謝 娟

（山西科技學(xué)院，山西 晉城 048006）

制藥企業(yè)生產(chǎn)過程中不可避免要用到大量易揮發(fā)性有機溶劑和生物制劑，必然會排放大量揮發(fā)性有機污染物。根據(jù)國家統(tǒng)計局2020 年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，制藥行業(yè)年排放揮發(fā)性有機污染物量高達2 403×108 m3，在全年揮發(fā)性有機污染物總排放量中占比3.6%，是有機廢氣治理的重點領(lǐng)域。制藥企業(yè)所排放的揮發(fā)性有機物污染成分較為復(fù)雜，主要包括C2H6O、C3H6O、CHCl3氣體及非甲烷總烴、芳香烴、烯烴、甲苯、二甲苯、低沸點多環(huán)芳烴等，毒性及致癌、致畸、致突變影響巨大，在一定條件下還會與大氣中的自由基發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，生成二次有機氣溶膠[1]，破壞大氣環(huán)境及生態(tài)環(huán)境。傳統(tǒng)的生物法、活性炭吸附法、冷凝、燃燒法等處理工藝加藥量大、處理過程復(fù)雜、運行維護成本高、工藝穩(wěn)定性差，無法取得較好的制藥有機廢氣處理效果。

1 制藥有機廢氣特點

制藥有機廢氣與其他行業(yè)廢氣相比，具有產(chǎn)生節(jié)點多、產(chǎn)生量大、污染物類型復(fù)雜等特征。當前大多數(shù)制藥項目屬于化學(xué)合成類制藥項目，其有機廢氣產(chǎn)生于上料、反應(yīng)、離心干燥、提煉精制、儲罐呼吸、污水處理站等諸多環(huán)節(jié)。從污染因子角度可以將制藥有機廢氣污染物分成有機溶劑和反應(yīng)過程污染物兩類，前者包括化學(xué)合成類藥物溶解、分離提純等過程所使用的CH2Cl2、C2H4Cl2、CH3OH、C3H6O 等強揮發(fā)性有機溶劑；后者則包括化學(xué)合成藥原材料、中間產(chǎn)品加工過程中所釋放的NH3、HCl、SO2、HF 等與有機廢氣混合排放、且無法分開處理的無機氣體。

2 制藥有機廢氣治理原理

制藥有機廢氣末端控制技術(shù)主要分為回收技術(shù)和銷毀技術(shù)兩大類。其中回收技術(shù)主要借助物理技術(shù)，通過改變制藥有機廢氣溫度、壓力，或者是應(yīng)用選擇性滲透膜、吸附劑等措施富集分離制藥有機廢氣污染物，根據(jù)處理措施不同，又可以分為吸收吸附技術(shù)、膜分離技術(shù)、冷凝技術(shù)等。銷毀技術(shù)則主要借助生化或化學(xué)反應(yīng)，通過光、熱、催化劑、微生物等將制藥有機廢氣轉(zhuǎn)化為CO2、水等無毒性無機小分子化合物，就處理措施而言，包括催化燃燒、生物氧化、低溫處理、光催化氧化等。

根據(jù)《揮發(fā)性有機物污染防治技術(shù)政策》，高濃度揮發(fā)性有機物廢氣必須先進行冷凝回收及變壓吸附回收，將其中的揮發(fā)性有機物回收利用后，再結(jié)合其余輔助性治理技術(shù)達到達標排放的目的；中等濃度揮發(fā)性有機物廢氣，則應(yīng)先通過吸附技術(shù)回收有機溶劑，或通過催化燃燒及熱力焚燒技術(shù)凈化處理，污染程度達標后排放；有回收價值的低濃度揮發(fā)性有機物廢氣，應(yīng)通過吸附技術(shù)回收有機溶劑后達標排放；而無回收價值的低濃度揮發(fā)性有機物廢氣，應(yīng)通過吸附濃縮燃燒技術(shù)、等離子及生物技術(shù)凈化、達標排放[2]。

3 制藥有機廢氣治理工藝

考慮到制藥有機廢氣中包含大量的C2H6O、C3H6O、CHCl3氣體及非甲烷總烴、甲苯、二甲苯等，本研究主要提出噴淋塔預(yù)處理+活性炭吸附+熱風(fēng)脫附濃縮+催化燃燒的制藥有機廢氣治理工藝。若制藥廢氣中所含CHCl3氣體含量較高時，應(yīng)選擇青菁石催化劑，并經(jīng)噴淋塔充分吸收后再進行后續(xù)處理，以避免該氣體影響催化劑的作用。

3.1 處理設(shè)備

3.1.1 廢氣噴淋塔

當含塵制藥廢氣以一定速度經(jīng)進氣管進入噴淋塔后沖擊水層，使氣體運動方向改變，但塵粒因質(zhì)量較大，會在慣性作用下繼續(xù)按照原方向運動，大部分塵粒黏附水后停留于水中。受到?jīng)_擊水浴作用后，部分塵粒隨氣體運動，與水霧發(fā)生沖擊后與循環(huán)噴淋水結(jié)合，在廢氣噴淋塔內(nèi)充分混合，這一過程中塵粒也隨之被水捕集，離心、過濾、脫離處理后的塵水在重力作用下經(jīng)塔壁流入循環(huán)池，凈化后外排。廢氣處理塔作為使含塵氣體和水充分洗浴作用的除塵器，主要由設(shè)備主體、進排氣管、水池、噴頭、水浴循環(huán)系統(tǒng)等部分組成，結(jié)構(gòu)簡單。該設(shè)備能通過容器內(nèi)含水率的調(diào)整改變氣流方向、調(diào)整氣流速度，使其與含塵廢氣充分混合后增大塵粒比重和黏附性能，使水塵順利脫離。

本設(shè)計所采用的廢氣噴淋塔采用多級噴淋處理，其五層吸收塔中每兩層間隔裝填拉西環(huán)填料，從吸收塔下部向上的廢氣以及從塔頂噴下的吸收劑能充分接觸，廢氣吸收效果好；還能通過調(diào)整吸收劑種類，有效吸收包括酸性物料廢氣、苯酚、苯乙烯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯等在內(nèi)的多種類型廢氣，適用范圍較為廣泛。廢氣噴淋塔構(gòu)成情況及作用原理具體見圖1。

圖1 廢氣噴淋塔結(jié)構(gòu)

3.1.2 吸脫附、過濾及催化燃燒設(shè)備

制藥有機廢氣催化燃燒治理PH-CO-4000 型設(shè)備安裝于車間工房房頂，將原處理系統(tǒng)管道拆開后調(diào)整走向，并將其與另一套處理系統(tǒng)管道一同接入催化燃燒處理系統(tǒng)，處理后的氣體主要通過煙囪達標排放。設(shè)備所用風(fēng)機全部為防爆電機，控制柜也全部為防爆柜，整套設(shè)備總質(zhì)量約10 t，占地尺寸為20 000 mm×2 000 mm×2 500 mm，設(shè)備處理風(fēng)量40 000 m3/h，包含3 個規(guī)格2 200 mm×2 500 mm 的吸附箱；使用高碘值、高比表面積、表觀流速1.0 m/s 的活性炭，并在3 個吸附箱內(nèi)各裝填9 m3；單箱脫附時間為3 h、降溫時間30 min；催化劑裝填量為0.2 m3。

PH-CO-4000 型制藥有機廢氣催化燃燒設(shè)備主要由吸附床、過濾器、催化燃燒床、阻火器、吸附及脫附風(fēng)機等部分組成，具體配置情況詳見表1。

表1 PH-CO-4000 型制藥有機廢氣催化燃燒設(shè)備配置

3.2 工藝流程

3.2.1 預(yù)處理

經(jīng)過廢氣噴淋塔處理后制藥有機廢氣中廢水和塵粒順利脫離，所收集到的廢水直接采用凈化處理技術(shù)治理達標后排放；而塵粒還需進一步處理。待處理塵粒中包含大量水氣和塵雜，如果直接進入吸附裝置處理，必將堵塞吸附材料微孔，影響吸附效果，甚至引發(fā)處理設(shè)備損壞。為此，本工藝在吸附床前設(shè)置高效干式過濾器，將待處理塵粒先進行預(yù)處理。該過濾器組合濾網(wǎng)層內(nèi)設(shè)置多層纖維過濾材料，并在過濾材料前后設(shè)置壓差傳感器，在預(yù)處理過程中若壓差達到800 Pa～1 000 Pa 的設(shè)定上限后，控制系統(tǒng)便會自動發(fā)出過濾材料更換的提示預(yù)警。

3.2.2 吸附

將塵粒內(nèi)的水氣和塵雜去除后，還應(yīng)經(jīng)過布風(fēng)系統(tǒng)使廢氣均勻通過固定吸附床吸附層的過流斷面，達到吸附作用。本研究所提出的制藥有機廢氣治理系統(tǒng)包括3 臺固定吸附床，其中，2 臺主要用于吸附，1 臺則用于脫附再生，以保證吸附過程持續(xù)進行。固定吸附床內(nèi)吸附材料主要采用活性炭，具體而言，使用的是高碘值蜂窩狀活性炭吸附劑，通過吸附過程以及脫附再生和催化燃燒，凈化、吸附制藥有機廢氣中脫水除塵處理后的塵粒。當活性炭箱達到飽和狀態(tài)后，系統(tǒng)便對活性炭箱自動展開脫附處理，借助熱空氣使飽和活性炭脫附再生。脫附得到的濃縮有機物隨即送至燃燒床與催化劑反應(yīng)，形成無毒無害的CO2和水；燃燒過程中所釋放的熱空氣則經(jīng)由高效換熱器降溫處理，處理后的氣體部分用于活性炭脫附再生過程。

這一過程中吸附風(fēng)機采用PLC 變頻控制技術(shù)，并通過微壓與匯總管道聯(lián)動，通過管道內(nèi)負壓值的調(diào)節(jié)達到確保系統(tǒng)通風(fēng)的目的。如遇前端排負壓量不足，則吸附風(fēng)機會在變頻控制技術(shù)的自動調(diào)控下提高頻率；相反，則會自動降低頻率，確保通風(fēng)順暢，節(jié)能降耗。

3.2.3 脫附、催化燃燒

當吸附床達到飽和狀態(tài)后便自動停止吸附過程，并通過閥門切換而轉(zhuǎn)變?yōu)槊摳綘顟B(tài)。在首次開啟催化燃燒床時，必須進行設(shè)備內(nèi)部催化劑預(yù)熱處理，產(chǎn)生熱空氣且設(shè)備床層溫度達到預(yù)定值后將熱空氣送入吸附床；活性炭在受熱狀態(tài)下便會析出高濃度有機氣體，由脫附風(fēng)機將有機氣體引入催化燃燒床，進而在貴金屬催化劑作用下發(fā)生低溫?zé)o焰催化燃燒，其中的有機成分便會迅速轉(zhuǎn)化為無毒無害的CO2和水。燃燒過程所釋放的熱量部分由蓄熱層吸收后存儲于催化燃燒床內(nèi)部繼續(xù)維持燃燒過程，部分則通過熱轉(zhuǎn)換和混流作用轉(zhuǎn)換為脫附氣體，繼續(xù)用于制藥有機廢氣塵粒脫附再生過程[3]。

催化燃燒床內(nèi)設(shè)置有多組遠紅外電加熱器，預(yù)熱階段全部開啟，以便在短時間內(nèi)將制藥有機廢氣塵粒加熱至處理溫度。為達到節(jié)能降耗的目的，在進入穩(wěn)定燃燒階段后，可將電加熱器全部關(guān)閉，充分利用由蓄熱層吸收的燃燒過程所釋放的熱量維持燃燒過程。

在這一處理過程中，補冷風(fēng)機在所燃燒制藥有機廢氣濃度較高、反應(yīng)溫度較高情況下自動開啟，以便對降溫、催化燃燒床高效安全運行過程補充新風(fēng)；補冷風(fēng)機應(yīng)與脫附風(fēng)機串聯(lián)，脫附風(fēng)機運轉(zhuǎn)所需新風(fēng)也主要由補冷風(fēng)機提供。

3.3 治理效果

本研究所提出的制藥有機廢氣治理工藝應(yīng)用后吸附凈化率和催化凈化率可分別達到75%及95%以上，凈化設(shè)施運行阻力??；所使用的活性炭材料吸附性能良好，非金屬催化劑使用壽命長且處理效率高。該治理方式下，制藥有機廢氣處理效率也與其排放量變化過程相吻合，即隨著生產(chǎn)投料量的增大，廢氣濃度持續(xù)增大，其中有機污染物含量較大，系統(tǒng)處理效率也隨之提升，此后隨著投料及生產(chǎn)過程的結(jié)束，有機廢氣排放濃度降低，有機污染物含量隨之下降，系統(tǒng)處理效率也隨之降低。

該處理工藝費用主要來自廢氣噴淋塔、吸附脫附床、催化劑等費用，若制藥有機廢氣年操作時數(shù)為2 000 h，則該系統(tǒng)年運行費用約為15.26 萬元，其中，廢氣噴淋塔、高效干式過濾器、固定吸附床、催化燃燒床、阻火器、吸（脫）附風(fēng)機、PLC 控制系統(tǒng)、其余系統(tǒng)耗電量分別為28、34、10、10、5、12、5、18 MWh，費用分別為2.23、2.71、2.40、0.79、0.39、0.94、0.39、1.41 萬元；非金屬催化劑消耗量為200 L（催化劑壽命按照6 000 h計），費用為4 萬元。該處理系統(tǒng)比單獨使用活性炭吸附以及其他處理工藝處理效率高，運行費用更低。

4 結(jié)論

綜上所述，制藥有機廢氣產(chǎn)生節(jié)點多、產(chǎn)生量大、污染物類型復(fù)雜、處理難度大，根據(jù)國家相關(guān)揮發(fā)性有機物污染處理要求，制藥有機廢氣治理必須嚴格源頭控制，提升冷凝回收效率，準確確定廢氣污染物種類、產(chǎn)生濃度及產(chǎn)生量；基于此選用合理適用的治理工藝，保證廢氣污染物達標排放。根據(jù)應(yīng)用效果，本研究所提出的噴淋塔預(yù)處理+活性炭吸附+熱風(fēng)脫附濃縮+催化燃燒的制藥有機廢氣治理工藝能有效治理制藥廢氣中所包含的大量的C2H6O、C3H6O、CHCl3氣體及非甲烷總烴、甲苯、二甲苯等有毒有害物質(zhì)，且處理效率也與制藥有機廢氣排放量變化過程相吻合，保證治理效果的同時還有助于能耗量的降低。