高溫裂解法預(yù)處理高濃VOCs的工程實踐

張以飛，畢良東，曹 偉

（南京大學(xué)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計研究院股份公司，江蘇 南京 210093）

0 引言

在石化、醫(yī)藥、噴漆等行業(yè)生產(chǎn)的過程當(dāng)中會產(chǎn)生大量的可揮發(fā)性有機(jī)物（簡稱VOCs）,其廢氣中有機(jī)物的成分多，含量高，如若不對其進(jìn)行處理直接排放，會對環(huán)境和人的身體帶來巨大的危害[1-4]?，F(xiàn)階段廢氣的處理方法主要分為催化燃燒法[5-6]、吸附法[7-9]、吸收法、高溫裂解法[10]、生化法[11]、低溫冷凝法[12]、膜分離法[13]等。國內(nèi)企業(yè)目前主要依托催化燃燒法、吸附法、吸收法來進(jìn)行廢氣治理，但是其都有自身的缺陷。催化燃燒法雖處理效率高，但是投資和運(yùn)行費(fèi)用較高；吸附法雖處理效率較高，但是會定期產(chǎn)生二次活性炭固廢污染；吸收法雖投資低，但是處理效率低。

國內(nèi)某藥企主要從事地塞米松原料藥的制作，生產(chǎn)過程中真空泵房會產(chǎn)生高濃度的VOCs，廢氣量約600 m3/h，其中二氯甲烷及三氯甲烷廢氣質(zhì)量濃度偏高（高達(dá)幾萬mg/m3），利用傳統(tǒng)的吸附、催化燃燒等處理工藝不能同時兼顧高處理效率和低投資、運(yùn)行費(fèi)用雙優(yōu)點(diǎn)。為此，藥企集團(tuán)針對該廢氣成分的特點(diǎn)，在實驗研究的基礎(chǔ)上，采用了高溫裂解法處理工藝，設(shè)計出了600 m3/h 高濃VOCs 的廢氣預(yù)處理治理工程。后續(xù)工程實踐證明，高溫裂解法預(yù)處理工藝不僅投資較低，而且處理效率高，可以保證排放廢氣穩(wěn)定可靠達(dá)標(biāo)，是高濃VCOs 最優(yōu)的處理工藝。

1 廢氣測試分析

采用FT-IR（紅外吸收光譜）監(jiān)測設(shè)備的排氣情況，真空泵排氣中的主要組分為二氯甲烷、三氯甲烷、丙酮、甲醇等，排氣量為600 m3/h，排氣溫度為0～25 ℃。測試情況見表1。

表1 真空泵排氣污染物測試情況 mg·m-3

2 高溫裂解廢氣治理工程

2.1 廢氣治理工藝流程

根據(jù)廢氣測試分析，針對本項目高濃廢氣最終選擇高溫裂解法廢氣治理工藝流程見圖1。工藝流程說明：真空泵排氣經(jīng)收集管路收集后經(jīng)管道阻火器，首先進(jìn)入水洗塔進(jìn)行預(yù)處理，在水洗塔中將廢氣中的丙酮和甲醇控制在安全的濃度范圍，同時廢氣中夾帶的液體也可在水洗塔中進(jìn)一步去除后進(jìn)入廢氣混合箱。在廢氣緩沖箱前設(shè)置有補(bǔ)充空氣管路，以確保進(jìn)入高溫裂解設(shè)備的氣體流量的穩(wěn)定，廢氣與補(bǔ)充的新鮮空氣在混合箱內(nèi)充分混合均勻后進(jìn)入高溫裂解廢氣處理設(shè)備，然后廢氣發(fā)生一系列裂解反應(yīng)后，廢氣中的污染物分解為酸性氣體等，再進(jìn)入后續(xù)的堿吸收塔將酸性氣體及顆粒物去除后通過引風(fēng)機(jī)接入原有的活性炭處理系統(tǒng)。

2.2 高溫裂解廢氣處理設(shè)備介紹

高溫裂解廢氣處理的技術(shù)原理見圖2。在氮?dú)庾饔孟拢陉枠O和陰極之間通過高壓放電產(chǎn)生高溫等離子火焰，高溫等離子火焰由各種高活性的高能粒子組成，火焰中心的溫度可達(dá)12 000 ℃以上，高能粒子可以與污染物直接發(fā)生反應(yīng)或者誘發(fā)污染物發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，從而將污染物去除或者轉(zhuǎn)化為其他容易處理的副產(chǎn)物。

圖2 高溫等離子體火焰產(chǎn)生原理

高溫裂解廢氣處理設(shè)備目前主要應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各種工藝氣體的去除，如苯、四氟化碳、六氟化硫、二氯甲烷等廢氣的處理，凈化效率可以達(dá)到99.9%以上。高溫裂解廢氣處理設(shè)備連續(xù)運(yùn)行，穩(wěn)定可靠性極高，可以滿足行業(yè)終年連續(xù)生產(chǎn)不停機(jī)的苛刻要求。高溫裂解廢氣處理設(shè)備采用電作為能量輸入來源，反應(yīng)過程不需氧氣，安全性高；其自動化水平高，占地面積小，整體可采用撬裝方式。

2.3 高溫裂解廢氣反應(yīng)原理

針對本項目廢氣中的各種污染物，高溫裂解反應(yīng)機(jī)理表2。通過一系列反應(yīng)后廢氣污染物變?yōu)閱钨|(zhì)碳或者酸性氣體，可以再經(jīng)過一級后處理而得以徹底去除。

表2 高溫裂解廢氣反應(yīng)機(jī)理

3 主要設(shè)備功能及參數(shù)

3.1 水洗塔

水洗塔采用填料塔，填料采用規(guī)整填料，填料塔塔徑為500 mm，塔高為5 m，填料高度為3.5 m，塔頂設(shè)置除沫器，塔體及填料材質(zhì)為304 材質(zhì)。水洗塔主要用于預(yù)處理廢氣中的丙酮和甲醇，將其控制在安全的濃度范圍。

水洗塔配套循環(huán)泵2 臺，流量為2 m3/h，揚(yáng)程為15 m，功率為0.75 kW；新鮮自來水補(bǔ)充量為0.2～0.6 m3/h。

3.2 緩沖箱

緩沖箱中廢氣的停留時間為12 s，體積為1.0 m3，規(guī)格為Φ1 050 mm×1 250 mm，材質(zhì)為304 材質(zhì)，緩沖箱設(shè)置有防爆片。緩沖箱主要用于保證進(jìn)入高溫裂解設(shè)備的氣體流量的穩(wěn)定，使廢氣與補(bǔ)充的新鮮空氣在混合箱內(nèi)充分混合均勻后進(jìn)入高溫裂解廢氣處理設(shè)備。

3.3 高溫裂解廢氣處理設(shè)備

按照項目情況，選擇一臺處理規(guī)模為600 m3/h的高溫裂解處理設(shè)備，設(shè)備采用整體撬裝方式。反應(yīng)器腔體為不銹鋼材質(zhì)，設(shè)備整體設(shè)置外殼箱，箱體材質(zhì)為碳鋼噴塑。高溫裂解處理設(shè)備使進(jìn)入設(shè)備的廢氣發(fā)生一系列裂解反應(yīng)，使廢氣中的污染物分解為酸性氣體、水等，降低廢氣的濃度。

設(shè)備外形尺寸為1 200 mm×1 200 mm×2 000 mm；設(shè)備最大功率為20 kW，運(yùn)行功率約為10 kW；設(shè)備需消耗少量冷卻循環(huán)水、工藝水、氮?dú)饧皦嚎s空氣。

設(shè)備自帶配電系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)及PLC 控制系統(tǒng)。

3.4 堿洗塔

堿洗塔采用填料塔，填料采用規(guī)整填料，填料塔塔徑為500 mm，塔高為5 m，填料高度為3.5 m，塔頂設(shè)置除沫器，塔體及填料材質(zhì)為304 材質(zhì)。堿洗塔主要用于去除裂解反應(yīng)后產(chǎn)生酸性氣體及顆粒物。

堿洗塔配套循環(huán)泵2 臺，流量為2 m3/h，揚(yáng)程為15 m，功率為0.75 kW；配套堿加藥系統(tǒng)1 套。

3.5 阻火器

在設(shè)備進(jìn)風(fēng)口設(shè)置阻火器1 臺，采用管道式阻火器，規(guī)格為DN150，材質(zhì)為不銹鋼。

3.6 引風(fēng)機(jī)

現(xiàn)場的引風(fēng)機(jī)采用玻璃鋼離心風(fēng)機(jī)，風(fēng)量為500 m3/h，全壓1 800 Pa,功率5.5 kW，數(shù)量1 臺。引風(fēng)機(jī)主要使處理后達(dá)標(biāo)的尾氣高空排放。

4 調(diào)試運(yùn)行情況

2019年系統(tǒng)安裝完成開始調(diào)試，車間正常生產(chǎn)，真空泵正常運(yùn)行，啟動高溫裂解處理設(shè)備、吸收塔水泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備。待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，利用采樣袋每5 min 對進(jìn)出口廢氣進(jìn)行1 次采樣，連續(xù)監(jiān)控2 h，然后利用FT-IR 對進(jìn)出口廢氣成份進(jìn)行分析。進(jìn)氣濃度測試見圖3。

圖3 進(jìn)氣濃度測試

從圖3 可知，二氯甲烷的平均濃度最高，其質(zhì)量濃度最高峰超過170 000 mg/m3；甲醇的平均濃度最低，其最低質(zhì)量濃度也超過15 000 mg/m3；丙酮和三氯甲烷的質(zhì)量濃度約在20 000～50 000 mg/m3，此股廢氣屬于高濃廢氣，如果不進(jìn)行預(yù)處理直接進(jìn)入后續(xù)的活性炭處理系統(tǒng)，可能排氣無法穩(wěn)定可靠達(dá)標(biāo)。排氣濃度測試見圖4。

圖4 排氣濃度測試

從圖4 可知，高濃廢氣經(jīng)過高溫裂解法處理工藝之后，其濃度下降較大，4 種有機(jī)廢氣排氣質(zhì)量濃度都在6 000 mg/m3以下，甚至可以降低到300 mg/m3以下，處理效果較為明顯，可以進(jìn)入后續(xù)的活性炭處理系統(tǒng)。不同廢氣處理效率見圖5。

圖5 不同廢氣處理效率

從圖5 可知，高溫裂解設(shè)備對二氯甲烷處理效率最優(yōu)（效率≥97%）,甚至可達(dá)到99%以上；其對丙酮和甲醇的處理效率也≥94%；其對三氯甲烷的處理效率較差，約90%左右。整體分析，高溫裂解法對高濃廢氣的處理效果較好。

5 優(yōu)勢和注意事項

相比傳統(tǒng)高處理效率的催化燃燒工藝，該工藝不僅一次性投資較少，而且運(yùn)行費(fèi)用較低，適合小風(fēng)量的高濃廢氣前段預(yù)處理。該項目總投資約100 萬元，設(shè)計處理高濃廢氣的能力為600 m3/h。高溫裂解設(shè)備運(yùn)行功率約為10 kW，水泵運(yùn)行功率1.5 kW，風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率5.5 kW，以日運(yùn)行16 h 計，則電耗為272 kW·h，電費(fèi)以1 元/（kW·h）計，則日電費(fèi)為272元。其他公輔費(fèi)用估算見表2。

表2 系統(tǒng)運(yùn)行藥劑費(fèi)估算

選擇高溫裂解工藝預(yù)處理高濃廢氣時，一定保證進(jìn)入高溫裂解設(shè)備不同廢氣組分濃度在安全范圍內(nèi)，切記不能存在液體的溶媒。

6 結(jié)論

我國生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)過程中排放的高濃VOCs可以采用高溫裂解工藝進(jìn)行預(yù)處理，其工藝可有效地去除高濃廢氣中不同有機(jī)物，對二氯甲烷、丙酮、甲醇等去除效率可達(dá)90%以上，甚至可以高達(dá)99%，大大降低了后續(xù)處理工藝的處理負(fù)荷，提高了綜合的治理效果，保證了尾氣的達(dá)標(biāo)排放。該工藝相對于傳統(tǒng)的催化燃燒、活性炭吸脫附等工藝，不僅直接節(jié)省了一次性投資的費(fèi)用，降低后續(xù)運(yùn)行費(fèi)用，而且處理效率高，不會產(chǎn)生二次污染，可確保尾氣的達(dá)標(biāo)排放。