新型聯(lián)用治理VOCs工藝在煙廠制絲工藝中的應(yīng)用

夏揚(yáng)開

（北京優(yōu)信永科檢測(cè)技術(shù)有限公司，北京 100176）

1 引言

我國(guó)是世界上生產(chǎn)煙草的大國(guó)，因?yàn)闊煵輼I(yè)具有的經(jīng)濟(jì)利益與稅收，能夠?yàn)樵搮^(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來很高的效益。隨著煙草種植越來越多，煙草廠為了滿足社會(huì)的需求，增加了卷煙的品種，改變進(jìn)了制煙技術(shù)，而煙草廠的污染也越來越嚴(yán)重。

卷煙煙草的制絲工藝主要為制絲排潮和制絲除塵，制絲除塵污染來源于片煙和加料工序，制絲排潮污染來源于切絲、烘絲和膨化工序。制造過程中所產(chǎn)生的工藝廢氣主要成分有：煙末粉塵及醇類、酯類、醛類、烴類、酚類、酸類等多種有機(jī)物質(zhì)[1]。

目前國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)制煙污染治理技術(shù)種類繁多，包括生物洗滌法、吸附法等。生物洗滌法設(shè)備投資高，且維護(hù)較難，受環(huán)境的溫度和酸堿性影響較大；吸附法中吸附劑具有選擇性，適應(yīng)性較差，運(yùn)行費(fèi)用和投資成本都高。現(xiàn)有學(xué)者對(duì)市場(chǎng)的煙廠異味處理技術(shù)做了比對(duì)分析發(fā)現(xiàn)，低溫等離子技術(shù)具有能耗低，處理效率高，不產(chǎn)生二次污染，投資少等優(yōu)點(diǎn),該技術(shù)具有很好的應(yīng)用前景。

2 煙廠廢氣治理技術(shù)原理

2.1 污染物特征

某煙廠車間運(yùn)行時(shí)，工藝段煙氣進(jìn)行匯總：制絲排潮的風(fēng)量在60 000 m3/h左右，制絲除塵的風(fēng)量在90 000 m3/h左右；污染物組分濃度采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法進(jìn)行測(cè)定（見表1）。臭氣濃度按照GBT14675—1993《空氣質(zhì)量惡臭的測(cè)定三點(diǎn)比較式臭袋法》進(jìn)行測(cè)定：制絲排潮的臭氣濃度為4 517（無量綱），制絲除塵的臭氣濃度在為2 090（無量綱），未達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

表1 檢測(cè)結(jié)果排名靠前的主要污染物

從表中看出污染物屬于大風(fēng)量低濃度，但依然有煙廠區(qū)附近的居民投訴有煙草異味影響生活，可能是污染物之間的多種相互作用（如相加、協(xié)同、抵消、掩蔽等作用）和長(zhǎng)期排放（此工藝車間的排放風(fēng)量較大）引起的[2]；兩種工藝中污染物中含量最高的是1-葵烯，1-葵烯是石油中提煉出來的有機(jī)物，一般用作香料添加劑。制絲排潮的污染物濃度整體比制絲除塵要高，這是工藝中對(duì)煙絲進(jìn)行烘干導(dǎo)致污染物揮發(fā)造成的。

2.2 治理工藝

根據(jù)污染物濃度特征，VOCs的含量低，水溶性較差，再考慮投資成本、運(yùn)行費(fèi)用、維護(hù)情況以及使用的便捷程度和材料的適應(yīng)性等，采用低溫等離子加高效化學(xué)洗滌法組合工藝比較有前景。

經(jīng)前期實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，等離子設(shè)備安裝在洗池后面，在排放口會(huì)檢測(cè)到微量臭氧。低溫等離子產(chǎn)生的活性基團(tuán)會(huì)產(chǎn)生臭氧，風(fēng)量較大，為了給足臭氧的反應(yīng)時(shí)間達(dá)到較好反應(yīng)效果并稀釋臭氧，把低溫等離子的設(shè)備安裝在高效洗池的前端較為合理。

圖1為制絲排潮和制絲除塵廢氣的治理聯(lián)用工藝圖，煙氣經(jīng)過靜壓箱穩(wěn)壓整流后，與注入式低溫等離子注入的活性基團(tuán)結(jié)合，使其異味分子氧化分解，氧化后的混合廢氣進(jìn)入三級(jí)高效化學(xué)洗滌設(shè)備，大部分氧化后的氣體分子會(huì)被溶解在洗池溶液中；其中制絲排潮中有輔助冷卻器和板式換熱器，其間接換熱使氣體達(dá)到合適洗池溶液的氧化溫度，最后達(dá)到凈化要求后排出。

圖1 治理聯(lián)用工藝圖

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)工藝流程及特點(diǎn)

3.1 前端壓力穩(wěn)定技術(shù)

當(dāng)生產(chǎn)線上工藝設(shè)備頻繁啟停，管道內(nèi)風(fēng)量變化，氣流流速變化導(dǎo)致系統(tǒng)風(fēng)壓波動(dòng)，原風(fēng)量變化通過靜壓箱壓力感應(yīng)調(diào)節(jié)排風(fēng)風(fēng)機(jī)頻率進(jìn)行匹配，調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，系統(tǒng)波動(dòng)較大，不但影響前端生產(chǎn)線生產(chǎn)工藝穩(wěn)定性，而且造成等離子體在系統(tǒng)流場(chǎng)中的密度變化，使得需被治理的異味分子達(dá)不到氧化效果。

針對(duì)此問題，本工藝采用增加管道閥門及補(bǔ)風(fēng)閥，并配套電氣PID控制進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過加長(zhǎng)時(shí)間而降低原風(fēng)機(jī)直接變頻調(diào)節(jié)模式的波動(dòng)峰值，將煙氣波動(dòng)對(duì)治理效果的影響控制在最小范圍。生產(chǎn)線工藝設(shè)備啟停造成前端管道風(fēng)速變化被風(fēng)速儀檢測(cè)后，電氣PID會(huì)迅速調(diào)節(jié)管道閥門開度大小，調(diào)節(jié)風(fēng)速穩(wěn)定。同時(shí)調(diào)節(jié)補(bǔ)風(fēng)閥開度，在保持風(fēng)機(jī)頻率不變的前提下，填補(bǔ)工藝設(shè)備啟停相應(yīng)變化的風(fēng)量，使靜壓箱壓力穩(wěn)定，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，再通過逐步調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率及補(bǔ)風(fēng)閥的開度，實(shí)現(xiàn)排風(fēng)風(fēng)機(jī)頻率調(diào)節(jié)，最終使風(fēng)機(jī)頻率與治理運(yùn)行工況相匹配，圖2為壓力穩(wěn)定技術(shù)工藝圖。

圖2 壓力穩(wěn)定技術(shù)工藝圖

3.2 中端治理技術(shù)

環(huán)境空氣通過等離子系統(tǒng)風(fēng)機(jī)進(jìn)入三級(jí)過濾器，一級(jí)袋式過濾器主要過濾去除空氣中的細(xì)沙顆粒和灰塵，二級(jí)HEPA過濾器，能夠?qū)M2.5級(jí)別的細(xì)微塵進(jìn)行過濾，三級(jí)使用活性炭過濾，吸附去除工業(yè)園區(qū)空氣環(huán)境中的氮硫化物、VOCs分子等；經(jīng)過三級(jí)過濾后達(dá)到潔凈的空氣分子。潔凈的空氣會(huì)進(jìn)入加熱元件，提高溫度降低濕度，最終吹入等離子發(fā)生裝置機(jī)柜，當(dāng)擊穿電壓超過帕邢擊穿電壓時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)大量電子，潔凈的空氣分子與等離子反應(yīng)器的電子碰撞后，產(chǎn)生氧化性自由基，經(jīng)過適配器注入管道內(nèi)，氧化性自由基將從靜壓箱混合后的異味分子氧化分解[3-4]，圖3為注入式低溫等離子技術(shù)工藝流程圖。

圖3 注入式低溫等離子技術(shù)工藝流程圖

檢測(cè)某煙廠中主要的污染物為烷烴，酮類，醛類，酯類，烯烴和苯系物，這些污染物中C-H鍵能為4.2～4.4 eV，C-C鍵能為3.6～8.4 eV，C=O鍵能為3-6 eV和C=C鍵能為6.2～6.4 eV；本技術(shù)采用等離子的反應(yīng)器采用直流電源和交流電疊加的方式達(dá)到擊穿電壓，直流電壓疊加上升率大于200 V/μs，峰值大于1 kV各種波形的交流電壓，可以達(dá)到放電[5]；本技術(shù)中當(dāng)峰值大于3 kV的各種波形的交流電壓會(huì)獲得的能量的電子9-15 eV，基本都能激發(fā)這些污染物的氧化性（分子斷鍵氧化分解），其中隨廢氣進(jìn)入設(shè)備的水分子、氧分子被高壓擊穿斷鍵，生成強(qiáng)氧化基團(tuán)羥基、臭氧分子等，這些強(qiáng)氧化基團(tuán)與廢氣分子充分接觸氧化，加快反應(yīng)進(jìn)程。

等離子的設(shè)備工藝參數(shù)見表2，其中運(yùn)行功率可根據(jù)濃度自動(dòng)識(shí)別和模塊智能響應(yīng)達(dá)到自動(dòng)調(diào)整變壓器輸出功率和等離子發(fā)生模塊的開啟數(shù)量，達(dá)到節(jié)能的作用，其中等離子發(fā)生器的輸出電壓采用周期性的變化，范圍為2.7～3.8 kV。

表2 等離子設(shè)備工藝參數(shù)

3.3 末端治理技術(shù)

混合廢氣經(jīng)過等離子的氧化分解后，會(huì)進(jìn)入后端的高效化學(xué)洗池。洗池下方是排水池，噴淋系統(tǒng)采用前、后、上噴淋，前后對(duì)噴形成交叉流更易對(duì)顆粒物和異味分子進(jìn)行攔截，上方噴淋使顆粒物隨水流流入水池，每個(gè)方向的噴頭各4個(gè)，保證全方位對(duì)填料進(jìn)行噴淋，噴頭采用螺旋式結(jié)構(gòu)，噴角在90o～120o，流量為306～619 L/Min，使得循環(huán)液體能夠完全達(dá)到霧化狀態(tài)（液體粒徑1～5 μm），其中霧化的OH-能夠很好接觸含COOH+分子，達(dá)到凈化廢氣的目的，根據(jù)fick定律，要是酸性氣體的濃度變大，有利于酸性氣體向堿性霧滴擴(kuò)散，使之與霧滴反應(yīng)速率增大。

其具體的工藝流程主要為：第一級(jí)結(jié)構(gòu)通過噴淋噴出的液體與廢氣分子碰撞，攔截，凝聚作用，顆粒物隨液滴流入底部水池，其中對(duì)200 μm以上的顆粒物凈化率達(dá)到99%，易溶于水的氣體分子也會(huì)隨水流流入水池，噴淋霧化后的液體滿足最小潤(rùn)濕因子值的要求，噴淋到填料上，液體會(huì)隨著填料的邊緣流下，形成了水膜，使氣液充分接觸，達(dá)到凈化氣體的目的；隨后的第二，第三結(jié)構(gòu)依次層層凈化，1～10 μm顆粒物凈化率達(dá)到90%以上，通過等離子氧化分解后的混合廢氣會(huì)被堿性溶液繼續(xù)吸收溶解。

廢氣通過洗池含有大量液滴，直接進(jìn)入管道或設(shè)備會(huì)腐蝕設(shè)備和管道，采用氣液分離裝置，其中氣液分離裝置采用3折4鉤設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的折流板，含有液滴的氣體進(jìn)入到折流板，液滴就會(huì)在折流板上慢慢聚集匯流收集，當(dāng)液滴>33 μm時(shí)，其液滴收集率能達(dá)到100%，排放流速達(dá)到5 m/s時(shí)，其壓力損失僅為2 mbar，減少風(fēng)機(jī)功耗，并長(zhǎng)久維持高效率。圖4為三級(jí)化學(xué)洗池結(jié)構(gòu)及工作流程圖。

圖4 三級(jí)化學(xué)洗池結(jié)構(gòu)及工作流程圖

3.4 輔助冷卻技術(shù)

由于制絲排潮工藝中廢氣溫度過高，本工藝采取冷卻塔-板式換熱器組合工藝，冷卻塔循環(huán)水量為107 m3/h，進(jìn)水溫度45 ℃，出水溫度35 ℃，換熱器的換熱面積300 m2，換熱效率達(dá)到85%。異味氣體分子中有機(jī)物的中乙酸乙酯，苯，苯乙烯等有毒物質(zhì)，沸點(diǎn)都在75 ℃以上，而排潮工藝中異味氣體的最高溫度約83 ℃，洗池中冷卻循環(huán)系統(tǒng)會(huì)降溫8.5 ℃，使整個(gè)洗池室溫保持在75 ℃以下反應(yīng)環(huán)境，異味氣體分子與霧化后循環(huán)液體能夠更好的接觸反應(yīng)，其中對(duì)水溶性較好的醛類和醇類等物質(zhì)處理效果更好。圖5為冷卻-換熱技術(shù)原理圖。

圖5 冷卻-換熱技術(shù)原理圖

4 聯(lián)用工藝的治理效果

待項(xiàng)目竣工后，開展第三方檢測(cè)工作，檢測(cè)結(jié)果見表3。從表3發(fā)現(xiàn)治理技術(shù)工藝廢氣處理的VOCs凈化率均達(dá)到90%以上，檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)末端的排放物的VOCs濃度均在0.08 mg/m3以下，其中大部分苯系物低于檢測(cè)限；臭氣的治理效果見圖6，制絲排潮的凈化排放達(dá)到307，凈化率達(dá)到93.2%，制絲除塵的凈化排放達(dá)到137，凈化率達(dá)到93.4%；本次檢測(cè)排放口的濃度，達(dá)到了《GB 14554-1993 惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，本次的治理工藝切實(shí)有效。圖6為聯(lián)合工藝的臭氣治理效果圖。

表3 治理工藝前后比較

圖6 聯(lián)合工藝的臭氣治理效果圖

5 結(jié)論

（1）采用低溫等離子+三級(jí)化學(xué)清洗法聯(lián)用工藝綜合治理技術(shù)對(duì)制絲工藝中產(chǎn)生的廢氣具有很好的治理效果且無二次污染，不僅對(duì)致癌，有氣味的大部分低濃度苯系物凈化很徹底，還滿足了兩種制絲工藝中污染物的臭氣濃度凈化率達(dá)到90%。

（2）其特殊的低溫等離子設(shè)備的處理效率高，能達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的；洗池的三級(jí)過濾和噴淋系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)作用能夠徹底的凈化廢氣，氣液分離裝置還能防止設(shè)備腐蝕損壞；

（3）整套設(shè)備的智能化控制系統(tǒng)既保證異味處理過程的穩(wěn)定性，又可以滿足煙廠車間連續(xù)自動(dòng)作業(yè)。

總體來說，本凈化工藝符合推廣節(jié)能環(huán)保型煙廠污染廢氣治理技術(shù)的發(fā)展思路，滿足我國(guó)對(duì)青山綠水的呼應(yīng)，其中等離子技術(shù)還有進(jìn)一步研究和推廣價(jià)值。