催化和氧化處理。具體來說，RCO 工藝流程較為復(fù)雜，需要進(jìn)行二次催化反應(yīng)。第一次是與凈化氣分離之后的污染氣通過陶瓷蓄熱體升溫之后經(jīng)過催化劑層對(duì)VOCs 進(jìn)行氧化反應(yīng)；第二次為燃燒之后的氣體向下再次經(jīng)過催化劑層進(jìn)行催化氧化反應(yīng)，整個(gè)過程裝置會(huì)連續(xù)自動(dòng)升溫送氣。此外，關(guān)于雜質(zhì)的去除主要是通過絲網(wǎng)折流板除霧器和活性炭吸附除霧器，其中濾棉和陶瓷塊需定期更換。最后也是最重要的，需要更具國(guó)家規(guī)范和要求對(duì)所設(shè)計(jì)的裝置進(jìn)行整體評(píng)價(jià)，涵蓋的性能指標(biāo)需包括去除效率、ROC裝置可用率、催化劑壽命以及裝置運(yùn)行的安全情況。ROC 反應(yīng)器的效率應(yīng)當(dāng)高于95%，裝置系統(tǒng)可用率保證在98%及以上，催化劑壽命保證期需長(zhǎng)達(dá)25 000 h，事故發(fā)生率為0。

圖2 ROC 裝置效果圖

3 方案應(yīng)用情況及優(yōu)化

將設(shè)計(jì)的裝置方案進(jìn)行試運(yùn)行并對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行采樣，每2 h 記錄1 次，采樣時(shí)間總共為72 h。從爐內(nèi)燃燒效果來看，大量粘性殘液進(jìn)入反應(yīng)爐前可過濾從而遠(yuǎn)離催化劑載體表面，使得廢氣能夠得到充分、有效的燃燒，無固體沉積，雜質(zhì)去除率達(dá)到了96%，符合95%及以上的預(yù)期目標(biāo)。從ROC反應(yīng)器溫度控制情況來看，裝置內(nèi)部形成了較好的熱循環(huán)，良好的蓄熱材料使得燃燒器自熄滅后裝置能夠不借助外力就把廢氣燃燒，而燃燒的廢氣又進(jìn)一步給蓄熱材料補(bǔ)充能量，由此在工業(yè)化生產(chǎn)的過程中節(jié)約了不少能源，與此同時(shí)反應(yīng)器的內(nèi)部燃燒溫度一直控制在345～420 ℃之間，符合預(yù)期。從VOCs 出口濃度來看，廢氣處理之后AN、ST 氣體和NOx 含量較低，已經(jīng)能夠達(dá)到國(guó)家工業(yè)環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)。從甲烷氣流量來看，運(yùn)行狀態(tài)下甲烷氣耗量遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)要求20 Nm3·h-1。從廢氣流量來看，實(shí)際流量在22 000～34 000 Nm3·h-1之間，高于設(shè)計(jì)值，但不影響實(shí)際處理效果。除此之外，裝置內(nèi)部爐膛溫度和壓力大致處于穩(wěn)定狀況，控制穩(wěn)定，整體系統(tǒng)和機(jī)電設(shè)備也正常運(yùn)作，能夠滿足工業(yè)化生產(chǎn)的各項(xiàng)指標(biāo)，安全指數(shù)可靠。

盡管該廢氣處理裝置工業(yè)化實(shí)驗(yàn)良好，能夠滿足基本要求，但是仍然存在一些有待改進(jìn)的地方。一方面，目前來看集水槽設(shè)計(jì)還不夠完善，過濾水和蒸汽管線偶有凍堵情況出現(xiàn)，接下來應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步改造優(yōu)化集水槽進(jìn)水管路的液封以保證正常排水以及再生用蒸汽的收集；另一方面，過濾器堵塞問題也較為嚴(yán)重，濾棉更換情況頻繁，增加了經(jīng)濟(jì)成本，可以通過上調(diào)過濾器預(yù)設(shè)原差壓來解決這一問題，同時(shí)簡(jiǎn)化操作，將一效過濾器改為夾芯結(jié)構(gòu)，二效過濾器采用蒸汽清洗等。

4 結(jié) 論

總的來說，本文探究了催化氧化技術(shù)在ABS 樹脂生產(chǎn)裝置廢氣治理過程中的應(yīng)用，同時(shí)改進(jìn)了傳統(tǒng)的工藝技術(shù)，設(shè)計(jì)了新的廢氣治理裝置，該廢氣處理裝置工業(yè)化實(shí)驗(yàn)良好，能夠滿足基本要求，同時(shí)，針對(duì)工業(yè)化過程中存在的新問題也提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施，以期最終實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的正常運(yùn)作，最大限度滿足工業(yè)化生產(chǎn)的各項(xiàng)指標(biāo)，不斷提高生產(chǎn)安全指數(shù)，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。