蓄電池PE隔板生產(chǎn)過程中TCE回收與排放控制

陳向魁

［杜爾涂裝系統(tǒng)工程（上海）有限公司，上海 201799］

蓄電池用高密度聚乙烯(PE)隔板生產(chǎn)過程中要利用化學(xué)溶劑對隔板進(jìn)行抽油處理。通過對原料油進(jìn)行萃取，從而形成產(chǎn)品所需的孔隙率。再經(jīng)干燥處理，將化學(xué)溶劑回收利用。PE隔板上用于供正負(fù)電子通過的微孔就是通過該抽油工藝后形成的。三氯乙烯（TCE，CH2Cl3）是蓄電池PE隔板生產(chǎn)中最常用的工藝油萃取溶劑。

在世界范圍內(nèi)，20多家大型PE隔板生產(chǎn)商中大都使用TCE作為萃取溶劑進(jìn)行生產(chǎn)。以一條5 000m2/h產(chǎn)線的干燥箱為例，每小時有近1 800 kg TCE需要被干燥回收。另外，TCE是有毒有害污染物，被世界衛(wèi)生組織列入一類致癌物清單。因此，對于PE隔板干燥過程揮發(fā)的TCE進(jìn)行回收，不僅具有經(jīng)濟(jì)價值，更是環(huán)保排放的要求。

1 處理方法的選擇

在評估一個特定的環(huán)境揮發(fā)性有機物(VOC)問題時，首先解決的主要問題是使用什么樣的處理方法。表1列出了一些用于控制工業(yè)氣體污染物的比較常見的方法。TCE作為一種常見的工業(yè)VOC，也遵循同樣的選擇。

表1 常見的工業(yè)氣體污染物處理適用技術(shù)選擇

吸附是指氣體分子通過固體顆粒床層時，由于吸引力的作用而選擇性地吸附在固體表面上的現(xiàn)象，這種吸引力比化學(xué)鍵的作用弱。當(dāng)氣流中的分子附著在固體表面時，能量就會釋放出來。這種能量被稱為“吸附熱”，通過提高溫度、降低壓力或引入更強的吸附物質(zhì)，大多數(shù)氣體可以從吸附劑中被解吸附。吸附是一種非破壞性的污染控制技術(shù)，用于去除氣流中的VOC，尤其是當(dāng)必須滿足嚴(yán)格的出口濃度和/或需要回收VOC時。

活性炭是最早使用并且最為常用的吸附劑，是由煤、木材和椰子殼等多種材料高溫蒸汽裂解而成。由于其高比表面積和存在各種尺寸的小孔隙，產(chǎn)生的碳具有優(yōu)異的吸附特性。其中椰殼活性炭表面積通常超過1 000m2/g，表觀密度約為0.50g/cm3。另外，椰殼活性炭主要用于氣相應(yīng)用，并且在更高的濕度下表現(xiàn)得更好[1]。TCE分子由于其扁平的幾何形狀，可以進(jìn)入碳微孔的深層區(qū)域。降低碳表面親水性降低，控制微孔體積小于10?，TCE吸附量增加[2]。

2 進(jìn)氣溫度、濕度調(diào)節(jié)

大多數(shù)活性炭供應(yīng)商已經(jīng)制定了一系列VOC的吸附等溫線。不同溫度下的等溫線表明了溫度對吸附能力的影響。

在圖1可以看出，在相同TCE濃度水平下，溫度為0℃時，活性炭對TCE的吸附能力要高于溫度為60℃時的吸附能力。

圖1 活性炭-TCE 吸附等溫線

Cosnier等在常溫狀態(tài)下，通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣的濕度，對不同的活性炭吸附TCE的性能進(jìn)行了對比，見圖2。濕度對于穿透時間（活性炭從開始吸附到接近飽和，出口TCE濃度開始增大的時間）有一定的影響。也有研究表明，TCE的吸附取決于系統(tǒng)中存在的水分種類。如果水分是預(yù)吸附于活性炭中，TCE的吸附表現(xiàn)為取代水的過程，活性炭吸附能力保持不變，有時發(fā)生一些穿透鋒形狀的變化，對應(yīng)于分子擴(kuò)散的受阻。相反，同時吸附蒸汽和TCE會導(dǎo)致水和TCE之間的競爭吸附，直接影響活性炭的吸附動力學(xué)和吸附能力。

圖2 不同濕度下活性炭穿透時間對比

通常，PE隔板烘箱出口的排氣溫度通常可達(dá)100℃左右,相對濕度在60%~90%。可以在進(jìn)入活性炭吸附罐之前，對制程排氣進(jìn)行冷卻預(yù)處理，利用TCE和水蒸氣在不同溫度下具有不同飽和蒸氣壓這一性質(zhì)，降低溫度使其中部分TCE和水蒸氣從氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，進(jìn)而從氣相中分離出來，從而更有利于后續(xù)的活性炭吸附過程。

3 活性炭再生方法的選擇

再生是指從活性炭中去除或解吸TCE的過程，熱再生是一種廣泛應(yīng)用的方法。在使用熱再生的系統(tǒng)中，溫度升高，增加TCE分子的動能。當(dāng)TCE分子的動能增加到足以克服將分子吸附在活性炭上的力時，TCE分子被解吸。所需的溫度取決于TCE的含量，通常在110 ~ 170℃。

有些溶劑在較高的溫度或空氣或水中的共沸物更容易降解。如果是這種情況，則使用惰性氣體吸附。對于TCE解吸，蒸汽解吸是一種常用的方法，低壓干蒸汽被送入充滿溶劑的活性炭床。蒸汽將被解吸的TCE溶劑抽走，然后將它們分離。在這個過程中，TCE溶劑通常可以返回并重復(fù)使用，而不需要進(jìn)一步的處理。這是一種用途廣泛且成本低廉的選擇[4]。

4 工藝過程描述

綜合考慮上述的分析結(jié)論，針對PE隔板烘箱設(shè)計了一套可再生活性炭吸附系統(tǒng)，用于回收TCE以及控制排放，見圖3。

圖3 可再生活性炭系統(tǒng)回收TCE及控制排放工藝流程

該流程圖顯示為雙罐吸附系統(tǒng)。在吸附之前，首先對含TCE溶劑的烘箱制程排氣進(jìn)行預(yù)處理，調(diào)節(jié)其溫度、含水量，使其適合吸附。進(jìn)口氣流首先通過風(fēng)機，風(fēng)機在進(jìn)口處產(chǎn)生正壓力，驅(qū)動氣體流經(jīng)過濾器，然后使用冷卻裝置將氣體溫度降低到約45°C。

預(yù)處理后的氣體通過進(jìn)口閥門，從其中一個吸附罐的下方進(jìn)入炭床，然后向上流動，通過活性炭床，TCE被吸附在活性炭上。經(jīng)過處理的空氣從炭床上方的空間排出，通過排氣閥到排氣煙囪通往大氣。

一旦吸附罐中的活性炭被TCE飽和，制程排氣將被導(dǎo)入第二個吸附罐，飽和的吸附罐啟動再生程序。

再生循環(huán)包括三個步驟，即通入蒸汽，干燥和冷卻。

蒸汽通入吸附罐的頂部，從上往下通過活性炭床，到達(dá)吸附罐的底部。在此過程中，蒸氣加熱了活性炭，TCE從活性炭中脫附，水蒸氣和TCE蒸氣從蒸汽出口閥，通過蒸氣管道進(jìn)入冷凝器。在冷凝器中，水和TCE溶劑冷凝并流向潷洗器。由于TCE不溶于水并且相對密度1.46，在潷洗器中分離成水層和TCE溶劑層。下層的TCE被回收再利用，含有溶解微量TCE的水層可以集中進(jìn)行水處理后排放。

經(jīng)過預(yù)設(shè)的時間周期后，蒸汽再生過程完畢，活性炭吸附罐進(jìn)入干燥過程。干燥的目的是在下一個吸附循環(huán)之前從活性炭中除去水分，從而提高系統(tǒng)的去除效率。干燥/冷卻風(fēng)機從環(huán)境中引風(fēng)，通過過濾器和加熱器，將空氣加熱到約70℃，將水從活性炭中驅(qū)除，并通過罐體出口閥門排氣到煙囪，進(jìn)而排入大氣中。經(jīng)過一段預(yù)設(shè)的時間后，關(guān)閉加熱器，風(fēng)機繼續(xù)引入環(huán)境空氣，吸附罐進(jìn)入冷卻步驟。在設(shè)定的冷卻時間后，關(guān)閉風(fēng)機，吸附罐處于閑置狀態(tài)，直到另一個吸附罐飽和，此時吸附罐將再次切換進(jìn)入吸附模式。

5 結(jié)語

如工藝過程所示，設(shè)計并制造了相應(yīng)的設(shè)備系統(tǒng)，包括進(jìn)風(fēng)調(diào)節(jié)、 活性炭吸附罐 、蒸汽再生系統(tǒng)、干燥冷卻（預(yù)處理）系統(tǒng)、溶劑分離系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)等。通過對活性炭的選擇，對制程廢氣溫度、濕度的控制，以及對活性炭的再生工藝參數(shù)優(yōu)化，系統(tǒng)輸出如下：

1）該系統(tǒng)對于TCE的回收率達(dá)到了98%以上。

2）該系統(tǒng)分離的TCE溶劑，約含有200×10-6水，純度滿足使用要求，可以回用于制程。

3）該系統(tǒng)產(chǎn)生的廢水，TCE含量在1 000×10-6以下，需要進(jìn)一步處理排放。

4）通過進(jìn)出口安裝的火焰離子檢測裝置(FID)，當(dāng)進(jìn)氣TCE濃度8 500~10 000×10-6，出口濃度穩(wěn)定地保持在10×10-6以下。

綜上所述，可再生活性炭吸附是一種高效的TCE回收與排放控制技術(shù)。