夏揚開

（北京優(yōu)信永科檢測技術(shù)有限公司，北京 100176）

1 引言

我國是世界上生產(chǎn)煙草的大國，因為煙草業(yè)具有的經(jīng)濟利益與稅收，能夠為該區(qū)域的經(jīng)濟發(fā)展帶來很高的效益。隨著煙草種植越來越多，煙草廠為了滿足社會的需求，增加了卷煙的品種，改變進了制煙技術(shù)，而煙草廠的污染也越來越嚴重。

卷煙煙草的制絲工藝主要為制絲排潮和制絲除塵，制絲除塵污染來源于片煙和加料工序，制絲排潮污染來源于切絲、烘絲和膨化工序。制造過程中所產(chǎn)生的工藝廢氣主要成分有：煙末粉塵及醇類、酯類、醛類、烴類、酚類、酸類等多種有機物質(zhì)[1]。

目前國內(nèi)傳統(tǒng)制煙污染治理技術(shù)種類繁多，包括生物洗滌法、吸附法等。生物洗滌法設(shè)備投資高，且維護較難，受環(huán)境的溫度和酸堿性影響較大；吸附法中吸附劑具有選擇性，適應(yīng)性較差，運行費用和投資成本都高?，F(xiàn)有學(xué)者對市場的煙廠異味處理技術(shù)做了比對分析發(fā)現(xiàn)，低溫等離子技術(shù)具有能耗低，處理效率高，不產(chǎn)生二次污染，投資少等優(yōu)點,該技術(shù)具有很好的應(yīng)用前景。

2 煙廠廢氣治理技術(shù)原理

2.1 污染物特征

某煙廠車間運行時，工藝段煙氣進行匯總：制絲排潮的風量在60 000 m3/h左右，制絲除塵的風量在90 000 m3/h左右；污染物組分濃度采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法進行測定（見表1）。臭氣濃度按照GBT14675—1993《空氣質(zhì)量惡臭的測定三點比較式臭袋法》進行測定：制絲排潮的臭氣濃度為4 517（無量綱），制絲除塵的臭氣濃度在為2 090（無量綱），未達到排放標準。

表1 檢測結(jié)果排名靠前的主要污染物

從表中看出污染物屬于大風量低濃度，但依然有煙廠區(qū)附近的居民投訴有煙草異味影響生活，可能是污染物之間的多種相互作用（如相加、協(xié)同、抵消、掩蔽等作用）和長期排放（此工藝車間的排放風量較大）引起的[2]；兩種工藝中污染物中含量最高的是1-葵烯，1-葵烯是石油中提煉出來的有機物，一般用作香料添加劑。制絲排潮的污染物濃度整體比制絲除塵要高，這是工藝中對煙絲進行烘干導(dǎo)致污染物揮發(fā)造成的。

2.2 治理工藝

根據(jù)污染物濃度特征，VOCs的含量低，水溶性較差，再考慮投資成本、運行費用、維護情況以及使用的便捷程度和材料的適應(yīng)性等，采用低溫等離子加高效化學(xué)洗滌法組合工藝比較有前景。

經(jīng)前期實驗研究發(fā)現(xiàn)，等離子設(shè)備安裝在洗池后面，在排放口會檢測到微量臭氧。低溫等離子產(chǎn)生的活性基團會產(chǎn)生臭氧，風量較大，為了給足臭氧的反應(yīng)時間達到較好反應(yīng)效果并稀釋臭氧，把低溫等離子的設(shè)備安裝在高效洗池的前端較為合理。

圖1為制絲排潮和制絲除塵廢氣的治理聯(lián)用工藝圖，煙氣經(jīng)過靜壓箱穩(wěn)壓整流后，與注入式低溫等離子注入的活性基團結(jié)合，使其異味分子氧化分解，氧化后的混合廢氣進入三級高效化學(xué)洗滌設(shè)備，大部分氧化后的氣體分子會被溶解在洗池溶液中；其中制絲排潮中有輔助冷卻器和板式換熱器，其間接換熱使氣體達到合適洗池溶液的氧化溫度，最后達到凈化要求后排出。

圖1 治理聯(lián)用工藝圖

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)工藝流程及特點

3.1 前端壓力穩(wěn)定技術(shù)

當生產(chǎn)線上工藝設(shè)備頻繁啟停，管道內(nèi)風量變化，氣流流速變化導(dǎo)致系統(tǒng)風壓波動，原風量變化通過靜壓箱壓力感應(yīng)調(diào)節(jié)排風風機頻率進行匹配，調(diào)節(jié)時間較長，系統(tǒng)波動較大，不但影響前端生產(chǎn)線生產(chǎn)工藝穩(wěn)定性，而且造成等離子體在系統(tǒng)流場中的密度變化，使得需被治理的異味分子達不到氧化效果。

針對此問題，本工藝采用增加管道閥門及補風閥，并配套電氣PID控制進行調(diào)節(jié)，通過加長時間而降低原風機直接變頻調(diào)節(jié)模式的波動峰值，將煙氣波動對治理效果的影響控制在最小范圍。生產(chǎn)線工藝設(shè)備啟停造成前端管道風速變化被風速儀檢測后，電氣PID會迅速調(diào)節(jié)管道閥門開度大小，調(diào)節(jié)風速穩(wěn)定。同時調(diào)節(jié)補風閥開度，在保持風機頻率不變的前提下，填補工藝設(shè)備啟停相應(yīng)變化的風量，使靜壓箱壓力穩(wěn)定，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，再通過逐步調(diào)節(jié)風機頻率及補風閥的開度，實現(xiàn)排風風機頻率調(diào)節(jié)，最終使風機頻率與治理運行工況相匹配，圖2為壓力穩(wěn)定技術(shù)工藝圖。

圖2 壓力穩(wěn)定技術(shù)工藝圖

3.2 中端治理技術(shù)

環(huán)境空氣通過等離子系統(tǒng)風機進入三級過濾器，一級袋式過濾器主要過濾去除空氣中的細沙顆粒和灰塵，二級HEPA過濾器，能夠?qū)M2.5級別的細微塵進行過濾，三級使用活性炭過濾，吸附去除工業(yè)園區(qū)空氣環(huán)境中的氮硫化物、VOCs分子等；經(jīng)過三級過濾后達到潔凈的空氣分子。潔凈的空氣會進入加熱元件，提高溫度降低濕度，最終吹入等離子發(fā)生裝置機柜，當擊穿電壓超過帕邢擊穿電壓時，就會出現(xiàn)大量電子，潔凈的空氣分子與等離子反應(yīng)器的電子碰撞后，產(chǎn)生氧化性自由基，經(jīng)過適配器注入管道內(nèi)，氧化性自由基將從靜壓箱混合后的異味分子氧化分解[3-4]，圖3為注入式低溫等離子技術(shù)工藝流程圖。

圖3 注入式低溫等離子技術(shù)工藝流程圖

檢測某煙廠中主要的污染物為烷烴，酮類，醛類，酯類，烯烴和苯系物，這些污染物中C-H鍵能為4.2～4.4 eV，C-C鍵能為3.6～8.4 eV，C=O鍵能為3-6 eV和C=C鍵能為6.2～6.4 eV；本技術(shù)采用等離子的反應(yīng)器采用直流電源和交流電疊加的方式達到擊穿電壓，直流電壓疊加上升率大于200 V/μs，峰值大于1 kV各種波形的交流電壓，可以達到放電[5]；本技術(shù)中當峰值大于3 kV的各種波形的交流電壓會獲得的能量的電子9-15 eV，基本都能激發(fā)這些污染物的氧化性（分子斷鍵氧化分解），其中隨廢氣進入設(shè)備的水分子、氧分子被高壓擊穿斷鍵，生成強氧化基團羥基、臭氧分子等，這些強氧化基團與廢氣分子充分接觸氧化，加快反應(yīng)進程。

等離子的設(shè)備工藝參數(shù)見表2，其中運行功率可根據(jù)濃度自動識別和模塊智能響應(yīng)達到自動調(diào)整變壓器輸出功率和等離子發(fā)生模塊的開啟數(shù)量，達到節(jié)能的作用，其中等離子發(fā)生器的輸出電壓采用周期性的變化，范圍為2.7～3.8 kV。

表2 等離子設(shè)備工藝參數(shù)

3.3 末端治理技術(shù)

混合廢氣經(jīng)過等離子的氧化分解后，會進入后端的高效化學(xué)洗池。洗池下方是排水池，噴淋系統(tǒng)采用前、后、上噴淋，前后對噴形成交叉流更易對顆粒物和異味分子進行攔截，上方噴淋使顆粒物隨水流流入水池，每個方向的噴頭各4個，保證全方位對填料進行噴淋，噴頭采用螺旋式結(jié)構(gòu)，噴角在90o～120o，流量為306～619 L/Min，使得循環(huán)液體能夠完全達到霧化狀態(tài)（液體粒徑1～5 μm），其中霧化的OH-能夠很好接觸含COOH+分子，達到凈化廢氣的目的，根據(jù)fick定律，要是酸性氣體的濃度變大，有利于酸性氣體向堿性霧滴擴散，使之與霧滴反應(yīng)速率增大。

其具體的工藝流程主要為：第一級結(jié)構(gòu)通過噴淋噴出的液體與廢氣分子碰撞，攔截，凝聚作用，顆粒物隨液滴流入底部水池，其中對200 μm以上的顆粒物凈化率達到99%，易溶于水的氣體分子也會隨水流流入水池，噴淋霧化后的液體滿足最小潤濕因子值的要求，噴淋到填料上，液體會隨著填料的邊緣流下，形成了水膜，使氣液充分接觸，達到凈化氣體的目的；隨后的第二，第三結(jié)構(gòu)依次層層凈化，1～10 μm顆粒物凈化率達到90%以上，通過等離子氧化分解后的混合廢氣會被堿性溶液繼續(xù)吸收溶解。

廢氣通過洗池含有大量液滴，直接進入管道或設(shè)備會腐蝕設(shè)備和管道，采用氣液分離裝置，其中氣液分離裝置采用3折4鉤設(shè)計結(jié)構(gòu)的折流板，含有液滴的氣體進入到折流板，液滴就會在折流板上慢慢聚集匯流收集，當液滴>33 μm時，其液滴收集率能達到100%，排放流速達到5 m/s時，其壓力損失僅為2 mbar，減少風機功耗，并長久維持高效率。圖4為三級化學(xué)洗池結(jié)構(gòu)及工作流程圖。

圖4 三級化學(xué)洗池結(jié)構(gòu)及工作流程圖

3.4 輔助冷卻技術(shù)

由于制絲排潮工藝中廢氣溫度過高，本工藝采取冷卻塔-板式換熱器組合工藝，冷卻塔循環(huán)水量為107 m3/h，進水溫度45 ℃，出水溫度35 ℃，換熱器的換熱面積300 m2，換熱效率達到85%。異味氣體分子中有機物的中乙酸乙酯，苯，苯乙烯等有毒物質(zhì)，沸點都在75 ℃以上，而排潮工藝中異味氣體的最高溫度約83 ℃，洗池中冷卻循環(huán)系統(tǒng)會降溫8.5 ℃，使整個洗池室溫保持在75 ℃以下反應(yīng)環(huán)境，異味氣體分子與霧化后循環(huán)液體能夠更好的接觸反應(yīng)，其中對水溶性較好的醛類和醇類等物質(zhì)處理效果更好。圖5為冷卻-換熱技術(shù)原理圖。

圖5 冷卻-換熱技術(shù)原理圖

4 聯(lián)用工藝的治理效果

待項目竣工后，開展第三方檢測工作，檢測結(jié)果見表3。從表3發(fā)現(xiàn)治理技術(shù)工藝廢氣處理的VOCs凈化率均達到90%以上，檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)末端的排放物的VOCs濃度均在0.08 mg/m3以下，其中大部分苯系物低于檢測限；臭氣的治理效果見圖6，制絲排潮的凈化排放達到307，凈化率達到93.2%，制絲除塵的凈化排放達到137，凈化率達到93.4%；本次檢測排放口的濃度，達到了《GB 14554-1993 惡臭污染物排放標準》，本次的治理工藝切實有效。圖6為聯(lián)合工藝的臭氣治理效果圖。

表3 治理工藝前后比較

圖6 聯(lián)合工藝的臭氣治理效果圖

5 結(jié)論

（1）采用低溫等離子+三級化學(xué)清洗法聯(lián)用工藝綜合治理技術(shù)對制絲工藝中產(chǎn)生的廢氣具有很好的治理效果且無二次污染，不僅對致癌，有氣味的大部分低濃度苯系物凈化很徹底，還滿足了兩種制絲工藝中污染物的臭氣濃度凈化率達到90%。

（2）其特殊的低溫等離子設(shè)備的處理效率高，能達到節(jié)能環(huán)保的目的；洗池的三級過濾和噴淋系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)作用能夠徹底的凈化廢氣，氣液分離裝置還能防止設(shè)備腐蝕損壞；

（3）整套設(shè)備的智能化控制系統(tǒng)既保證異味處理過程的穩(wěn)定性，又可以滿足煙廠車間連續(xù)自動作業(yè)。

總體來說，本凈化工藝符合推廣節(jié)能環(huán)保型煙廠污染廢氣治理技術(shù)的發(fā)展思路，滿足我國對青山綠水的呼應(yīng)，其中等離子技術(shù)還有進一步研究和推廣價值。