流化床吸附工藝處理罐區(qū)廢氣的工程應(yīng)用

柳 龍，王寶漢，鄧世光

(廣州金鵬環(huán)保工程有限公司，廣東 廣州 510663)

當前VOCs（Volatile Organic Compounds）廢氣治理領(lǐng)域應(yīng)用較為普遍的工藝有洗滌[1]、生物過濾[2-4]、燃燒[5-6]、吸附[7]、冷凝[8]等。其中洗滌工藝多針對易溶于水的VOCs廢氣，生物過濾適宜于低負荷工況，燃燒工藝適用于VOCs廢氣濃度較高且不能含有固體顆粒物及雜質(zhì)元素的工況，吸附工藝多以固定床形式應(yīng)用于工程上。固定吸附床易形成短路和死角區(qū)域，吸附劑的利用率低，更換吸附劑的操作繁瑣。李松原等人[9]在研究流化床活性炭吸附VOCs的過程中發(fā)現(xiàn)，固定床與流化床有各自的適應(yīng)區(qū)域及最佳的運行條件，常遠[10]對流化床專用的高耐磨性大吸附容量樹脂進行了開發(fā)研究。流化床吸附樹脂工藝應(yīng)用于VOCs治理的研究有了新的進展。

當前，諸多行業(yè)已經(jīng)明確規(guī)定了VOCs排放限值，并在重點區(qū)域進行特殊管控，排放要求更為嚴格，需要企業(yè)根據(jù)本區(qū)域的VOCs廢氣特性及周邊的環(huán)境要求，采用合適的VOCs治理工藝。儲罐區(qū)域是一類特殊的工況環(huán)境，一般屬易燃易爆的特別管制區(qū)域，空間位置也有極大限制，因此該區(qū)域的VOCs排放及控制問題顯得尤為重要。

1 工程背景概述

沈陽某制藥廠廠區(qū)一號儲罐區(qū)（儲罐17個，單罐最大儲量400m3）和二號儲罐區(qū)（儲罐16個，單罐最大儲量100m3）的泵房及罐區(qū)周邊的異味明顯，原有的處理設(shè)備已不能滿足需求，嚴重影響了正常工作及生活。VOCs廢氣來自儲罐的呼出氣和泵房空間的換氣，主要成分為甲苯、甲醇、異丙醇，其中甲苯不易溶于水。從元素組成上看，廢氣含碳氫氧元素；從化合物類別看，有醇類、酮類及單環(huán)芳烴（mono-aromatic hydrocarbons, MAHs）；從罐區(qū)儲料量看，醇類（甲醇以及異丙醇）儲量占大多數(shù)，占比為79%。VOCs的特性如表1所示，從表1中VOCs的分子偶極矩及分子極化率可知，可以使用吸附工藝對其進行吸附凈化處理。

表1 罐區(qū)VOCs的特性[11]Table 1 Properties of VOCs in the pharmaceutical tank area

醇類、甲苯等對人體健康不利，屬于必須加以控制的VOCs，原有的水洗噴淋處理工藝并不能完全去除，選用適宜的吸附劑，可保證去除異味，達標排放。一般的吸附劑孔徑有微孔（＜2nm）、介孔（2～50nm）和大孔（＞50nm），其中大孔主要起通道作用，介孔與微孔提供吸附結(jié)合位。吸附樹脂的平均孔徑為2.6nm，屬于介孔范疇，有利于VOCs小分子的吸附。

2 工藝設(shè)計方案

2.1 工藝流程

根據(jù)廢氣的主要成分、濃度、環(huán)境溫度等參數(shù)，對廢氣處理項目進行綜合性經(jīng)濟環(huán)境分析和評價。綜合考慮排放要求、投資及運行成本，確定了多層流化床樹脂吸附-冷凝組合工藝。使用新型VOCs吸附樹脂在流化床內(nèi)完成對廢氣的凈化，多層流化床結(jié)構(gòu)有利于吸附劑利用率的提升，傳質(zhì)的推動力大，抗負荷沖擊力強，可實現(xiàn)在線連續(xù)置換排料，運行過程中可無級調(diào)節(jié)氣固比，適用于多種復(fù)雜工況。使用復(fù)疊式冷凝機組，對高濃度VOCs氣體直接進行冷凝回收。

圖1 吸附樹脂多層流化床吸附回收VOCs的工藝流程圖Fig.1 Process flow chat of VOCs adsorption and recollection inmultilayer fluidized bed with adsorbent of resin

表2 樹脂參數(shù)Table 2 Properties of resin

將罐區(qū)高濃度的儲罐呼出氣送入冷凝換熱系統(tǒng)，以冷凝收集大部分的VOCs，其主要成分為氮氣的不凝氣及少量的VOCs，再與車間廢氣一同再次送入流化床吸附系統(tǒng)，從而形成整套的多層樹脂流化床吸附回收VOCs工藝系統(tǒng)[12-13]。

吸附段設(shè)置了6層流化床結(jié)構(gòu)，樹脂通過自動翻板機構(gòu)落至下一層，新鮮樹脂由儲料罐直接補入最上一層，從而完成流化床內(nèi)樹脂的補充與逐層置換。吸附劑為苯乙烯-二乙烯基聚合樹脂，為黃棕色球狀，比表面積大，流動性好，有利于廢氣與樹脂的充分接觸。污染物被吸附凈化后直接排放。

再生段的脫附罐使用0.3MPa、150℃的低壓蒸汽供熱，以保證樹脂脫附所需的熱量。為了保證脫附完成后樹脂的流動性，脫附蒸汽與飽和樹脂為間接換熱，并間歇脈沖性向樹脂供應(yīng)氮氣，以避免局部過熱，同時將再生廢氣帶離再生段。脫附產(chǎn)生的高濃度VOCs廢氣由系統(tǒng)真空泵抽取送入制冷機組冷卻，冷凝液經(jīng)分液槽收集儲存，不凝氣匯入流化床進氣口。

冷凝段的處理介質(zhì)為再生的有機氣及儲罐呼出氣。儲罐呼出氣為高濃度的VOCs廢氣，濃度高但流量小。為確保氣體達標排放，采用水冷兩級復(fù)疊式制冷機組提供冷源，VOCs廢氣的排放溫度可降至-35℃。廢氣經(jīng)機組冷卻后，收集冷凝液，氮氣不凝氣及少部分VOCs氣體匯入流化床進氣口。

2.2 主要構(gòu)筑物和設(shè)備參數(shù)

廢氣收集系統(tǒng)由玻璃鋼管道和不銹鋼管道組成。高濃度的儲罐呼出VOCs氣體用不銹鋼管道收集后送入處理系統(tǒng)，泵房空間換氣的VOCs廢氣使用玻璃鋼管道收集后送至處理系統(tǒng)，流化床的主體為不銹鋼的6層結(jié)構(gòu)。考慮到收集系統(tǒng)為微負壓，為防止廢氣外泄，設(shè)計風(fēng)量為3500 m3·h-1。廢氣處理系統(tǒng)的參數(shù)如表3所示。

表3 廢氣處理裝置吸附段的參數(shù)Table 3 Design parameters of the treatment facility for VOCs

2.3 運行過程的影響因素

在運行過程中，系統(tǒng)運行的主要影響因素有以下一些：

1）流化風(fēng)速。適當?shù)娘L(fēng)速可以保證樹脂呈流化狀態(tài)，保證廢氣的凈化效果。風(fēng)速過高易造成樹脂逃逸，風(fēng)速過低則容易形成局部死區(qū)，導(dǎo)致樹脂利用率降低。

2）脫附溫度。吸附飽和的樹脂需要經(jīng)過再生才能繼續(xù)使用。參照各VOCs組分的沸點，為保證脫附完全，PID自動控制的脫附溫度為135℃。

3）冷凝溫度。高濃度的VOCs廢氣采用直接冷凝的方式。為盡可能降低冷凝后的廢氣濃度，結(jié)合制冷功耗，控制初冷的排氣溫度為2℃，以降低氣相濕度；控制二級深冷的排氣溫度為-35℃，以回收液相VOCs。

4）密封性。流化床主體設(shè)備必須密封，以避免設(shè)備漏風(fēng)而導(dǎo)致各層風(fēng)量出現(xiàn)差異，從而保證各流化層的狀態(tài)穩(wěn)定。

3 運行效果

本工程于2021年9月完工投入運行，運行6個月后總體情況穩(wěn)定，對VOCs減排起到了積極作用。但運行過程中仍出現(xiàn)了一些問題。

1）樹脂逃逸。樹脂顆粒的粒徑為0.15～1.3mm，分布范圍較大。運行初期，粒徑較小的顆粒容易被系統(tǒng)風(fēng)帶離流化床，為此，將出風(fēng)口的濾料裝置進行了調(diào)整優(yōu)化，同時選用了顆粒粒徑均一性較高的樹脂材料。

2）系統(tǒng)排料堵塞。樹脂受潮浸水后，流動性會受到極大削弱。為此在系統(tǒng)的各銜接位置增加了密封墊層，以保證密封性，避免滲漏。同時排料管道增加了間歇反吹掃動作，以防止樹脂堆積，堵塞管道。

按照當?shù)丨h(huán)保的監(jiān)控要求以及廠內(nèi)的排放限值標準，對系統(tǒng)廢氣處理情況進行監(jiān)測。設(shè)備運行前后廢氣的指標如表4所示。

表4 廢氣處理后情況Table 4 VOCs emission status after purified

本項目總投資為人民幣176萬元，年運行時間按7920h計，運行費用主要包括：電費15.04萬元·a-1，蒸汽費7.36萬元·a-1，樹脂補充耗費5萬元·a-1，年運行成本合計人民幣27.4萬元。

本系統(tǒng)可實現(xiàn)吸附再生在線連續(xù)運行，全線自動化進行飽和樹脂更換、樹脂再生、新鮮樹脂補充等，避免了頻繁更換吸附劑的高成本復(fù)雜操作過程。

4 結(jié)論

多層流化床吸附系統(tǒng)集流化床吸附、脫附再生、冷凝回收于一體，可實現(xiàn)連續(xù)在線運行，運行后可滿足VOCs的排放要求，車間生產(chǎn)環(huán)境的改善效果明顯。該流化床吸附再生工藝可滿足VOCs廢氣的治理及排放要求，同時可與冷凝、燃燒等工藝組合，形成整套VOCs處理裝備，可為罐區(qū)儲罐工況及類似環(huán)境下的VOCs廢氣治理，提供一條高效、穩(wěn)定的凈化工藝及工程應(yīng)用路線。