一種甲醇尾氣回收工藝的節能優化及流程模擬

靳沛文，袁野

（華陸工程科技有限責任公司，西安 710065）

1 引言

隨著工業的快速發展， 工業廢氣的治理和資源回收問題日益受到關注。 工業廢氣的排放對環境和人類健康構成諸多潛在威脅， 其中甲醇廢氣和污水是一種常見且具有毒性的工業廢物。 甲醇是一種揮發性有機化合物，廣泛應用于工業生產中，因此，大量的含甲醇廢氣和污水在生產中被排放到環境中。 對土壤、水體、生產安全和空氣質量造成嚴重污染。

為了解決這些問題，人們開始關注甲醇的工業廢氣治理和資源回收技術。 通過合理的尾氣處理和回收技術，可以降低尾氣甲醇含量和污水排放量，保證操作安全性并減少對環境的污染。

2 傳統甲醇尾氣回收工藝及存在問題

傳統的含甲醇尾氣吸收裝置多采用兩級吸收塔結構，新鮮水作為吸收劑由第二級塔頂進入， 對從第一級吸收塔塔釜進入的尾氣進行逆流吸收， 含甲醇廢水從第二級吸收塔底部排出，達標尾氣從二級吸收塔頂部排出[1]。 傳統含甲醇尾氣吸收工藝流程如圖1 所示。

圖1 傳統含甲醇尾氣回收工藝流程

從圖1 可以看出， 第二級吸收塔需要補充大量的新鮮水以吸收尾氣中的甲醇。

以上述流程為示例，用Aspen plus 對流程進行含甲醇尾氣吸收工藝的模擬計算[2]。吸收是分離技術的一種，理論基礎為相平衡理論。 對于吸收過程是否計算準確，取決于計算相平衡的方法是否選擇得當。 針對用水吸收甲醇的吸收傳質工藝，采用NRTL 模型進行熱力學平衡計算，洗滌塔則采用嚴格計算模型。 本流程含甲醇尾氣進料溫度31 ℃， 進料壓力0.014 MPa（G），流量1 100 kg/h，組成見表1。

表1 含甲醇尾氣組成

根據GB 31571—2015 《石油化學工業污染物排放標準》，廢氣中甲醇污染物排放限值為50 mg/Nm3。

通過調整二級塔新鮮水用量，來控制尾氣中甲醇的含量，使排放達標，達標尾氣溫度25 ℃，常壓排放。 模擬計算結果見表2。

表2 傳統含甲醇尾氣吸收工藝計算結果

根據表2 可以看出， 將新鮮水用量調整到24 000 kg/h，二級吸收塔尾氣中幾乎不含甲醇（5×10-15kg/h），折算排放濃度約7×10-12mg/Nm3， 比要求排放濃度50 mg/Nm3低了數個數量級。即能夠滿足GB 31571—2015 甲醇污染物排放要求。

然而， 傳統工藝雖然可以通過調整新鮮水用量使甲醇的排放濃度滿足了GB 31571—2015 的要求，但仍存在一些主要問題：首先，為了使甲醇尾氣達標排放，消耗新鮮水量非常大，不符合生產經濟性。 其次，由吸收塔底部排放的污水中含有高濃度的甲醇等有機物。 這些有機物具有毒性，對水生生物和生態系統具有破壞性。 傳統的污水處理工藝通常難以有效去除污水中的甲醇，導致甲醇等有機物進入自然水體，對水生生物和環境造成不可逆轉的損害。 如果含甲醇污水未達標排放，對于水體生態系統將產生嚴重危害。

綜上，通過對傳統工藝進行計算，調整新鮮水用量可以有效控制甲醇的排放濃度，使其滿足環保要求，為工業生產中的甲醇廢氣治理提供了一種解決方案。 然而，該工藝消耗了大量的水資源，不符合節水要求，并且污水排放量大，對配套污水處理的能力要求高，且對土壤水體環境存在危害風險。 因此，在實際應用中，仍需進一步優化工藝，在滿足甲醇達標排放的前提下，最大化降低新鮮水的耗量、減少污水排放。

3 含甲醇尾氣回收優化工藝

本工藝通過調整原兩級吸收塔為單級吸收塔并組合1 臺甲醇-水精餾塔，使新鮮水由單級吸收塔塔頂通入，含甲醇混合液由吸收塔塔底經泵加壓送至精餾塔， 在塔頂回收高純度甲醇，塔底釜液則可通過泵回流至吸收塔做吸收液循環。 通過優化工藝，僅需在單級吸收塔中補充少量新鮮水，就可以保證尾氣達標排放。 同時可以通過精餾操作將甲醇和水分離，實現了高純度甲醇的回收利用。 塔釜液因僅含有極少量甲醇，又可以作為吸收塔的吸收液循環。該工藝不產生理論污水排放。含甲醇尾氣回收優化工藝流程如圖2 所示。

圖2 含甲醇尾氣回收優化工藝流程

優化后的方案的主要技術要點如下。

首先， 優化后的流程通過增設的精餾塔實現了甲醇的分離， 精餾塔釜的液相可返回單級吸收塔作吸收液循環吸收尾氣中的甲醇。 因此，僅需向單級吸收塔中補充少量的新鮮水，即能夠確保尾氣達到排放標準。 這一流程優化極大地減少了對新鮮水的需求量，從而節約了大量的水資源。 相較于傳統工藝，這一優化措施更加符合可持續發展的原則。

其次，新增的甲醇-水精餾塔是流程優化的關鍵。含甲醇的混合液由吸收塔的底部排入精餾塔，在精餾塔的頂部回收高純度的甲醇，而底部的釜液則可循環回吸收塔作為吸收液。 這一操作使得甲醇得以高效地回收利用[3]。同樣地，塔底釜液含有極少量的甲醇，可以作為吸收塔的吸收液，實現了循環使用。這一優化方案不僅提高了甲醇的回收率，還減少了污水的產生。

此外，相比于原有的兩級吸收工藝，優化后的工藝具有更小的塔徑，從而可以優化設備布置，并且減少了工廠所需的占地空間。 這對于提高工藝的經濟效益和可行性至關重要。

綜上，通過將兩級吸收塔調整為單級吸收塔并引入甲醇-水精餾塔，優化后的工藝實現了新鮮水用量的減少、甲醇的高效回收以及降低污水排放的節能目標。

按照調整后的流程， 對表1 中的含甲醇尾氣進料進行模擬計算，達標尾氣溫度56 ℃，常壓排放。 結果見表3。

表3 優化后含甲醇尾氣吸收工藝計算結果

根據表3 計算結果可以看出， 新鮮水用量為280 kg/h，較傳統含甲醇尾氣吸收流程減少23 720 kg/h， 吸收塔尾氣中甲醇流量0.035 kg/h，折算排放濃度約38 mg/Nm3，低于要求排放濃度50 mg/Nm3，滿足GB 31571—2015 甲醇污染物排放要求。

4 結果分析

對比傳統和優化后的工藝流程及數據后發現， 含甲醇尾氣回收節能優化工藝比傳統工藝的新鮮水用量、 污水排放量大幅降低。 優化節能前后耗能對比見表4。

表4 能耗對比

從表4 可以看出， 優化工藝對比傳統工藝， 在節約新鮮水、實現零污水排放等方面有顯著優勢，可以降低對環境的污染，減少潛在安全風險。

5 結語

從上述流程結果可以看出， 優化后的流程工藝降低了新鮮水耗量，減少了污水排放，同時回收了尾氣中的甲醇，較傳統二級吸收塔流程，具有更大的應用潛力和經濟效益，值得在工業生產中進一步推廣和應用。