糠醛生產(chǎn)過程中VOCs治理方案探討

(宏業(yè)生物科技股份有限公司，河南 濮陽 457000)

VOCs有機(jī)氣體危害主要有兩方面：一方面直接危害，刺激人體和動物的呼吸系統(tǒng)進(jìn)而產(chǎn)生病變；另一方面是次生危害。VOCs在空氣中進(jìn)行一系列光化學(xué)、有機(jī)氣溶膠反應(yīng)，破壞臭氧層，形成PM2.5，進(jìn)一步形成霧霾和光化學(xué)煙霧，污染環(huán)境[1]。通過對產(chǎn)污環(huán)節(jié)分析，采用中和、冷凝、吸收、高溫焚燒或轉(zhuǎn)輪吸附等技術(shù)治理，按1萬t/a生產(chǎn)裝置計(jì)算，年可消減VOCs有機(jī)氣體3 807.56 t，消減比例達(dá)到94.22%。新增副產(chǎn)品醋酸鈉6 220 t，甲醇660 t，雜醇油330 t，年可新增銷售收入1 509.7萬元，新增利稅537.75萬元，具有良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 產(chǎn)污環(huán)節(jié)分析

玉米芯中半纖維以聚阿拉伯糖基-4-O-甲基-葡萄糖酸基木糖，在分子結(jié)構(gòu)中木糖基與乙?；鶖?shù)量比為4∶1。目前國內(nèi)生產(chǎn)工藝過程中，考慮糠醛實(shí)際轉(zhuǎn)化率，原液濃度一般為6.0%，則原液中醋酸濃度為1.6%、甲醇等低沸點(diǎn)物質(zhì)(主要為甲醇、丙酮)為0.6%[2]。具體產(chǎn)污環(huán)節(jié)如圖1所示。

圖1 主要產(chǎn)污環(huán)節(jié)

按1萬t/a生產(chǎn)裝置計(jì)算，各產(chǎn)污環(huán)節(jié)氣體種類、濃度、流量和質(zhì)量分析如表1所示。

表1 產(chǎn)污環(huán)節(jié)分析表

經(jīng)產(chǎn)污環(huán)節(jié)分析，按1萬t/a糠醛生產(chǎn)裝置計(jì)算，每年約有4 041 t揮發(fā)有機(jī)物可能無組織排放至環(huán)境。

2 工藝設(shè)計(jì)

國內(nèi)外VOCs治理技術(shù)可分為回收法和破壞法?；厥辗òㄎ椒ā⑽辗?、冷凝法和膜分離法；破壞法包括直接燃燒法、熱力燃燒法、催化氧化法和蓄熱氧化法。目前國內(nèi)外主流處理工藝有預(yù)處理+活性炭吸附(或轉(zhuǎn)輪吸附)+催化燃燒[3]。由于糠醛行業(yè)VOCs成分復(fù)雜、大風(fēng)量、低濃度的特性，以及吸附劑投資大，后期費(fèi)用高，存在二次污染等弊端。按照源頭控制、過程管理、末端治理、強(qiáng)化減排的指導(dǎo)思想，本著投資少、效果佳、無二次污染的原則，借鑒國內(nèi)外主流工藝，采用中和、冷卻、冷凝、吸收、高溫焚燒或轉(zhuǎn)輪吸附等技術(shù)工藝。

2.1 源頭控制

2.1.1中和廢水中醋酸

液相中和：初餾廢水進(jìn)入中和罐，定量加入純堿，反應(yīng)終點(diǎn)pH值控制在7.0～7.5，反應(yīng)方程如下：

2CH3COONa+H2O+CO2↑

初蒸發(fā)及脫色：利用現(xiàn)有糠醛裝置廢水蒸發(fā)器進(jìn)行初蒸發(fā)，蒸發(fā)終點(diǎn)為溶液密度1.414～1.152 kg/L，連續(xù)閃蒸放入脫色罐，脫色溫度控制在65～80 ℃。按理論醋酸鈉質(zhì)量的2%加入脫糖活性炭，脫色時(shí)間控制1～2 h，采用隔膜板框過濾，過濾活性炭、浮渣和糠蠟。

濃縮結(jié)晶：采用三效蒸發(fā)器蒸發(fā)，一效真空為0.02 MPa，三效真空為0.092 MPa，總溫差55 ℃，單效溫差18 ℃，單效蒸發(fā)量為2 t/h，單效加熱面積：

A=Q/KΔT=2 000×590/(950×18)=69.1 m2

式中：K取950 kcal/(m2·℃)[3 977 kJ/(m2·℃)]，Q=m·ΔH，取整數(shù)70 m2，故蒸發(fā)總面積210 m2，蒸發(fā)終點(diǎn)溶液密度為1.201～1.239 kg/L，濃縮液連續(xù)打入結(jié)晶罐，降溫周期控制在10 h左右。

離心干燥：經(jīng)離心機(jī)進(jìn)行液固分離，固體經(jīng)流化床烘干機(jī)烘干，得副產(chǎn)品三水醋酸鈉，母液進(jìn)入中和液循環(huán)利用。經(jīng)濟(jì)效益分析：該工藝可消減G4 VOCs氣體，廢水中醋酸可全部轉(zhuǎn)化為三水醋酸鈉，按98%得率計(jì)算，年可產(chǎn)出副產(chǎn)品三水醋酸鈉6 220 t，為糠醛產(chǎn)量的62.2%。經(jīng)濟(jì)分析如表2所示。

表2 回收醋酸鈉經(jīng)濟(jì)分析表

分析：年新增銷售收入1 368.4萬元，新增利稅432.4萬元。

2.1.2封閉進(jìn)料

傳統(tǒng)工藝為開口帶壓裝鍋。為防止鍋口VOCs氣體無組織排放，本工藝采用攪籠封閉進(jìn)料、射線控制水解釜內(nèi)料位[4]。該工藝可消減G1氣體排放，消減7.56 t VOCs氣體。經(jīng)濟(jì)效益分析：工業(yè)糠醛價(jià)格9 400元/t，可新產(chǎn)值4.7萬元，新增動力消耗4.30萬元，新增利稅0.4萬元。

2.2 過程管理

2.2.1排渣吸收

采用該排渣吸收工藝，可保證排渣閃蒸汽體G3全部吸收，G5輸送糠醛渣系統(tǒng)全封閉，用風(fēng)機(jī)吸入吸收塔，可消減VOCs氣體醋酸80 t以上，生成的醋酸鈉送副產(chǎn)品工段，未吸收完全的VOCs氣體進(jìn)入末端治理。

2.2.2輕組分冷凝

糠醛生產(chǎn)脫輕、精制過程中屬于負(fù)壓精餾，低沸點(diǎn)物質(zhì)G2如甲醇、丙酮隨真空泵排入大氣。在真空泵后增加冷凝器，冷媒介質(zhì)選用地下水，可把85%以上的低沸點(diǎn)物質(zhì)冷凝，冷凝液進(jìn)輕組分罐分離甲醇、丙酮，未完全回收的低沸點(diǎn)VOCs氣體進(jìn)入末端治理。

2.2.3輕組分精餾

新增一臺精餾塔，糠醛生產(chǎn)過程中輕組分從提餾段頂部進(jìn)入精餾塔，精餾段頂設(shè)置回流管道，塔頂冷凝液2/3回流，1/3采出，采出液為甲醇、丙酮恒沸液(甲醇為12%，丙酮為85%，其他為雜醇)，塔釜采出95%的初甲醇。具體經(jīng)濟(jì)分析見表3。

表3 回收輕組分經(jīng)濟(jì)分析

效益分析：新增銷售收入137.1萬元，新增利稅104.85萬元。

2.3 末端治理

末端氣體來源：輕組分未冷凝部分、排渣未吸收完全部分、渣房廢渣閃蒸部分、廢水罐閃蒸部分及車間無組織排放部分，以上全部負(fù)壓回收，為保證末端治理徹底，以上無組織排放空間轉(zhuǎn)換時(shí)間為1 h，總空間容積為40 000 m3，則風(fēng)量約40 000 m3/h，全部采用高溫焚燒消減，事故狀態(tài)下用沸石轉(zhuǎn)輪吸附。

高溫焚燒：以上VOCs氣體含量較低，風(fēng)量較大，用風(fēng)機(jī)打入鍋爐，作為鍋爐給風(fēng)經(jīng)爐床底部進(jìn)入燃燒層，經(jīng)高溫區(qū)焚燒。該工藝成本最低、效果最佳。事故吸附：鍋爐事故狀態(tài)下必須保證VOCs氣體治理，新增加沸石轉(zhuǎn)輪吸附裝置，吸附劑選擇改性13X型分子篩。根據(jù)氣體最大上升速度公式：

ug=Kv[(ρL-ρv)/ρv]1/2

式中：ρL=1 000 kg/m3，ρv=1.29 kg/m3，Kv=0.07 m/s，ug=1.95 m/s。

轉(zhuǎn)輪計(jì)算公式：

Nopt=0.97ug[1-Hpρp/(Te-T0)]

式中：初始溫度T0=30 ℃，VOCs濃度為 0.000 1kg/m3，吸附反應(yīng)熱Hp為412 kJ/kg，流速ug為1.95 m/s，Te為 30.5 ℃。將這些條件帶入到公式得最佳轉(zhuǎn)速為0.33 r/h。轉(zhuǎn)輪分為六個(gè)區(qū)：一個(gè)為解脫區(qū)、一個(gè)為降溫活化區(qū)、四個(gè)吸附區(qū)，解脫區(qū)采用高溫?zé)峥諝?，解難脫下高VOCs氣體進(jìn)行催化焚燒，產(chǎn)生的高溫氣體循環(huán)利用[5]。

3 結(jié)論

根據(jù)糠醛行業(yè)特性，采用中和、冷卻、冷凝、吸收、高溫焚燒或轉(zhuǎn)輪吸附等技術(shù)工藝，處理含乙酸、糠醛、甲醇、丙酮類的大風(fēng)量、低濃度的有機(jī)廢氣處理設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠。該處理技術(shù)占地面積少、投資經(jīng)濟(jì)、便于操作維修，易于在糠醛行業(yè)推廣。在治污的同時(shí)年可回收副產(chǎn)品三水醋酸鈉6 220 t，初甲醇660 t，雜醇油330 t；年可新增銷售收入1 509.7萬元，新增利稅537.75萬元，具有較好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，為同類有機(jī)廢氣治理提供了一種較理想的處理技術(shù)。