活性炭有機廢氣高效吸附回收工藝的實踐應用研究

桑慧萍

（山西省運城市生態環境局垣曲分局 山西運城 043700）

引言

目前對有機廢氣的處理手段主要有2 類，一類是破壞性消除法，如焚燒和催化燃燒法等，將VOCs 轉化為CO2和H2O；另一類是回收法，如吸附法、吸收法、冷凝法和膜分離法[1]。用吸附法處理工業有機廢氣是目前廣泛采用的方法之一，吸附劑可以再生循環使用，有機溶劑可以回收。吸附法幾乎適用于所有的氣相污染物，尤其是中低濃度的氣相污染物，具有去除效率高的優點。工業有機廢氣由于氣態污染物含量低，且廢氣氣量大、凈化要求高，因此吸附法也成為治理工業有機廢氣的首選方法[2]。制藥企業原料藥廠的生產過程，也是一種工業生產工程，其生產過程中需要用到大量的揮發性有機溶液，并產生大量有機廢氣，這些有機廢氣如不進行處理直接排放，將會給大氣造成嚴重的污染。因此，制藥企業原料藥廠有機廢氣的有效治理，對降低大氣污染有著重要意義。

1 項目概況

山西某制藥企業原料藥廠廢氣最大排放風量為60000m3/h，廢氣濃度長期在500mg/m3左右，加料和卸料時濃度出現峰值，達到1500mg/m3上下，每次持續時間約30 min。出現峰值時間各車間基本相同，為9:00 加料，16:00 左右卸料[3]。由于生產產品的多樣性，造成廢氣成分多變，成分比較復雜。本項目廢氣主要成分及其物化參數如表1 所示。

表1 廢氣主要成分及其物化性質 (單位： ℃)

2 項目有機廢氣原治理工藝分析

本項目原采用傳統活性炭吸附回收工藝治理有機廢氣，其工藝流程復雜，吸附材料為活性炭，吸附材料使用壽命為1.5a，廢氣的去除率為90%，但油水分離效果一般，并有二次污染，系統操作繁瑣，運行不穩定，占地面積大，且能耗也較大（155kWh）。

從實踐應用來看，項目有機廢氣治理原工藝存在的主要問題為廢氣中的氣態污染物去除率偏低，廢氣排放不易達標；分離裝置落后，有機溶劑回收率偏低，且易造成二次污染；設備單元操作切換頻繁，運動部件多、故障率高，維護費用大；設備能耗大，運行費用偏高。基于這些問題，對原有的有機廢氣治理工藝進行優化勢在必行。

3 活性炭有機廢氣高效吸附回收工藝的設計

3.1 工藝設計

針對傳統活性炭吸附回收工藝存在的問題，本項目進行了大量的試驗研究和數據收集整理工作。對不同沸點的有機氣體的吸附、脫附、冷凝回收過程進行研究，進一步了解并掌握吸附回收過程中的一些規律，得到不同吸附劑對不同污染物吸附、脫附過程的定量數據，為制定本項目的處理工藝提供了設計依據。

本項目成果是在多次實驗并搜集大量第一手數據的基礎上，以自有專利技術“氣動角閥”“堿洗—吸附冷凝回收黏膠纖維生產廢氣”“有機溶劑回收裝置”等為核心技術進行后續研發轉化而成的。在研制過程中，本著工藝指標先進、治理與回收并舉、自動化程度高、安全可靠的原則進行開發設計，使用對象定位于排放工業有機溶劑廢氣的各類企業。活性炭有機廢氣高效吸附回收工藝的技術目標定為“確保有機溶劑廢氣達標排放，提高有機溶劑廢氣的回收利用率，運行經濟、平穩，操作簡便，安全可靠”。活性炭有機溶劑廢氣吸附回收流程如圖l 所示。

圖1 活性炭有機溶劑廢氣吸附回收流程

本裝置由廢氣預處理部分、吸脫附部分、冷凝分離部分及控制系統組成。工作時4 臺吸附罐中的2 臺串接吸附，1 臺脫附，1 臺干燥冷卻，4 個吸附罐交替運行，保證了溶劑廢氣的連續回收。從活性炭表面脫附下來的溶劑蒸氣和水蒸氣進入冷凝器冷凝成液體后，混合液體進入比重分離槽自動分離，分離出來的溶劑液進入儲罐，廢水直接排到廢水處理廠。機組的主要工藝參數如表2 所示。

表2 主要技術參數率

3.2 特點分析

活性炭有機廢氣高效吸附回收裝置由于對吸附脫附工藝過程進行了一系列的改進、對油水分離器進行了重新開發設計，因而特點鮮明，吸附回收效果較好。該裝置結構簡單、工藝合理，采用了吸附劑脫附后免干燥冷卻、直接吸附、邊冷卻和低溫干燥邊吸附工藝，因而節能效果明顯，同時降低了一次性投資；長流道延遲式連續油水分離器的設計應用，確保了較高的有機溶劑回收率和回收純度；有機溶劑去除率高于國內大多數同類裝置；對有機廢氣的流量和進口濃度適用范圍較寬；預置了多套不同的備選程序，可供不同工況時通過人機對話界面選用，運行平穩、操作簡單、安全可靠、自動化程度高；用戶易于接受，便于推廣普及，可有效減輕有機廢氣污染，回收利用有機溶劑資源。

4 活性炭有機廢氣高效吸附回收工藝及裝置關鍵技術分析

4.1 改進了傳統的吸附+脫附工藝流程

由于吸附量是隨著溫度的升高而下降的，為此需在含有機溶劑的廢氣進入吸附罐之前進行過濾冷卻，以提高吸附劑的吸附量，活性炭有機廢氣高效吸附回收工藝去掉了傳統工藝在脫附后的冷卻、干燥過程，直接通入已經冷卻的含有機溶劑的廢氣，邊冷卻低溫干燥邊吸附[4]。在開始階段，雖然高溫脫附使吸附罐的溫度較高，但在低溫廢氣吸附過程中，開始時所形成的飽和區溫度將逐步下降，飽和區的平衡被破壞后又重獲吸附能力，轉變為交換區，既簡化了單元操作又確保了裝置的工作效率，同時也大大降低了一次性投資。另外，由于隨著吸附室壓強的提高，吸附層易形成多分子層而使吸附量提高，因此本流程采用高壓引風機將廢氣排入吸附罐，合理分配吸附層，保持吸附罐處于正壓狀態，以提高吸附量。

4.2 油水分離槽采用重力分離原理

利用有機溶劑與水的比重差別，油水分離槽采用重力分離原理，合理設計分離槽內的流道，加裝一定數量的折流板，延遲冷凝液進入分離室的時間，保證在連續分離過程中有足夠的分離時間，確保分離效果，同時加長了冷凝液進口與分離室的距離，大大降低了冷凝液進入分離室時對油水分離界面的擾動。分離室中的水通過下部的通道進入儲水室，儲水室設有擋板I，水通過擋板I 上部進入緩沖室，然后經出水口排出；在分離室設有上端傾斜2°的擋板II，分離室上層的油液經擋板II 進入儲油室，然后經出油口排出。通過 調整儲水室擋板I 的高度，可以調整油水分界面的位置，使之與擋板II 的高度相匹配；擋板II 上端傾斜2°可以保持油液在不同流量時的流速穩定；當分離結束時，通過調整擋板I 的高度可以確保液體分界面與擋板II 之間的殘留溶劑全部排出；同時油水分離槽便于清洗[5]。

4.3 控制系統采用了人/機對話界面進行操作

根據廢氣的流量、溫度、有機物蒸氣濃度等不同工況，預先編有多套不同的操作程序，儲存在PLC 中可供選用。同時，根據現場的具體情況，可分別對每一個操作程序中的具體參數進行修訂并儲存。這不僅極大地提高了裝置的適應能力，而且實現了操作全過程的自動化控制，將繁瑣的操作簡單化，提高了系統操作的方便性以及運行的穩定性和可靠性[6]。

4.4 配置多道自動控制的安全報警和連鎖防護裝置

加設廢氣排出機臺的火災報警裝置，一旦生產車間機臺發生火災或排風機故障，活性炭有機廢氣高效吸附回收裝置立即報警并切斷機臺至系統風道，保證不因車間機臺原因影響系統安全[7]。在車間機臺與活性炭有機廢氣高效吸附回收系統風道風門之間加裝自動檢測風門位置裝置，并設有報警連鎖功能，保證風門一旦出現機械故障，系統能夠立即報警并通知機臺快速停機，確保生產安全。活性炭有機廢氣高效吸附回收系統設有抽風機故障報警連鎖，一旦抽風機出現機械故障，系統可立即將機臺到控制風門置于排空狀態，并發出報警信號，保證生產機臺的廢氣濃度不超標；設置吸附罐、風道的火災檢測報警功能，一旦出現火警活則性炭有機廢氣高效吸附回收系統可自動打開消防水道的閥門；同時，系統所有的動作均采用氣動遠程控制，確保廢氣風道、有機溶劑管道無電觸點，消除電接點火花所產生的安全隱患。

5 運行情況

當前山西某制藥企業原料藥廠活性炭有機廢氣高效吸附回收工藝及裝置已建設完成并投入使用，所有設施從投入運行至今，運行情況良好，系統投入運行后VOCs 排放濃度＜40mg/m3，遠低于國家和山西省的排放標準。同時，該活性炭有機廢氣治理回收工藝及裝置具有技術先進、經濟合理、適應性強等特點，可保證應用企業有機廢氣達標排放，且有機溶劑回收率（＞180%）和回收純度（≥99%）較高，節能、運行費用低、設備故障率低、運行穩定、便于維護，可使應用企業在有效治理有機廢氣污染的同時，將有機溶劑回收再利用，以及取得可觀的經濟效益。經當地環境監測站等檢測機構測定與綜合驗收評價，山西某制藥企業原料藥廠活性炭有機廢氣高效吸附回收工藝及裝置整體設計合理，各主要經濟技術指標均達到規定的要求，未發現超標排放現象，氣體中的各種污染物含量均符合國家排放標準，能滿足該企業正常生產下的環保要求。

結論

以山西某制藥企業原料藥廠為研究對象，設計活性炭有機廢氣高效吸附回收工藝及裝置治理企業有機廢氣排放不達標問題，投入實際運行后 VOCs 排放濃度符合國家和山西省地方排放標準，活性炭有機廢氣高效吸附回收工藝能對有機廢氣進行高效吸附，因此該工藝及裝置對VOCs 的治理穩定有效，可在同類型企業中進行推廣應用。