組合廢氣治理工藝在有機化工行業(yè)工程實例

黃文迪,楊煥

(1.山東海美儂環(huán)保科技有限公司,山東 濟南 250098;2.山東樸業(yè)建設集團有限公司,山東 濟南 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,特別是在有機化工生產(chǎn)過程產(chǎn)生的有機廢氣污染物(VOCs)污染環(huán)境的難題日益突出[1]。有機化工企業(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,可能會因收集不徹底、處理效率低導致向周圍環(huán)境逸散大量有異味、有毒害的廢氣,不僅對我們的環(huán)境造成破壞,還能對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)管部門最為關注的問題。

有機廢氣的處理技術的隨著科技的發(fā)展經(jīng)歷了漫的演變過程,即從最簡單的液體洗滌法逐步發(fā)展到液體/固體吸收法、高級氧化法、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、低級脂肪酸等易溶于水的物質特性被水吸收,從而達到凈化目的。該處理工藝簡單、管理相對方便、系統(tǒng)運維費用低,但是產(chǎn)生的廢水和結晶鹽會造成二次污染,需要對洗滌液和危廢進行處理;其次對有機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聯(lián)合協(xié)同使用。采用藥液反應吸收法是利用廢氣中的某些物質和所投加的藥液產(chǎn)生化學反應的化學性質去除廢氣中的有害物質,該工藝可以針對性地去除某些廢氣污染因子,如:堿性洗滌吸收法對HCl、H2S、脂肪酸類有效[6]。但是這種方法會產(chǎn)生二次污染,需要對洗滌液進行處理。活性炭吸附法是利用活性炭的吸附特性去除廢氣成分的方法,吸附效率在90%左右,對有機物的吸附容量在20%左右[7]。利用該工藝氣體需要將廢氣先進行預處理,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失活,吸附材料會產(chǎn)生危廢。臭氧氧化法是利用臭氧自身強的氧化性,可以直接將廢氣中有害成分直接氧化分解去除。該法對硫醇類、醛類等具有較好的效果,但是對苯系物效果相對較差,需要同水洗、活性炭吸附法并用,需要有足夠的停留時間,臭氧設備須配套安全設施。蓄熱式燃燒技術是一種在高溫狀況下燃燒的技術,又稱蓄熱式燃燒技術(Regenerative Thermal Oxidize)。根據(jù)廢氣的特點,當爐膛氧化室溫度達到760 ℃以上,煙氣停留時間大于0.8 s時,VOCs廢氣會直接被高溫氧化分解,生成CO2和H2O。該工藝去除效率高,可達99%,但從安全和運行費用方面需考慮廢氣濃度,濃度過低運行費用過高的問題,濃度過高存在安全風險[8-9]。

針對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,如控制處理的對象、控制所要達到的目標、所選用的處理技術是否會造成二次污染,以及需要處理的氣體流量的大小、處理設備的投資和運行費用問題、運行的安全問題等。除了具體的條件外,還要綜合考慮分析廢氣處理技術的可靠性和可行性。

1 項目概況

本項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釜、離心機、真空泵、廠區(qū)危險廢物暫存間及板框壓濾機房等設施環(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。其中反應釜、離心機和真空泵的排氣特性為風量小濃度高且不穩(wěn)定。危廢暫存間和壓濾板房出的排氣屬于大風量低濃度廢氣。兩者排氣均為常溫排氣。

為響應國家環(huán)保要求,企業(yè)前期對車間排氣進行收集并配套了廢氣處理設備,為了確保達標排放并在排氣筒配套的在線檢測系統(tǒng)與當?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,設計風量為20 000 m3/h。活性炭裝填量為3 m3。設備投運后發(fā)現(xiàn)活性炭飽和過快,經(jīng)過統(tǒng)計更換一周左右排氣出現(xiàn)超標現(xiàn)象。企業(yè)考慮到頻繁超標嚴重影響車間生產(chǎn),對廢氣處理系統(tǒng)進行了升級改造。

2 工藝分析

根據(jù)企業(yè)提供的設計風量為20 000 m3/h,通過實際檢測大部分時間排放的VOCs的質量濃度為300～500 mg/m3范圍內。對于有機化工企業(yè)生產(chǎn)所排放的廢氣多為不溶或難溶于水的有機物,單純的洗滌吸收難以去除有機物。通過前期以上的廢氣處理措施已驗證單一的活性炭吸附也難以保證系統(tǒng)能穩(wěn)定連續(xù)達標,而高級氧化法同樣不適應于本廢氣組分。焚燒法雖然處理效率高,能使排氣穩(wěn)定達標排放,但由于本企業(yè)排氣濃度在500 mg/m3以下,對于焚燒法處理該濃度廢氣難以支持處理系統(tǒng)自行運行所需的熱量,需要額外補充熱源,因此,需要額外補充熱源來維持系統(tǒng)運行,所以將會導致運行費用過高。

3 工藝設計

針對上述分析,企業(yè)通過對前期收集進行了升級改造,將反應釜、離心機和真空泵的排氣和廢暫存間和壓濾板房出的排氣進行分別收集,單獨排放。經(jīng)過多次實際檢測,高濃度排放的質量濃度在2 000～3 000 mg/m3,對應的風量～2 000 m3/h。低濃度廢氣質量濃度在100～200 mg/m3,對應的排氣風量～17 000 m3/h。考慮到分類處理原則,企業(yè)最終設計采用組合工藝,高濃度小風量廢氣進入蓄熱式焚燒設備(RTO),低濃度大風量廢氣進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)兩級水洗塔洗滌中和吸收并在除水霧之后直接送至RTO內焚燒,經(jīng)焚燒之后的排氣通過煙囪排放。低濃度廢氣進入一級堿洗塔,吸收處理掉廢氣中HCl及氨氣等酸性廢氣后再經(jīng)兩級水洗塔洗滌中和吸收并在除水霧之后進入可再生的活性炭吸附器吸附之后達標排放,本項目所用的活性炭吸附器具有可再生功能,即當吸附一段時間活性炭達到動態(tài)飽和后需要對活性炭進行升溫脫附再生,脫附下來的高濃廢氣進入RTO內焚燒,再生需要的熱風由RTO提供。通過該組合工藝既保證了廢氣能夠連續(xù)穩(wěn)定達標排放,也達到了節(jié)能減排的目的。

5 主要構筑物及工藝參數(shù)

5.1 洗滌吸收塔

本項目根據(jù)處理風量共有兩種規(guī)格的洗滌吸收塔,洗滌塔采用聚丙烯材質。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)、自動補水系統(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檢測系統(tǒng)和自動加藥系統(tǒng)。其規(guī)格尺寸分別為:處理2 000 m3/h洗滌吸收塔,數(shù)量兩臺堿洗、兩臺水洗,其設計參數(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臺堿洗、1臺水洗,其設計參數(shù)為:直徑2 500 mm,高度6 500 mm。

5.2 吸附再生設備

在本工程中,吸附再生設備采用固定床,吸附劑采用蜂窩活性炭。吸附器單元化制作,根據(jù)廢氣的處理風量,配置相應數(shù)量的吸附器。實際風量為17 000 m3/h,設計系統(tǒng)處理風量為20 000 m3/h 的系統(tǒng),配置2個處理風量為10 000 m3/h的吸附處理單元吸,吸附空塔流速0.8 m/s,停留時間0.6 s。按每天工作24 h,以實測平均質量濃度計算(150 mg/m3),吸附裝填數(shù)量可滿足4 d左右使用設計(活性炭動態(tài)吸附值10%設計確保系統(tǒng)達標排放)。吸附器采用鋼板制作并保溫,保溫層厚度100 mm,材質為巖棉。每個吸附單元需要配置四臺氣動切換閥門,對吸附、脫附操作進行切換;每個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。每個活性炭箱裝填活性炭的量為3 m3,兩個共裝63 m3。整體設計尺寸為:8 600 mm×3 400 mm×3 100 mm。兩個活性炭箱可同時吸附,也可單獨吸附另一個進行脫附再生。吸附一體機的吸附和脫附程序在自動狀態(tài)下均為一鍵啟動。可自動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由布氣室內含氣動廢氣切換閥、蓄熱室內含蓄熱陶瓷、氧化室內有用于加熱的燃燒系統(tǒng)。其工作原理為廢氣進入布氣室在切換閥作用下,待處理有機氣體分進入 A 塔蓄熱體的底部(該陶瓷蓄熱體儲存了上一循環(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,廢氣中的有機廢氣在蓄熱體升溫過程中,發(fā)生部分氧化分解反應,產(chǎn)生熱量進入爐膛內。在氧化室內,通過燃燒系統(tǒng)使氣體溫度再次升高到設定溫度(800～850 ℃),使有機氣體發(fā)生充分的氧化分解反應,變成CO2和H2O。有機氣體變成凈化的高溫氣體后進入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)同時引入一小股新鮮空氣(或反抽廢氣)吹掃C塔室。每完成一個步驟,VOCs氣體和潔凈氣體就會交互換向。系統(tǒng)歷經(jīng)蓄熱-放熱-吹掃程序周而復始,連續(xù)運行。如有機氣體濃度過低,致使氧化室內溫度過低,則燃燒系統(tǒng)全功率工作,系統(tǒng)裝機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,因此設有獨立的混風換熱裝置,可在上述活性炭箱需要再生時提供熱風,熱風溫度通過系統(tǒng)自動控制。RTO在自動狀態(tài)下均為一鍵啟動。可自動運行。本工程設計RTO進氣風量為3 000 m3/h,設計尺寸為:5 000 mm×2 000 mm×5 100 mm。

5.4 風機系統(tǒng)

本工程離心風機共三臺。三臺離心風機均采用變頻、防爆風機。其參數(shù)分別為:RTO風機風量3 000 m3/h,風壓3 500 Pa,功率11 kW,設計最高進氣溫度80 ℃。吹掃風機1 000 m3/h,風壓3 500 Pa,功率4 kW。吸附風機20 000 m3/h,風壓2 500 Pa,功率30 kW。

6 運行能耗計算

本企業(yè)每天為24 h運行,年平均運行天數(shù)為300 d。

新上設備年運行費用分析。電費0.7元/kWh,年運行電費為:(11+4+30)kW×24 h×300 d×0.7元/kWh =226 800元/a。天然氣運行費用:系統(tǒng)正常運行后,根據(jù)統(tǒng)計日平均天然氣用量為40 m3/d(天然氣用量與廢氣濃度有關),天然氣價格按照3.4 m3/元計算,則年天然氣運行費用為:40 m3/天×3.4元/m3×300天/年=40 800元/a。液堿運行費用:消耗量經(jīng)統(tǒng)計每天約80 kg。液堿價格按照1 000元/t,則液堿年運行費用為:0.080 t/天×300天/a×1 000元/t=24 000元/a。水費:平均每天消耗0.8 m3,水費價格按照3元/m3,則年運行所需水費為:0.8 m3/d×300 d/a×3元/m3=720元/a。活性炭的費用為8 000元/m3,本項目運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備年總運行費用為:340 320元/a。

原廢氣處理設備的年運行費用分析。年運行電費為: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)定達標活性炭平均約7 d更換一次,則年更換43次,活性炭費用為8 000元/m3,則年更換費用為:3 m3/次×43次/a×8 000元/m3=1 032 000元/a。年總運行費用為:1 207 200元。

7 總結

針對化工行業(yè)復雜又不同的生產(chǎn)工段,導致排放的廢氣特性也不一樣,本文結合當?shù)鼗て髽I(yè)實際情況根據(jù)實際情況,采用源頭分類收集、末端分質處理的措施,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)運行后,排氣筒上在線檢測一直穩(wěn)定達標。而且運行費用比前期設備大大降低,實現(xiàn)了節(jié)能減排、穩(wěn)定達標的宗旨。