孫 莉，蔣 偉，王翼鵬，王 濤，楊旭

（宇星科技發(fā)展（深圳）有限公司，廣東 深圳 518057）

揮發(fā)性有機(jī)化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）是形成細(xì)顆粒物（PM2.5）和臭氧（O3）的重要前體物。我國揮發(fā)性有機(jī)物年排放量遠(yuǎn)高于SO2、NOx的年排放量，VOCs污染控制已成為大氣環(huán)境管理的短板。

新能源材料行業(yè)廢氣具有高濃度、排放不穩(wěn)定的特點，采用直接焚燒工藝存在安全隱患，并且會排放大量的二氧化碳，違背“碳達(dá)峰”目標(biāo)和“碳中和”愿景。由于新能源材料廢氣成分含N、Cl、S等，采用燃燒法將產(chǎn)生SO2、NOx等二次污染物，并且燃燒后廢氣腐蝕性較大，處理設(shè)備投資成本較高，因此相關(guān)企業(yè)需要尋求適合新能源材料行業(yè)且節(jié)能高效的VOCs處理技術(shù)。

相比其他技術(shù)，吸附法早已應(yīng)用于有機(jī)廢氣處理，活性炭作為一種常規(guī)吸附劑，正獲得越來越廣泛的應(yīng)用。活性炭吸附主要有以下特點：吸附和脫附能夠多次循環(huán)；吸附劑能夠長時間使用；活性炭的比表面積較大，是一種弱極性物質(zhì)，可以較好地吸附有機(jī)溶劑，但是對水一類的極性物質(zhì)吸附能力較弱，能夠通過水蒸汽再生；能夠?qū)Σ煌瑵舛鹊腣OCs產(chǎn)生較好的吸附作用[1-4]。

冷凝法[5]是利用有機(jī)物在不同溫度下具有不同飽和蒸汽壓的性質(zhì)，將廢氣冷卻到低于有機(jī)物的露點溫度，從而使有機(jī)物冷凝成液滴并從氣體中分離出來的技術(shù)，該技術(shù)多用于處理高濃度、低風(fēng)量的有機(jī)廢氣。

吸附法和冷凝法經(jīng)常組合使用，以回收有機(jī)溶劑，本文針對新能源材料行業(yè)廢氣特點，就采用活性炭吸附-蒸汽脫附-冷凝回收工藝治理廢氣展開探究。

1 項目概況

該新能源材料企業(yè)在萃取生產(chǎn)過程中產(chǎn)生有機(jī)廢氣排放，廢氣來源于萃取槽、儲器等排出的廢氣，主要成分有260#溶劑油、氨氣、鹽酸霧、硫酸霧、磺化煤油等。廢氣總風(fēng)量24 000 m3/h，廢氣濃度為500～2 000 mg/m3，由于廢氣中含有鹽酸霧、硫酸霧等成分，考慮到廢氣腐蝕性，企業(yè)對廢氣采用定制化處理方案，先用堿洗塔對廢氣進(jìn)行中和處理，再采用活性炭吸附-蒸汽脫附-冷凝回收的工藝進(jìn)行處理。

2 工藝流程及說明

2.1 工藝流程

本項目VOCs廢氣采用“堿洗+過濾+活性炭吸附+蒸汽脫附+冷凝回收”的設(shè)計工藝進(jìn)行處理。廢氣先經(jīng)過堿洗，去除部分酸性物質(zhì)和降塵，再經(jīng)過 除霧過濾冷卻箱預(yù)處理，保證進(jìn)入活性炭最佳的溫度和濕度，廢氣經(jīng)過活性炭吸附后從煙囪達(dá)標(biāo)排放?；钚蕴课斤柡秃蟛捎脽嵴羝M(jìn)行脫附，經(jīng)換熱器冷凝分層槽分離后回收溶劑，實現(xiàn)循環(huán)利用。工藝流程見圖1。

圖1 活性炭吸附濃縮-蒸汽脫附-冷凝回收工藝流程圖

2.2 工藝流程說明

簡易的設(shè)備布置參見圖2。

圖2 活性炭吸附濃縮-蒸汽脫附-冷凝回收設(shè)備布置圖

本廢氣處理工藝主要分為四部分，第一部分為廢氣預(yù)處理工藝；第二部分為活性炭吸附工藝；第三部分為活性炭脫附冷凝回收工藝；第四部分為活性炭干燥工藝。

2.2.1 廢氣預(yù)處理工藝

廢氣預(yù)處理工藝包括一級堿洗和除霧過濾冷卻箱。堿洗塔的作用為去除廢氣中的酸性成分，同時去除廢氣中的部分氨氣（堿洗塔設(shè)備參數(shù)見表1）。利用吸收工藝將廢氣中的酸性氣體去除后，廢氣進(jìn)入除霧過濾冷卻箱，由于廢氣經(jīng)過堿洗設(shè)備后，其廢氣相對濕度較大，可能會影響活性炭的吸附效率，因此方案設(shè)計時增加絲網(wǎng)除霧段進(jìn)行調(diào)溫調(diào)濕，保證廢氣溫濕度滿足活性炭的要求。除霧過濾冷卻箱主要由三段組成：即絲網(wǎng)除霧段、空氣過濾段、廢氣冷卻段（除霧過濾冷卻箱設(shè)備參數(shù)見表2）。廢氣進(jìn)入除霧過濾冷卻箱后，首先利用絲網(wǎng)除霧器去除廢氣中的顯水，降低廢氣含水量，從而使活性炭有較好的吸附活性，然后利用F9空氣過濾器去除廢氣中的少量灰塵，保證活性炭的使用壽命。

表1 堿洗塔設(shè)備參數(shù)

表2 除霧過濾冷卻箱設(shè)備參數(shù)

因車間廢氣溫度較高，最高可達(dá)80 ℃，故在除霧過濾冷卻箱最后設(shè)置表冷器，使廢氣溫度降至40 ℃以下。經(jīng)過預(yù)處理的廢氣通過風(fēng)機(jī)加壓送至活性炭吸附箱。

2.2.2 活性炭吸附工藝

活性炭作用原理為活性炭表面具有大量的微孔結(jié)構(gòu)，從而提供了大量的表面積，又因為所有的分子之間具有相互的引力，活性炭微孔上大量的分子產(chǎn)生強(qiáng)大的引力將廢氣中的有機(jī)分子吸附在活性炭微孔內(nèi)部?；钚蕴课狡鳎ɑ钚蕴课狡髟O(shè)備參數(shù)見表3）的作用就是利用活性炭的吸附性能將廢氣中的有機(jī)物和空氣分離，從而達(dá)到凈化有機(jī)廢氣的目的?；钚蕴康墓虘B(tài)苯吸附容量可達(dá)50%，一般工業(yè)應(yīng)用動態(tài)吸附容量按照10%設(shè)計。當(dāng)活性炭吸附一段時間后，活性炭飽和吸附性能下降，需定期將有機(jī)廢氣從活性炭表面脫附出來，恢復(fù)活性炭的吸附性能。因為活性炭在常溫下吸附容量大，高溫下吸附容量小，本工藝?yán)没钚蕴吭诓煌瑴囟认挛饺萘坎煌男阅埽_(dá)到活性炭循環(huán)使用的目的，此工藝在工業(yè)上稱為變溫吸附，簡稱TSA。本項目吸附劑采用顆粒活性炭，吸 附器兩吸一脫。

表3 活性炭吸附器設(shè)備參數(shù)

2.2.3 活性炭脫附工藝

本工藝采用三個活性炭器，兩個活性炭器進(jìn)行吸附，一個活性炭器處于脫附或等待狀態(tài)?；钚蕴课斤柡秃?，本工藝?yán)玫蛪核羝麑⒒钚蕴考訜幔岣哂袡C(jī)物分子動能，從而使有機(jī)物分子從活性炭表面逃離出來，以達(dá)到活化活性炭的目的；蒸汽從上部進(jìn)入活性炭箱加熱活性炭層，然后有機(jī)蒸汽從活性炭箱下部引至冷凝器；冷凝后的有機(jī)水溶液進(jìn)入分液槽分離后，分別進(jìn)入溶劑回收箱和廢水箱；定期利用輸送泵將廢水和回收溶劑輸送至業(yè)主指定位置。本冷卻系統(tǒng)包括常溫水冷器和低溫水冷器，低溫水冷器的目的是進(jìn)一步將高濃度廢氣冷凝，從而提高溶劑回收量。同時為防止碳器底層積液，本工藝設(shè)置排水降溫裝置，以提高活性炭裝置吸附性能。

2.2.4 活性炭干燥工藝

脫附完成后，因活性炭溫度較高，且碳器內(nèi)含有一定量的水分，故利用蒸汽加熱后的新鮮空氣將碳器吹干。吹干完成后，活性炭器進(jìn)入等待狀態(tài)，當(dāng)其他碳器飽和后，閥門切換，使等待的碳器進(jìn)入吸附狀態(tài)，其他碳器進(jìn)入脫附狀態(tài)，閥門依次循環(huán)，使有機(jī)廢氣始終有效被活性炭吸附處理。

2.2.5 連接風(fēng)管系統(tǒng)

連接風(fēng)管包含所有與設(shè)備相關(guān)的進(jìn)風(fēng)、排煙風(fēng)管以及系統(tǒng)設(shè)備之間的風(fēng)管，它們將車間廢氣處理設(shè)備連接成完整系統(tǒng)，且所有管路不漏氣；在風(fēng)管合理位置，設(shè)計有凝結(jié)水排放口；各風(fēng)管預(yù)留檢修門，風(fēng)管檢修門的數(shù)量及位置設(shè)計合理。

2.2.6 廢氣處理控制系統(tǒng)

廢氣處理控制系統(tǒng)采用集中監(jiān)控PLC分布式控制，以滿足廢氣處理系統(tǒng)安全、長期、穩(wěn)定、可靠的運行需求，即采用PLC+觸摸屏與電源柜、電氣控制柜、電磁閥箱、現(xiàn)場就地操作箱、現(xiàn)場儀表等組成整個控制系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)的獨立監(jiān)控。在控制柜上設(shè)有觸摸屏，對系統(tǒng)進(jìn)行集中動態(tài)監(jiān)視和自動控制，工藝系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)和報警參數(shù)自動生成報表，并且所有信息保存至少3個月以上。系統(tǒng)可擴(kuò)充TCP/IP協(xié)議和車間中央控制室的計算機(jī)相連；廢氣處理系統(tǒng)設(shè)有獨立的控制系統(tǒng)和中控室，安裝在平臺上；廢氣處理系統(tǒng)與萃取車間送排風(fēng)信號交互，實現(xiàn)中控室一鍵連鎖啟動。

3 系統(tǒng)安全設(shè)計說明

設(shè)備設(shè)計有完整的安全系統(tǒng)，分為主動安全系統(tǒng)和被動安全系統(tǒng)。主動安全系統(tǒng)主要包括靜電導(dǎo)出系統(tǒng)，全方位溫度監(jiān)控系統(tǒng)及整體防爆系統(tǒng)；被動安全系統(tǒng)包括各種緊急情況的處理程序及整體設(shè)備降溫系統(tǒng)。（1)靜電導(dǎo)出系統(tǒng)：主要包括碳床內(nèi)靜電導(dǎo)出桿和整體設(shè)備的靜電接地。儀表選型嚴(yán)格按國家規(guī)范執(zhí)行。（2)溫度監(jiān)控系統(tǒng)：設(shè)備設(shè)計有多斷面、多點位的溫度監(jiān)測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的PLC相連。PLC對所有溫度信號進(jìn)行判斷并采取相應(yīng)措施。（3)緊急情況處理程序：緊急情況處理程序主要包括設(shè)備溫度處理程序、閥門故障處理程序。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常情況時，緊急程序自動啟動，尾氣排空，設(shè)備進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。（4)吸附器消防保護(hù)系統(tǒng)：一旦吸附溫度超過設(shè)定值，自動打開蒸汽管道閥門。（5)裝置防爆等級達(dá)到ExdⅡBT4的要求。

4 運行效果分析

系統(tǒng)建成運行后，通過第三方檢測，從煙囪和設(shè)備入口取樣檢測數(shù)據(jù)來看，經(jīng)環(huán)保設(shè)備凈化后，廢氣的質(zhì)量濃度在5 mg/m3左右，達(dá)標(biāo)情況良好，具體檢測數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 環(huán)保設(shè)備檢測結(jié)果分析

從表4可以看出，系統(tǒng)總?cè)コ士蛇_(dá)95%以上，穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放，廢氣排放濃度遠(yuǎn)低于國家和地方排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

按照原始風(fēng)量24 000 m3/h，濃度按照平均1 200 mg/m3考慮，去除效率按照98%考慮，年運行8 000 h，回收溶劑主要為260#溶劑油，回收率按照80%左右計，按照目前市場價7 000元/噸左右考慮，回收溶劑可節(jié)省費用為126.5萬元/年。

6 結(jié)語

通過活性炭吸附-蒸汽脫附-冷凝回收的工藝處理新能源材料行業(yè)萃取過程中產(chǎn)生的廢氣，設(shè)備運行可靠，處理效果穩(wěn)定，設(shè)備出口處廢氣排放濃度遠(yuǎn)低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的排放限值，大大減少了廢氣排放量，具有良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。