一種甲醇尾氣回收工藝的節(jié)能優(yōu)化及流程模擬

靳沛文，袁野

（華陸工程科技有限責(zé)任公司，西安 710065）

1 引言

隨著工業(yè)的快速發(fā)展， 工業(yè)廢氣的治理和資源回收問題日益受到關(guān)注。 工業(yè)廢氣的排放對(duì)環(huán)境和人類健康構(gòu)成諸多潛在威脅， 其中甲醇廢氣和污水是一種常見且具有毒性的工業(yè)廢物。 甲醇是一種揮發(fā)性有機(jī)化合物，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，因此，大量的含甲醇廢氣和污水在生產(chǎn)中被排放到環(huán)境中。 對(duì)土壤、水體、生產(chǎn)安全和空氣質(zhì)量造成嚴(yán)重污染。

為了解決這些問題，人們開始關(guān)注甲醇的工業(yè)廢氣治理和資源回收技術(shù)。 通過合理的尾氣處理和回收技術(shù)，可以降低尾氣甲醇含量和污水排放量，保證操作安全性并減少對(duì)環(huán)境的污染。

2 傳統(tǒng)甲醇尾氣回收工藝及存在問題

傳統(tǒng)的含甲醇尾氣吸收裝置多采用兩級(jí)吸收塔結(jié)構(gòu)，新鮮水作為吸收劑由第二級(jí)塔頂進(jìn)入， 對(duì)從第一級(jí)吸收塔塔釜進(jìn)入的尾氣進(jìn)行逆流吸收， 含甲醇廢水從第二級(jí)吸收塔底部排出，達(dá)標(biāo)尾氣從二級(jí)吸收塔頂部排出[1]。 傳統(tǒng)含甲醇尾氣吸收工藝流程如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)含甲醇尾氣回收工藝流程

從圖1 可以看出， 第二級(jí)吸收塔需要補(bǔ)充大量的新鮮水以吸收尾氣中的甲醇。

以上述流程為示例，用Aspen plus 對(duì)流程進(jìn)行含甲醇尾氣吸收工藝的模擬計(jì)算[2]。吸收是分離技術(shù)的一種，理論基礎(chǔ)為相平衡理論。 對(duì)于吸收過程是否計(jì)算準(zhǔn)確，取決于計(jì)算相平衡的方法是否選擇得當(dāng)。 針對(duì)用水吸收甲醇的吸收傳質(zhì)工藝，采用NRTL 模型進(jìn)行熱力學(xué)平衡計(jì)算，洗滌塔則采用嚴(yán)格計(jì)算模型。 本流程含甲醇尾氣進(jìn)料溫度31 ℃， 進(jìn)料壓力0.014 MPa（G），流量1 100 kg/h，組成見表1。

表1 含甲醇尾氣組成

根據(jù)GB 31571—2015 《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，廢氣中甲醇污染物排放限值為50 mg/Nm3。

通過調(diào)整二級(jí)塔新鮮水用量，來控制尾氣中甲醇的含量，使排放達(dá)標(biāo)，達(dá)標(biāo)尾氣溫度25 ℃，常壓排放。 模擬計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 傳統(tǒng)含甲醇尾氣吸收工藝計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表2 可以看出， 將新鮮水用量調(diào)整到24 000 kg/h，二級(jí)吸收塔尾氣中幾乎不含甲醇（5×10-15kg/h），折算排放濃度約7×10-12mg/Nm3， 比要求排放濃度50 mg/Nm3低了數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。即能夠滿足GB 31571—2015 甲醇污染物排放要求。

然而， 傳統(tǒng)工藝雖然可以通過調(diào)整新鮮水用量使甲醇的排放濃度滿足了GB 31571—2015 的要求，但仍存在一些主要問題：首先，為了使甲醇尾氣達(dá)標(biāo)排放，消耗新鮮水量非常大，不符合生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性。 其次，由吸收塔底部排放的污水中含有高濃度的甲醇等有機(jī)物。 這些有機(jī)物具有毒性，對(duì)水生生物和生態(tài)系統(tǒng)具有破壞性。 傳統(tǒng)的污水處理工藝通常難以有效去除污水中的甲醇，導(dǎo)致甲醇等有機(jī)物進(jìn)入自然水體，對(duì)水生生物和環(huán)境造成不可逆轉(zhuǎn)的損害。 如果含甲醇污水未達(dá)標(biāo)排放，對(duì)于水體生態(tài)系統(tǒng)將產(chǎn)生嚴(yán)重危害。

綜上，通過對(duì)傳統(tǒng)工藝進(jìn)行計(jì)算，調(diào)整新鮮水用量可以有效控制甲醇的排放濃度，使其滿足環(huán)保要求，為工業(yè)生產(chǎn)中的甲醇廢氣治理提供了一種解決方案。 然而，該工藝消耗了大量的水資源，不符合節(jié)水要求，并且污水排放量大，對(duì)配套污水處理的能力要求高，且對(duì)土壤水體環(huán)境存在危害風(fēng)險(xiǎn)。 因此，在實(shí)際應(yīng)用中，仍需進(jìn)一步優(yōu)化工藝，在滿足甲醇達(dá)標(biāo)排放的前提下，最大化降低新鮮水的耗量、減少污水排放。

3 含甲醇尾氣回收優(yōu)化工藝

本工藝通過調(diào)整原兩級(jí)吸收塔為單級(jí)吸收塔并組合1 臺(tái)甲醇-水精餾塔，使新鮮水由單級(jí)吸收塔塔頂通入，含甲醇混合液由吸收塔塔底經(jīng)泵加壓送至精餾塔， 在塔頂回收高純度甲醇，塔底釜液則可通過泵回流至吸收塔做吸收液循環(huán)。 通過優(yōu)化工藝，僅需在單級(jí)吸收塔中補(bǔ)充少量新鮮水，就可以保證尾氣達(dá)標(biāo)排放。 同時(shí)可以通過精餾操作將甲醇和水分離，實(shí)現(xiàn)了高純度甲醇的回收利用。 塔釜液因僅含有極少量甲醇，又可以作為吸收塔的吸收液循環(huán)。該工藝不產(chǎn)生理論污水排放。含甲醇尾氣回收優(yōu)化工藝流程如圖2 所示。

圖2 含甲醇尾氣回收優(yōu)化工藝流程

優(yōu)化后的方案的主要技術(shù)要點(diǎn)如下。

首先， 優(yōu)化后的流程通過增設(shè)的精餾塔實(shí)現(xiàn)了甲醇的分離， 精餾塔釜的液相可返回單級(jí)吸收塔作吸收液循環(huán)吸收尾氣中的甲醇。 因此，僅需向單級(jí)吸收塔中補(bǔ)充少量的新鮮水，即能夠確保尾氣達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。 這一流程優(yōu)化極大地減少了對(duì)新鮮水的需求量，從而節(jié)約了大量的水資源。 相較于傳統(tǒng)工藝，這一優(yōu)化措施更加符合可持續(xù)發(fā)展的原則。

其次，新增的甲醇-水精餾塔是流程優(yōu)化的關(guān)鍵。含甲醇的混合液由吸收塔的底部排入精餾塔，在精餾塔的頂部回收高純度的甲醇，而底部的釜液則可循環(huán)回吸收塔作為吸收液。 這一操作使得甲醇得以高效地回收利用[3]。同樣地，塔底釜液含有極少量的甲醇，可以作為吸收塔的吸收液，實(shí)現(xiàn)了循環(huán)使用。這一優(yōu)化方案不僅提高了甲醇的回收率，還減少了污水的產(chǎn)生。

此外，相比于原有的兩級(jí)吸收工藝，優(yōu)化后的工藝具有更小的塔徑，從而可以優(yōu)化設(shè)備布置，并且減少了工廠所需的占地空間。 這對(duì)于提高工藝的經(jīng)濟(jì)效益和可行性至關(guān)重要。

綜上，通過將兩級(jí)吸收塔調(diào)整為單級(jí)吸收塔并引入甲醇-水精餾塔，優(yōu)化后的工藝實(shí)現(xiàn)了新鮮水用量的減少、甲醇的高效回收以及降低污水排放的節(jié)能目標(biāo)。

按照調(diào)整后的流程， 對(duì)表1 中的含甲醇尾氣進(jìn)料進(jìn)行模擬計(jì)算，達(dá)標(biāo)尾氣溫度56 ℃，常壓排放。 結(jié)果見表3。

表3 優(yōu)化后含甲醇尾氣吸收工藝計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表3 計(jì)算結(jié)果可以看出， 新鮮水用量為280 kg/h，較傳統(tǒng)含甲醇尾氣吸收流程減少23 720 kg/h， 吸收塔尾氣中甲醇流量0.035 kg/h，折算排放濃度約38 mg/Nm3，低于要求排放濃度50 mg/Nm3，滿足GB 31571—2015 甲醇污染物排放要求。

4 結(jié)果分析

對(duì)比傳統(tǒng)和優(yōu)化后的工藝流程及數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)， 含甲醇尾氣回收節(jié)能優(yōu)化工藝比傳統(tǒng)工藝的新鮮水用量、 污水排放量大幅降低。 優(yōu)化節(jié)能前后耗能對(duì)比見表4。

表4 能耗對(duì)比

從表4 可以看出， 優(yōu)化工藝對(duì)比傳統(tǒng)工藝， 在節(jié)約新鮮水、實(shí)現(xiàn)零污水排放等方面有顯著優(yōu)勢(shì)，可以降低對(duì)環(huán)境的污染，減少潛在安全風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

從上述流程結(jié)果可以看出， 優(yōu)化后的流程工藝降低了新鮮水耗量，減少了污水排放，同時(shí)回收了尾氣中的甲醇，較傳統(tǒng)二級(jí)吸收塔流程，具有更大的應(yīng)用潛力和經(jīng)濟(jì)效益，值得在工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。