醫(yī)藥車間廢氣的凈化處理

李佳 繆偉

（恩宜琺瑪（天津）工程有限公司上海分公司，上海 200052）

醫(yī)藥車間廢氣的凈化處理

李佳 繆偉

（恩宜琺瑪（天津）工程有限公司上海分公司，上海 200052）

介紹了目前常見的廢氣（主要是VOCs）凈化技術(shù)。針對特定的含乙醇的VOCs篩選了三種不同的凈化技術(shù)，并對各技術(shù)進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)比較，最終采用RTO技術(shù)。經(jīng)過采樣分析，證明該項(xiàng)目廢氣處理，RTO技術(shù)可行。

RTO；廢氣凈化；VOCs；洗滌塔 ；UV催化氧化

近年來，我國醫(yī)藥化工行業(yè)發(fā)展迅速，已成為世界上原料藥和醫(yī)藥中間體的生產(chǎn)大國，其產(chǎn)生的廢氣污染物大致分為發(fā)酵尾氣（主要為酸性氣體）、溶劑氣體（統(tǒng)稱為揮發(fā)性有機(jī)物，Volatile Organic Compounds，以下簡稱為VOCs）和惡臭氣體。醫(yī)藥生產(chǎn)的廢氣主要特點(diǎn)為排放量大，濃度低，處理成本高。隨著各國對環(huán)境質(zhì)量要求的不斷提高，對廢氣排放規(guī)定了更嚴(yán)格的排放界限值。

本文結(jié)合藥廠廢氣（主要是乙醇，屬于VOCs）處理的實(shí)際案例，介紹廢氣處理設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)。由于乙醇中的碳?xì)浠衔?，會在陽光（紫外光）作用下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)生成二次污染物，形成煙霧污染現(xiàn)象。所以大量的VOCs氣體排放會對環(huán)境及人群都會產(chǎn)生不良影響。為此必須對廢氣進(jìn)行凈化處理，消除光化學(xué)煙霧的隱患后才可排放。

1　VOCs廢氣凈化技術(shù)的分類

隨著時(shí)代和科技的發(fā)展，廢氣處理工藝也經(jīng)歷著不斷發(fā)展的過程。目前有機(jī)廢氣的凈化方法，從最初采用的水洗法，逐步發(fā)展出一系列的方法并且已在工業(yè)生產(chǎn)中獲得成功應(yīng)用。按其工作原理，分為物理、化學(xué)、生物等凈化方法，即：

（1）熱力學(xué)方法

例如冷凝、吸收、吸附和膜分離等（吸附和吸收可以是化學(xué)或物理的）。

（2）化學(xué)方法

例如燃燒法，即氧化法（直接燃燒、熱力燃燒、催化燃燒、蓄熱式熱力燃燒）

（3）生化方法（也稱生物降解法或生物催化法）

例如：生物過濾、生化洗滌和生化膜分離等［1］。

就環(huán)保、經(jīng)濟(jì)而論，如果VOCs的價(jià)值較高，而且有可能回收，則應(yīng)盡可能將其回收在利用，因此從這意義上講，有機(jī)廢氣的凈化方法也可分為：

（1）回收法

例如吸附分離法，冷凝法和膜分離法等。

（2）轉(zhuǎn)化法（又稱破壞法）

將VOCs轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)，例如燃燒法和生化法。

以下逐一介紹一些常用的凈化方法：

（1）吸收法

吸收凈化法是廢氣治理中一種重要的常用的方法，它是利用廢氣中各混合組分在選定的吸收劑中溶解度的不同，或其中一種或多種組分與吸收劑中活性組分結(jié)合，將有害物從廢氣中分離出來、凈化廢氣目的的一種方法。

吸收法使用的吸收設(shè)備主要有噴淋洗滌器、泡沫洗滌器、文氏管洗滌器等。吸收法的工藝流程和濕法除塵工藝近似，只是濕法除塵工藝用清水，而吸收法凈化有害氣體要用溶劑或吸收溶液。

吸收法的優(yōu)點(diǎn)是幾乎可以處理各種有害氣體，適用范圍很廣，并可回收有價(jià)值的產(chǎn)品。缺點(diǎn)是工藝比較復(fù)雜，吸收效率有時(shí)不高，吸收液需要再次處理，否則會造成廢水的污染。

（2）活性炭吸附法

吸附是一種固體表面現(xiàn)象，是利用多孔性固體吸附劑處理氣態(tài)污染物，使其中的一種或幾種組分，在分子引力或化學(xué)鍵力的作用下，被吸附在固體表面，從而達(dá)到分離的目的。其中應(yīng)用最為廣泛的是活性炭。

活性炭對對苯、甲苯、二甲苯、乙醇、乙醚、煤油、汽油、苯乙烯、氯乙烯等物質(zhì)都有吸附功能。該法具有較高的效率，但活性炭吸附到一定量時(shí)會達(dá)到飽和，就必須再生或更換活性炭，因此運(yùn)行成本較高。這種方法常用于低濃度廢氣和脫臭的后處理。

（3）生物除臭法

生物除臭法是通過微生物的生理代謝將具有臭味的物質(zhì)加以轉(zhuǎn)化，達(dá)到除臭的目的。目前國內(nèi)外污水處理廠和污水泵房采用生物法處理廢氣的方法主要有土壤脫臭法、生物濾池法和生物滴濾塔等，治理效果較好。

（4）低溫等離子體技術(shù)

等離子體是繼固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之后的物質(zhì)第四態(tài)，當(dāng)外加電壓達(dá)到氣體的放電電壓時(shí)，氣體被擊穿，產(chǎn)生包括電子、各種離子、原子和自由基在內(nèi)的混合體。放電過程中雖然電子溫度很高，但重粒子溫度很低，整個(gè)體系呈現(xiàn)低溫狀態(tài)，所以稱為低溫等離子體。低溫等離子體降解污染物是利用這些高能電子、自由基等活性粒子和廢氣中的污染物作用，使污染物分子在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生分解等離子體去除污染物［2］。該方法具有處理效果好，運(yùn)行費(fèi)用低廉、無二次污染、運(yùn)行穩(wěn)定、操作管理簡便、即開即用等優(yōu)點(diǎn)。

（5）紫外光（Ultraviolet light，簡稱UV）催化氧化

廢氣的紫外光解催化氧化機(jī)理包括兩個(gè)過程：一是在產(chǎn)生高能離子群體的過程中，一定數(shù)量的有害氣體分子受高能作用，本身分解成單質(zhì)或轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)。二是含有大量高能粒子和高活性的自由基的離子群體，與分子氣體（如H2S、甲苯等）作用，打開了其分子內(nèi)部的化學(xué)鍵，轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)。新生態(tài)的氧離子具有很強(qiáng)的氧化性，能有效地氧化分解不受負(fù)離子作用控制的有機(jī)物。與廢氣反應(yīng)后多余的氧離子（正），能與氧離子（負(fù)）很快結(jié)合成中性氧。

紫外光催化是常溫深度反應(yīng)技術(shù)。光催化氧化可在室溫下將水、空氣和土壤中有機(jī)污染物氧化成無毒無害的產(chǎn)物。

（6）RTO（Regenerative Thermal Oxidizer，簡稱RTO）

RTO即再生熱氧化分解器，又稱蓄熱式焚燒器。其基本原理實(shí)在高溫下（≥760 ℃）［3］將有機(jī)廢氣氧化生成CO2和H2O，從而凈化廢氣，并回收分解時(shí)所釋出的熱量，以達(dá)到環(huán)保節(jié)能的雙重目的。RTO是一種用于處理中高濃度揮發(fā)性有機(jī)廢氣的節(jié)能型環(huán)保裝置。RTO主體結(jié)構(gòu)由燃燒室、陶瓷填料床和切換閥等組成。該裝置中的蓄熱式陶瓷填充床換熱器可使熱能得到最大限度的回收，熱回收率大于95 %，處理VOC時(shí)不用或使用很少的燃料。若處理低濃度廢氣，可選裝濃縮裝置，以降低燃燒消耗。

RTO處理技術(shù)適用于有機(jī)廢氣、涂裝廢氣、惡臭廢氣等廢氣凈化處理；適用于廢氣成分經(jīng)常發(fā)生變化或廢氣中含有使催化劑中毒或活性衰退的成分（如水銀，錫，鋅等的金屬蒸汽和磷、磷化物，砷等，容易使催化劑失去活性；含鹵素和大量的水蒸氣的情形），含有鹵素碳?xì)浠衔锛捌渌哂懈g性的有機(jī)氣體。

凈化率高，凈化率一般在98 %以上?？蓪?shí)現(xiàn)全自動化控制，操作簡單，運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠性高。蓄熱室內(nèi)溫度均勻分級增加，加強(qiáng)了爐內(nèi)傳熱，換熱效果更佳，爐膛容積小，降低了設(shè)備的造價(jià)。采用分級燃燒技術(shù)，延緩狀燃燒下釋出熱能；爐內(nèi)升溫勻，燒損低，加熱效果好，不存在傳統(tǒng)燃燒過程中出現(xiàn)的局部高溫高氧區(qū)，抑制了熱力型氮氧化物（NOX）的生成，無二次污染。

2　廢氣凈化技術(shù)方案設(shè)計(jì)

2.1案例背景

用戶：江蘇泰州醫(yī)藥高新區(qū)某制藥500強(qiáng)企業(yè)

待處理VOCs成份：C2H5OH，乙醇

廢氣產(chǎn)生原因及產(chǎn)生位置： 固體制劑生產(chǎn)工藝中，使用8臺烘箱對藥粉進(jìn)行干燥。未干燥前藥粉中含大量乙醇溶劑，乙醇具有揮發(fā)性，在烘干過程中會以VOCs的形式隨廢氣排出。

尾氣排放量：12 860 m3/h

進(jìn)氣濃度： 0.42 % kg/kg

VOCs進(jìn)氣溫度：～38 ℃

2.2設(shè)計(jì)依據(jù)

（1）《中華人民共和國大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 16297—1996）；

（2）《中華人民共和國工業(yè)企業(yè)廠界噪聲標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3096—93） ；

（3）《中華人民共和國混裝制劑類制藥工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 21908—2008）；

（4）泰州地區(qū)氣象資料。

2.3設(shè)計(jì)方案篩選

廢氣主要成份為乙醇，且具有以下特性：①風(fēng)量大，但是不同時(shí)段風(fēng)量不穩(wěn)定 ；② 濃度低；③可全溶于水；④可燃燒。以此為依據(jù)，對下列三種凈化方案均進(jìn)一步加以評估。

2.3.1吸收法（洗滌塔）

廢氣與水接觸，廢氣中的乙醇可完全溶解到水中，經(jīng)凈化后的氣體則從塔頂排放到大氣中，常用設(shè)備為酒精洗滌塔。

設(shè)計(jì)方案：廢氣經(jīng)換熱器降溫至30 ℃，降溫可以大大提高吸收效率，廢氣經(jīng)風(fēng)機(jī)輸送進(jìn)入洗滌塔底部，逆流而上與水充分接觸后從頂部排出。水則從頂部噴淋而下，在填料表面形成薄膜，與廢氣充分接觸，使廢氣中的乙醇溶解到水中，順流而下，從塔底排出。

圖1　洗滌塔原理Fig.1 Scrubber schematic diagram

經(jīng)模擬和計(jì)算，塔徑=1.4 m，填料高度=5.575 + 3.136=8.711 m，總高（填料高度+分配+頂部+底部）≈15 m，填料材料為MellapakTM250。

按以上條件，計(jì)算出新鮮水補(bǔ)給量=7 t/h，循環(huán)水量=15 t/h。排出水含乙醇的濃度C=1.5 %。

凈化效率 ≥ 95 %

投資成本：50萬人民幣

評價(jià)：塔底排出的水是含高BOD的污水，后續(xù)必須對其進(jìn)行處理，處理量=7 t/h×24 h=168 t。需要額外提高處理成本和增加配套水處理設(shè)備。故不采用該方案。

2.3.2UV光催化氧化技術(shù)

乙醇的光化學(xué)反應(yīng)如下：

乙醇的分子鍵能不高容易被氧化，由于分子結(jié)構(gòu)存在羥基，當(dāng)雙碳鍵斷開，碳離子極容易和羥基結(jié)合生存甲醇（甲醛），因此必須進(jìn)行延長氧化（二級處理），廢氣經(jīng)過纖維過濾段，捕捉PM 2.5以上顆粒物以及工藝中產(chǎn)生的過量水份，同時(shí)起到少量吸收污染物的目的；過濾后的污染物引入一級光解裝置，在強(qiáng)紫外線的照射中，絕大多數(shù)的乙醇分子鍵發(fā)生部分的變化（乙醇分子的鍵能小于185 nm光波的光子能量），同時(shí)強(qiáng)紫外線迅速分解空氣中的氧氣、水，產(chǎn)生大量O3、O+、-OH、H2O2等強(qiáng)氧化劑；經(jīng)過一級光解的混合物引入二級氧化裝置，混合物在254 ～ 330 nm紫外線照射催化下，迅速反應(yīng)、徹底反應(yīng)，生成CO2、H2O，部分氧化在排放管路中延續(xù)。再配套噴淋塔進(jìn)行汽液接觸充分混合、接觸、繼續(xù)發(fā)生互溶。最后凈化后的潔凈空氣可直接排入大氣中。此法在該用戶集團(tuán)國內(nèi)另一分廠已投入使用多年，用戶反饋使用效果良好。

設(shè)計(jì)方案：采用“UV催化+細(xì)孔噴淋塔水洗”工藝。

圖2　紫外光催化工藝流程Fig.2 Ultraviolet light catalysis process flow diagram

經(jīng)模擬和計(jì)算，選擇2套外形尺寸為1 800 mm×1 500 mm×4 600 mm的裝置比較合適。每套裝置對應(yīng)處理4臺烘箱干燥過程所產(chǎn)生的廢氣。對應(yīng)需要新鮮水補(bǔ)給： 0.12 t/h，該方法中污水可直接排放。

凈化效率 ≥90 %

投資成本：110萬人民幣

評價(jià)：UV+噴淋意味著UV不能滿足處理效率，而在3.3.1中我們知道僅噴淋就可以達(dá)到廢氣處理效果。此法UV+噴淋成套設(shè)備累贅。此外，若UV過程氧化不徹底，會產(chǎn)生有害物質(zhì)甲醇（甲醛），易造成二次污染。故不采用該方案。

3.3.3RTO

利用RTO，可以完全將尾氣中的乙醇轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水蒸氣，沒有二次污染，滿足排放要求。

設(shè)計(jì)方案如下：

圖3　RTO設(shè)計(jì)Fig.3 RTO design

圖4　典型的RTO模塊Fig.4 Typical RTO mode

經(jīng)模擬和計(jì)算，選擇1套外形尺寸 ～ 8 000 mm×5 000 mm×3 300 mm的RETOX系統(tǒng)，包括外保溫的加強(qiáng)爐體和低壓降的陶瓷蓄熱材，處理能力為24 000 m3/h。

凈化效率 ≥ 98 %

投資成本：350萬人民幣

評價(jià)：此法雖然一次性投資成本較高，但是RTO在啟動后，乙醇在蓄熱式氧化爐中分解所產(chǎn)生的熱量能夠滿足RTO持續(xù)工作，而無需燃料源提供任何輔助熱能。此外，用戶集團(tuán)的美國工廠也采用了RTO處理方式，反饋結(jié)果良好?，F(xiàn)場工作狀況如下圖5、圖6所示。

圖5　RTO現(xiàn)場照片1，正面Fig.5 RTO on site Pic 1， front view

圖6　RTO現(xiàn)場照片2，側(cè)面Fig.6 RTO on site Pic 2， side view

RTO裝置正常運(yùn)行期間，對廢氣進(jìn)行了18 h的分段采樣分析，結(jié)果如下表1。

4　結(jié)論

通過對三種設(shè)計(jì)方案優(yōu)缺點(diǎn)篩選比較，RTO技術(shù)脫穎而出，最終決定使用RTO處理技術(shù)。

經(jīng)采樣分析，經(jīng)過RTO處理后的凈化效率＞98 %，達(dá)到排放要求，因此RTO技術(shù)可行。

［1］陸震維. 有機(jī)廢氣的凈化處理［M］. 北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2011，6.

［2］卞光明. 有機(jī)廢氣處理方法探討［J］. 資源節(jié)約與環(huán)保. 2014 （01）.

［3］蕭琦，張欣欣，姜澤毅. 蓄熱式有機(jī)廢氣焚燒爐的發(fā)展?fàn)顩r［A］. 2006全國能源與熱工學(xué)術(shù)年會論文集［C］. 2006.

Purification of Waste Gas in Pharmaceutical Plant

Li Jia， Miao Wei
（NNE Pharmaplan （Tianjin） Co.， Ltd， Shanghai Branch， Shanghai 200052）

In this article， the purification technology for waste gas （mainly for VOCs， that is volatile organic compounds） commonly used currently was introduced. For VOCs containing ethanol， three different purification technologies were screened out， which then were compared. RTO technology was finally selected. Through the analysis of results from sample treatment by using this technology，it has been proved that for this project， RTO is feasible in waste gas treatment.

RTO； purification of waste gas； VOCs； scrubber； UV catalytic oxidation

表1　采樣分析數(shù)據(jù)Tab.1 Sample analysis data

X 787

A

2095-817X（2016）03-0058-005

2015-12-10

李佳（1986—），女，工藝工程師，主要從事醫(yī)藥工藝設(shè)計(jì)。