蔣岳芳,馬建永,吳海峰
(杭州名鑫雙氧水有限公司,浙江 杭州310053)
蒽醌法生產(chǎn)雙氧水,是利用醌類物質(zhì)可以被氫化還原再重新回復(fù)成醌的性質(zhì),以烷基蒽醌衍生物為載體,在催化劑下被氫化,而后氧化合成雙氧水。杭州名鑫雙氧水有限公司有一套10萬t/a(折27.5%)雙氧水生產(chǎn)裝置,采用蒽醌法鈀催化劑生產(chǎn)工藝,以2-乙基蒽醌為載體,以芳烴和磷酸三辛酯為溶劑配制成混合工作液,工作液在一定的溫度、壓力和鈀催化劑的作用下,與氫氣進(jìn)行氫化反應(yīng),氫化完成液再與空氣中的氧氣進(jìn)行氧化反應(yīng),得到的氧化液經(jīng)純水萃取、凈化得到雙氧水。工作液經(jīng)處理后循環(huán)使用。主要生產(chǎn)工序有配制、氫化、過氧化、萃取、后處理以及公用輔助工序等組成。
在蒽醌法生產(chǎn)雙氧水過程中,壓縮空氣進(jìn)入氧化塔與氫化液進(jìn)行氧化,氧化反應(yīng)過程中只消耗其中的氧氣,而大部分氣體由氧化塔頂部經(jīng)氣液分離后排出,氧化尾氣排放溫度為45~48℃,壓力為0.20~0.25MPa。每噸27.5%H2O2產(chǎn)品尾氣排放量約1 220m3,由于芳烴沸點(diǎn)低,易揮發(fā),芳烴由液相轉(zhuǎn)化成氣相隨氧化尾氣排入大氣,如不對(duì)這部分芳烴進(jìn)行回收處理,不僅消耗增加,而且會(huì)污染環(huán)境。其氧化尾氣組成見表1。
表1 氧化尾氣組成(體積百分比)
該裝置于2010年7月投產(chǎn),氧化尾氣中的芳烴回收采用渦輪膨脹法,通過降溫來冷凝氣體中的芳烴(見圖1)。
圖1 渦輪膨脹法氧化尾氣處理流程圖
氧化尾氣經(jīng)過三級(jí)冷凝最終溫度能降到2~5℃,三級(jí)回收的芳烴直接進(jìn)入生產(chǎn)系統(tǒng)使用,雖說此時(shí)尾氣已達(dá)到環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn),但經(jīng)檢測(cè)尾氣中芳烴含量依然有0.5%~0.6%,為了節(jié)能降耗,保護(hù)環(huán)境,于2014年6月對(duì)經(jīng)膨脹機(jī)處理后尾氣中的芳烴進(jìn)行技改回收處理。
氧化尾氣中的芳烴經(jīng)過膨脹機(jī)冷卻回收后還帶有芳烴,進(jìn)一步采用活性炭或碳纖維吸附技術(shù),對(duì)廢氣進(jìn)行吸附,可最大程度回收廢氣中的芳烴,減少系統(tǒng)芳烴損耗。
該技術(shù)選用國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的第三代活性炭產(chǎn)品——碳纖維(ACF)吸附裝置。碳纖維是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新型高效吸附劑,具有較大的比表面積(1 000m2/g~3 000m2/g)和豐富的微孔,微孔體積占總孔體積的90%以上,微孔直徑約10Angstron(1Angstron=1×10-10m左右),故它有很強(qiáng)的吸附能力。與傳統(tǒng)的粒狀活性炭(GAC)相比,碳纖維ACF具有以下特點(diǎn):
(1)ACF與GAC的孔結(jié)構(gòu)有很大的差異,ACF的孔分布基本成單分散狀,主要由小于2.0 nm的微孔組成,且孔口直接開在纖維表面,其吸附物質(zhì)到達(dá)吸附位的路徑短,纖維直徑細(xì),與吸附物質(zhì)的接觸面積大,增加吸附機(jī)率且可均勻接觸。
(2)比表面積大,最大可達(dá)到2 500m2/g,是GAC的10~100倍;吸附容量大,是GAC的1.5~100倍;吸附能力是GAC的400倍以上;吸附脫附速度快,ACF對(duì)氣體的吸附數(shù)10 s至數(shù)分鐘便可達(dá)到平衡。
(3)ACF不僅對(duì)高濃度的吸附物質(zhì)吸附能力強(qiáng),對(duì)低濃度的吸附物質(zhì)吸附能力也很優(yōu)異,特別適合經(jīng)過預(yù)處理后再處理。
(4)孔徑分布范圍窄,絕大多數(shù)孔徑在100Angstron=(1Angstron=1×10-10m),GAC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有微孔,過渡孔與大孔之分,而ACF只有微孔,少量的過渡孔,沒有大孔,且孔徑分布均勻,分布比較狹窄為0.1~1 nm,這是ACF選擇性吸附較好的原因。
(5)耐熱耐酸堿,具有很好的氧化還原性。
(6)體積密度小,濾阻小,是GAC的1/3,可吸附黏度較大的液體物質(zhì),且動(dòng)力損耗小。
(7)ACF易再生,工藝靈活性大,不易粉化及沉降,這些特征有利于吸附與脫附。
此次技改采用活性碳纖維(ACF)吸附技術(shù)對(duì)膨脹機(jī)處理后的尾氣中的芳烴進(jìn)行回收,其原理是利用吸附劑—活性碳纖維的多孔結(jié)構(gòu),當(dāng)經(jīng)過膨脹機(jī)冷凝后的氧化尾氣通過活性碳纖維床層時(shí),其中的有機(jī)物被碳纖維吸附、截留,從而使廢氣得到凈化排放。
經(jīng)考察認(rèn)證,選用如下處理工藝(見圖2)。
圖2 碳纖維(A CF)吸附氧化尾氣處理流程圖
2.2.1 尾氣預(yù)處理
膨脹機(jī)組排出的重芳烴氧化尾氣首先經(jīng)過預(yù)處理設(shè)備分離、過濾尾氣夾帶的雙氧水、蒽醌、磷酸三辛酯,目的是延長(zhǎng)活性碳纖維使用壽命,提高吸附效率;同時(shí)降低尾氣降壓時(shí)的噪音。
2.2.2 吸附過程
經(jīng)過預(yù)處理的尾氣通過氣動(dòng)擋板閥進(jìn)入吸附器,含重芳烴組分的有機(jī)廢氣穿透活性碳纖維吸附層時(shí),重芳烴組分被吸附,被吸附凈化后的廢氣由吸附器頂部排出。
2.2.3 脫附過程
裝置采用飽和水蒸氣為脫附劑,脫附蒸氣由吸附塔頂部進(jìn)入,穿透活性碳纖維床層,通過加熱、置換和吹掃,將被吸附濃縮的有機(jī)組分脫附出來,并帶入冷凝器。
2.2.4 冷凝回收
脫附出來的重芳烴及蒸氣混合氣體,經(jīng)過一級(jí)冷凝器冷凝、氣液分離后,液態(tài)部分與吸附器箱體冷凝液匯合后流入二級(jí)冷凝器,再度冷卻后進(jìn)入分層槽,由于重芳烴不溶于水,密度比水小,水和重芳烴組分通過分層槽的重力沉降分離,達(dá)到回收重芳烴的目的。
2.2.5 干燥過程
脫附過程結(jié)束后,吸附器內(nèi)的溫度超過100℃,且充滿了水蒸氣,這樣的高溫度和濕度極不利于吸附,因?yàn)槲降囊?guī)律是溫度越低吸附率越高。本工藝采用新風(fēng)作為干燥氣源,經(jīng)過濾器和風(fēng)機(jī)加壓后送入吸附器對(duì)ACF環(huán)型床層進(jìn)行吹干和降溫,以便下一循環(huán)進(jìn)行有效的吸附。
全套吸附回收裝置系全自動(dòng)化運(yùn)行,整個(gè)工藝過程由PLC程序控制,集成電磁閥、氣動(dòng)元件執(zhí)行動(dòng)作,系統(tǒng)自動(dòng)化程度高,性能可靠,無人值守運(yùn)行。3臺(tái)吸附塔輪流自動(dòng)切換,交替進(jìn)行吸附、脫附和干燥工藝過程的操作。觸摸屏顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、操作時(shí)間、顯示溫度和壓力等參數(shù),具有監(jiān)測(cè)及異常報(bào)警功能。
設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊,占地面積小,操作方便,便于維護(hù),配套工程投資少。為了保證其他工藝與吸附過程安全,配備緊急排放通道與動(dòng)力電源,壓縮空氣突發(fā)狀況下的安全設(shè)計(jì)。
活性碳纖維吸附裝置運(yùn)行正常后經(jīng)考核,每天回收芳烴1 t,新增裝置每天消耗電60 kW·h,蒸氣5 t,循環(huán)水50m3/h。雙氧水尾氣活性碳纖維吸附裝置投資為:裝置設(shè)備價(jià)格97萬元,安裝費(fèi)用32 700元。按芳烴7 500元/t、電0.8元/kW·h、蒸氣230元/t計(jì)算。
年產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益:330 d×1 t×7 500元—330 d×60度×0.8元—330 d×5 t×230元—79 200元(循環(huán)水費(fèi)用)—10萬(碳纖維費(fèi)用)—10萬(設(shè)備折舊費(fèi))=1 800 460元。每年可產(chǎn)生180萬元的經(jīng)濟(jì)效益,設(shè)備投資回報(bào)期短。
氧化尾氣經(jīng)過膨脹機(jī)制冷和活性碳纖維吸附二級(jí)處理后,尾氣中芳烴回收率達(dá)到98%,現(xiàn)在尾氣中芳烴含量為0.05 g/m3,通過本次技改不僅為公司節(jié)約成本創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益,而且為保護(hù)環(huán)境做出了積極的貢獻(xiàn)。