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)的過程當中會產(chǎn)生大量的可揮發(fā)性有機物（簡稱VOCs）,其廢氣中有機物的成分多，含量高，如若不對其進行處理直接排放，會對環(huán)境和人的身體帶來巨大的危害[1-4]。現(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，但是投資和運行費用較高；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、運行費用雙優(yōu)點。為此，藥企集團針對該廢氣成分的特點，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)定可靠達標，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，首先進入水洗塔進行預(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一步去除后進入廢氣混合箱。在廢氣緩沖箱前設(shè)置有補充空氣管路，以確保進入高溫裂解設(shè)備的氣體流量的穩(wěn)定，廢氣與補充的新鮮空氣在混合箱內(nèi)充分混合均勻后進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機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。在氮氣作用下，在陽極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，凈化效率可以達到99.9%以上。高溫裂解廢氣處理設(shè)備連續(xù)運行，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，揚程為15 m，功率為0.75 kW；新鮮自來水補充量為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入高溫裂解設(shè)備的氣體流量的穩(wěn)定，使廢氣與補充的新鮮空氣在混合箱內(nèi)充分混合均勻后進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、氮氣及壓縮空氣。

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)備進風口設(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 引風機

現(xiàn)場的引風機采用玻璃鋼離心風機，風量為500 m3/h，全壓1 800 Pa,功率5.5 kW，數(shù)量1 臺。引風機主要使處理后達標的尾氣高空排放。

4 調(diào)試運行情況

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

圖3 進氣濃度測試

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，如果不進行預(yù)處理直接進入后續(xù)的活性炭處理系統(tǒng)，可能排氣無法穩(wěn)定可靠達標。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，而且運行費用較低，適合小風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)備運行功率約為10 kW，水泵運行功率1.5 kW，風機運行功率5.5 kW，以日運行16 h 計，則電耗為272 kW·h，電費以1 元/（kW·h）計，則日電費為272元。其他公輔費用估算見表2。

表2 系統(tǒng)運行藥劑費估算

選擇高溫裂解工藝預(yù)處理高濃廢氣時，一定保證進入高溫裂解設(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行預(yù)處理，其工藝可有效地去除高濃廢氣中不同有機物，對二氯甲烷、丙酮、甲醇等去除效率可達90%以上，甚至可以高達99%，大大降低了后續(xù)處理工藝的處理負荷，提高了綜合的治理效果，保證了尾氣的達標排放。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用，降低后續(xù)運行費用，而且處理效率高，不會產(chǎn)生二次污染，可確保尾氣的達標排放。