硬質(zhì)合金燒結(jié)尾氣處理方案分析

張 彬

(廈門(mén)冉能環(huán)保科技有限公司，福建 廈門(mén) 361001)

硬質(zhì)合金是由難熔金屬的硬質(zhì)化合物(如WC、TiC、TaC、NbC等)和粘結(jié)金屬(如Co、Ni、Fe)通過(guò)粉末冶金工藝制成的一種復(fù)合材料，具有很高的硬度、強(qiáng)度、耐磨性和耐腐蝕性，被譽(yù)為“工業(yè)牙齒”，被廣泛用于模具材料、刀具、耐磨零部件等領(lǐng)域。其生產(chǎn)工藝包括制粉、混合、研磨、成型、燒結(jié)、打磨等工序[1]。其中成型后的合金還十分脆弱，需通過(guò)真空脫蠟燒結(jié)使壓制的粉末熔化生成硬質(zhì)合金，該過(guò)程產(chǎn)生的排氣中含有一定量的有機(jī)氣體，主要來(lái)源于石蠟的分解[2]，此類(lèi)有機(jī)廢氣濃度較低，通常直接通過(guò)排氣筒外排。但隨著環(huán)保要求的提高，近年來(lái)多地出臺(tái)的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定非甲烷總烴排放濃度均低于100 mg/m3，顯然硬質(zhì)合金燒結(jié)尾氣直接外排將存在不達(dá)標(biāo)的情況，因此針對(duì)該行業(yè)燒結(jié)尾氣的分析及治理對(duì)策顯得尤其重要。本文以廈門(mén)市某硬質(zhì)合金燒結(jié)尾氣為處理對(duì)象，針對(duì)該廢氣設(shè)計(jì)了切實(shí)可行的尾氣處理方案。

1 廢氣特性分析

1.1 處理風(fēng)量

本項(xiàng)目燒結(jié)爐產(chǎn)生的尾氣在改造前均通過(guò)15米排氣口直接外排，各排氣口排風(fēng)量約250 Nm3/h，改造后需將10個(gè)排氣口合并至一套廢氣處理設(shè)施凈化后達(dá)標(biāo)排放，合并處理風(fēng)量為2500 Nm3/h。

1.2 廢氣濃度

由于該生產(chǎn)線每天24小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)，為研究生產(chǎn)過(guò)程中的排氣情況，我們抽選了其中的排氣口A和排氣口B進(jìn)行24 h的濃度檢測(cè)，采用手持式VOCs濃度檢測(cè)儀，檢測(cè)頻次為間隔1 h檢測(cè)一次，檢測(cè)結(jié)果如圖1所示。

圖1 入口濃度檢測(cè)結(jié)果Fig.1 Inlet concentration test result

由圖1可知，兩個(gè)排氣口的VOCs排放濃度普遍較低，主要集中在50～150 mg/m3之間；同時(shí)存在 VOCs排放濃度波動(dòng)較大的情況，部分時(shí)段可出現(xiàn)超過(guò)1000 mg/m3。

1.3 廢氣溫度

各排氣口排煙溫度約35～50 ℃。

1.4 廢氣成分分析

本項(xiàng)目廢氣來(lái)源包括石蠟的高溫分解及揮發(fā)，石蠟主要由直鏈結(jié)構(gòu)的碳?xì)浠衔锝M成，并含部分異鏈烷烴和環(huán)烷烴，高溫?zé)Y(jié)作用下主要以碳?xì)滏I的斷鏈與分解產(chǎn)物的汽化揮發(fā)為主，研究表明石蠟集中脫除溫度為270～290 ℃[3]。由于碳原子數(shù)與烷烴沸點(diǎn)的成負(fù)相關(guān)，故斷鏈后產(chǎn)生的有機(jī)成分沸點(diǎn)降低，且混合有機(jī)物沸點(diǎn)范圍較大[4]。

2 工藝確定

廢氣具有以下特點(diǎn)：處理風(fēng)量小，有機(jī)物濃度普遍較低，但存在波動(dòng)，峰值可達(dá)1000 mg/m3以上，廢氣溫度約35～50 ℃，廢氣成分沸點(diǎn)范圍較大。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)VOCs廢氣有效治理技術(shù)包括回收法、溶液吸收法、吸附法、蓄熱式燃燒法、催化燃燒法及以上多種工藝復(fù)合處理的方法等[5]。針對(duì)本項(xiàng)目廢氣特性，推薦采用“預(yù)處理+吸附+催化燃燒”工藝。

本工藝采用“洗滌+干式過(guò)濾”作為預(yù)處理，將廢氣進(jìn)入吸附系統(tǒng)前的顆粒物濃度降低至10 mg/m3，入口溫度降低至40 ℃，以確保吸附效果及吸附劑的使用壽命。其中洗滌預(yù)處理采用旋流板塔一方面可去除高沸點(diǎn)物質(zhì)和顆粒物，另一方面還可通過(guò)氣液接觸而降低廢氣溫度。由于石蠟熱處理后將產(chǎn)生一定的焦油類(lèi)物質(zhì)，如采用填料塔易造成填料堵塞等狀況，而旋流板塔則可很好地避免該問(wèn)題，且旋流板塔的占地面積小。干式過(guò)濾預(yù)處理則通過(guò)G4初效濾袋和F7中效濾袋將洗滌后的廢氣進(jìn)一步除塵并攔截水汽，作為吸附系統(tǒng)的安全保障。

常見(jiàn)的吸附劑有活性炭、沸石分子篩、硅膠、樹(shù)脂等，由于該廢氣中不乏高沸點(diǎn)的物質(zhì)，宜設(shè)置較高的脫附溫度以保障吸附劑再生后的吸附性能，而活性炭在高溫脫附時(shí)存在一定的安全隱患。與活性炭相比，分子篩具有不可燃性，高溫再生性好，表面疏水性可控等特點(diǎn)[6]，故本方案建議采用經(jīng)濟(jì)可行的蜂窩分子篩作為吸附劑。

圖2 工藝流程Fig.2 Process Flow

3 設(shè)備設(shè)計(jì)及選型

3.1 旋流塔設(shè)計(jì)計(jì)算

旋流板開(kāi)孔面積：

(1)

式中：A0——旋流板開(kāi)孔面積，m2

F0——?dú)怏w通過(guò)旋流板開(kāi)孔的動(dòng)能因子，kg1/2/(x1/2·s)，取值12

V——?dú)怏w流量， Nm3/h

ρv——?dú)怏w密度，kg/m3

Dx——旋流葉片外徑，m

Dm——盲板直徑，m，取(Dx/3)

m——旋流葉片數(shù)，取24

δ——葉片厚度，取3 mm

α——葉片仰角，取25°

由此計(jì)算可得，旋流葉片外徑為：Dx=0.48 m

則計(jì)算旋流塔直徑：Di=1.25Dx=0.6 m

本系統(tǒng)設(shè)置4層旋流板，其中3層為洗滌層，1層為除霧層，則全塔總壓力損失為：

(2)

其中v為溢流口的液速，取0.45 m/s，據(jù)此計(jì)算可得全塔總壓力損失約1110 Pa。

3.2 吸附床設(shè)計(jì)計(jì)算

設(shè)計(jì)吸附層有效厚度L=600 mm，則單床吸附劑裝填量約0.83 m3，折合約500 kg。

吸附床總壓力損失為：

ΔP2=945.1ν1.055×L=273 Pa

3.3 脫附-催化燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)脫附處理風(fēng)量為1000 Nm3/h，催化燃燒系統(tǒng)采用鉑鈀貴金屬催化劑，其最佳的反應(yīng)溫度為400 ℃，設(shè)計(jì)空速為18000 h-1，催化燃燒系統(tǒng)內(nèi)部集成有換熱器，在換熱器的作用下脫附廢氣由100 ℃被預(yù)熱至250 ℃以上，催化反應(yīng)后的排氣溫度在換熱器作用下由400 ℃降至250 ℃左右，該股排氣通過(guò)補(bǔ)風(fēng)口補(bǔ)入的新鮮空氣混合成160 ℃直接用于吸附床脫附。

本催化燃燒系統(tǒng)采用電加熱形式，電加熱總功率：

本催化燃燒系統(tǒng)催化劑填充量：

蜂窩分子篩飽和吸附量25 mg/g，設(shè)置2個(gè)吸附床，單床裝填量500 kg。

進(jìn)氣平均濃度按150 mg/m3計(jì)，廢氣流量為2500 m3/h，則單床吸附飽和時(shí)間為500×25×1000÷(150×2500)=33.3 h，考慮一定的安全系數(shù)，本系統(tǒng)設(shè)備單床吸附時(shí)長(zhǎng)為24 h。

其中1#床吸附達(dá)24 h后，系統(tǒng)自動(dòng)切換至2#床吸附，待2#床吸附21 h后，催化燃燒系統(tǒng)開(kāi)始啟動(dòng)，其預(yù)熱時(shí)間為0.5～1.0 h，預(yù)熱結(jié)束自動(dòng)進(jìn)入1#床進(jìn)行脫附作業(yè)，脫附時(shí)長(zhǎng)為2 h，1#床脫附完成后切換至2#床進(jìn)行脫附作業(yè)，1#床進(jìn)入吸附作業(yè)模式，待2#床脫附作業(yè)結(jié)束后，催化燃燒系統(tǒng)進(jìn)入停機(jī)降溫狀態(tài)，等待下一輪脫附工作的開(kāi)始，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的在線脫附。本系統(tǒng)脫附周期為48 h。

催化燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)處理風(fēng)量為1000 m3/h，則催化燃燒系統(tǒng)入口平均濃度為：

150×2500×24÷(1000×2)=4500 mg/m3

3.4 風(fēng)機(jī)選型

(1)吸附風(fēng)機(jī)

流量：2500 m3/h；靜壓：3200 Pa；電機(jī)功率：5.5 kW。

(2)脫附風(fēng)機(jī)

流量：1000 m3/h；靜壓：2800 Pa；電機(jī)功率：2.2 kW。

3.5 運(yùn)行能耗分析

3.5.1 催化燃燒系統(tǒng)耗電量分析

本系統(tǒng)廢氣成分以烷烴為主，其質(zhì)量發(fā)熱量約50 kJ/g，催化燃燒系統(tǒng)空荷載運(yùn)行時(shí)電加熱總功率N0=65 kW，脫附過(guò)程中由脫附氣體進(jìn)行氧化反應(yīng)供熱，其供熱功率可按下式計(jì)算：

N1=1000×4500×50÷1000÷3600=62.5 kW

催化燃燒系統(tǒng)預(yù)熱時(shí)長(zhǎng)按1 h計(jì)，預(yù)熱過(guò)程耗電量為65×1=65 kW·h。

脫附過(guò)程持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為4 h，脫附過(guò)程耗電量為(65-62.5)×4=10 kW·h。

3.5.2 風(fēng)機(jī)耗電量分析

(1)吸附風(fēng)機(jī)

吸附風(fēng)機(jī)功率為5.5 kW，按每日24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行計(jì)，運(yùn)行中電機(jī)運(yùn)行功率約80%，則吸附風(fēng)機(jī)日耗電量為5.5×24×0.8=105.6 kW·h。

(2)脫附風(fēng)機(jī)

脫附風(fēng)機(jī)功率為2.2 kW，每個(gè)脫附周期連續(xù)運(yùn)行5 h，運(yùn)行中電機(jī)運(yùn)行功率約80%，則脫附風(fēng)機(jī)單次耗電量為2.2×5×0.8=8.8 kW·h。

3.5.3 平均日耗電量分析

由于該系統(tǒng)脫附周期為48 h，脫附系統(tǒng)平均日耗電量約為147.5 kW·h。

4 運(yùn)行結(jié)果

本系統(tǒng)目前已投運(yùn)一年有余，為考察該廢氣處理系統(tǒng)的運(yùn)行效果，分別在投運(yùn)初期、運(yùn)行6個(gè)月、運(yùn)行12個(gè)月進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)出口廢氣濃度的檢測(cè)，結(jié)果如表1所示。

表1 有機(jī)廢氣檢測(cè)結(jié)果

(1)該有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)運(yùn)行1年來(lái)運(yùn)行結(jié)果穩(wěn)定，處理效率均達(dá)90%以上。

(2)經(jīng)處理后的廢氣非甲烷總烴排放濃度均低于60 mg/m3，滿足《廈門(mén)市大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB35/323-2018)中的有機(jī)氣態(tài)污染物排放限值。

5 結(jié) 論

(1)“旋流洗滌+干式過(guò)濾+蜂窩分子篩吸附濃縮+催化燃燒”工藝適用于硬質(zhì)合金燒結(jié)尾氣的處理，其運(yùn)行能耗較低，且處理效率可達(dá)90%以上。

(2)該工藝可推廣到類(lèi)似處理風(fēng)量小、廢氣濃度不穩(wěn)定，且有機(jī)成分沸點(diǎn)范圍廣，存在一定危險(xiǎn)性的有機(jī)廢氣治理領(lǐng)域。

(3)由于本項(xiàng)目?jī)H考察一年的運(yùn)行效果，對(duì)于系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定性運(yùn)行效果還需繼續(xù)考察分析。