丁腈手套行業(yè)甲醇有機(jī)廢氣處理方法探討

陳 安

（無錫市新吳生態(tài)環(huán)境局，江蘇 無錫 214000）

引言

丁腈手套穿戴方便舒適，觸感良好，用于室內(nèi)清洗及作為勞保用品而被廣泛使用。其生產(chǎn)過程較復(fù)雜，是以針織手套作為原料，經(jīng)過套模，浸凝固劑、浸膠、勻膠、風(fēng)干、二次浸膠、烘干、脫模、檢驗(yàn)、印商標(biāo)等工序才能完成。丁腈手套在生產(chǎn)過程中，浸凝固劑工序使用溶劑甲醇和硝酸鈣，主要起到防滲透作用，在該過程和后續(xù)的風(fēng)干及烘干過程中會(huì)產(chǎn)生大量有機(jī)廢氣，主要成分為甲醇。每千打手套生產(chǎn)需要消耗大約600～700公斤甲醇，這些甲醇92%以上都揮發(fā)進(jìn)入大氣，若這些含甲醇的有機(jī)廢氣直接排放，不僅會(huì)造成大氣環(huán)境污染，而且還造成原材料甲醇的資源浪費(fèi)。目前處理含甲醇有機(jī)廢氣的工藝有水吸收法、冷凝法、活性炭吸附法、UV光解凈化法以及燃燒法，本文針對(duì)丁腈手套生產(chǎn)過程中含甲醇的有機(jī)廢氣，討論采用水吸收法、活性炭吸附法、催化燃燒法三種主流廢氣處理方法進(jìn)行處理，并探討了各種方法的優(yōu)劣，以尋求最優(yōu)、最經(jīng)濟(jì)的廢氣處理方法。

1 甲醇有機(jī)廢氣的基本信息

以江蘇南通某丁腈手套有限公司現(xiàn)有實(shí)際廢氣工況數(shù)據(jù)作為參考，本文討論的廢氣基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如下：（1）廢氣成分：甲醇；（2）年排放時(shí)間：7 920小時(shí)；（3）排放方式：連續(xù)排放；（4）廢氣中甲醇的濃度：6 000 mg/m3；（5）風(fēng)量：15 000 m3/h；（6）溫度：30 ℃；（7）壓力：常壓；（8）甲醇的排放標(biāo)準(zhǔn)：≤190 mg/m3（執(zhí)行《大氣污染物 綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 16297-1996）[1]表2中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)）。

2 廢氣處理工藝比選

2.1 水吸收法

2.1.1 水吸收法概述

水吸收法，顧名思義就是以水為載體，吸收廢氣中的甲醇。水吸收甲醇的過程是物理吸收過程。物理吸收是溶解的氣體與溶劑或溶劑中某種成分并不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)的吸收過程。此時(shí)，溶解了的氣體所產(chǎn)生的平衡蒸汽壓與溶質(zhì)及溶劑的性質(zhì)、體系的溫度、壓力和濃度有關(guān)。吸收過程的推動(dòng)力等于氣相中氣體的分壓與溶液溶質(zhì)氣體的平衡蒸汽壓之差[2]。

在水吸收法中，甲醇的吸收效率受到多種因素的影響，其中最為關(guān)鍵的是氣液接觸面積、接觸時(shí)間以及水的流速和溫度。增大氣液接觸面積和接觸時(shí)間可以提高吸收效率。因此，噴淋填料塔內(nèi)的填料設(shè)計(jì)對(duì)于提高吸收效率至關(guān)重要。填料的設(shè)計(jì)應(yīng)確保氣體與水之間有足夠的接觸面積和時(shí)間，以便于甲醇從氣相轉(zhuǎn)移到液相。此外，水的流速和溫度也會(huì)影響甲醇的溶解度，從而影響吸收效率[3]。

另外，對(duì)于高濃度的甲醇廢氣，可能需要預(yù)處理或采用多級(jí)吸收塔來確保達(dá)到預(yù)期的凈化效果。在多級(jí)吸收系統(tǒng)中，廢氣首先通過初級(jí)吸收塔進(jìn)行預(yù)處理，然后再進(jìn)入次級(jí)吸收塔進(jìn)行進(jìn)一步凈化。這種設(shè)計(jì)可以確保在處理高濃度的甲醇廢氣時(shí)也能達(dá)到較高的凈化效率[4]。

值得注意的是，吸收后的水中含有大量甲醇，需要進(jìn)行適當(dāng)處理以回收甲醇或確保其不對(duì)環(huán)境造成污染。常用的方法包括蒸餾、膜分離和生物處理[5]。

實(shí)際工程中，針對(duì)上述廢氣采用二級(jí)逆流水噴淋填料塔作為噴淋吸收塔，吸收處理廢氣，處理流程如圖1所示。

圖1 廢氣處理流程圖

2.1.2 工作原理

含有可被吸收的污染物a的混合氣體與吸收劑s逆流（或順流）接觸，完成吸收過程，被凈化了的氣體（不被溶解的組分b和剩余的a）和吸收液（含有a和s），分別被排出裝置之外做進(jìn)一步處理。氣態(tài)污染物的凈化效率與吸收裝置的結(jié)構(gòu)、性能和吸收過程中的氣液平衡有相當(dāng)大的關(guān)系。吸收過程進(jìn)行的方向與極限取決于溶質(zhì)在氣液兩相中的氣液平衡。對(duì)于任何氣體，在一定條件下，在某種溶劑中溶解達(dá)到平衡時(shí)，其在氣相中的分壓是一定的，稱之為平衡分壓，用p*表示。在吸收過程中，當(dāng)氣相中溶質(zhì)的實(shí)際分壓p，高于其與液相平衡的溶質(zhì)分壓時(shí)，即p＞p*時(shí)，溶質(zhì)便由氣相向液相轉(zhuǎn)移，于是發(fā)生了吸收過程。p與p*的差別越大，吸收的推動(dòng)力越大，吸收的速率也就越大。常見噴淋塔結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 常見噴淋塔結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.3 設(shè)備參數(shù)

設(shè)備參數(shù)設(shè)計(jì)見表1。

表1 設(shè)備參數(shù)

2.1.4 處理過程分析

計(jì)算水吸收甲醇的極限濃度，當(dāng)氣體中甲醇濃度為6 000 mg/m3時(shí)，氣液平衡，甲醇無法被再吸收。根據(jù)亨利定律和道爾頓分壓定律可算得，吸收水中甲醇濃度=2.94%。因此甲醇吸收過程需要不斷換水，以保證溶質(zhì)甲醇由氣相向液相不斷轉(zhuǎn)移，從而符合排放標(biāo)準(zhǔn)。換水量=15 000×6 000/（2.94×80%）/1 000 L/h=3 826 L/h

2.2 活性炭吸附法

2.2.1 活性炭吸附法概述

活性炭吸附法是利用活性炭對(duì)有機(jī)成分的吸附作用，使有害成分從氣體中分離出來。在處理有機(jī)廢氣的方法中，吸附法應(yīng)用最為廣泛，現(xiàn)階段國內(nèi)大部分企業(yè)均采用炭吸附法處理有機(jī)廢氣[6]。與其他方法相比，活性炭吸附法具有適用性廣、處理效果較好、能耗低、工藝成熟等特點(diǎn)；缺點(diǎn)主要是當(dāng)廢氣中有粘性顆粒物或其他雜質(zhì)時(shí)，活性炭容易失效或中毒。另外，活性炭吸附容量有限，需要經(jīng)常更換。

活性炭可分為顆粒狀和纖維狀兩類，由于纖維狀活性炭價(jià)格較為昂貴，市場上以顆粒狀活性炭為主。顆粒狀活性炭一般用于固定吸附床，也是常見的吸附方式，顆粒活性炭性能見表2。

表2 顆粒活性炭性能

2.2.2 設(shè)備參數(shù)

設(shè)備參數(shù)設(shè)計(jì)見表3。

表3 設(shè)備參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.3 處理過程分析

顆粒活性炭固定床可吸收甲醇?xì)怏w，但需要定期更換活性炭，經(jīng)計(jì)算全年更換活性炭量為2 851噸，平均每半天就要更換一次，更換太頻繁，費(fèi)用昂貴，基本不具備可操作性。

活性炭吸附法在處理有機(jī)廢氣中的甲醇時(shí)，除了常規(guī)的顆粒活性炭，還可以考慮使用以下特定的改性活性炭或脫附再生技術(shù)來提高吸附效率并降低運(yùn)營成本。

2.2.3.1 改性活性炭

通過化學(xué)或物理方法對(duì)活性炭進(jìn)行改性，可以提高其對(duì)特定有機(jī)物的選擇性吸附能力。例如通過酸洗、堿洗或浸漬某些金屬鹽來改變活性炭的表面性質(zhì)，從而提高其對(duì)甲醇的吸附親和力[7]。

2.2.3.2 吸附-脫附-再生系統(tǒng)（ADR）

吸附、脫附和再生是一個(gè)連續(xù)的系統(tǒng)，在同一個(gè)或不同的反應(yīng)器中連續(xù)進(jìn)行。這種系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)活性炭的高效利用，降低更換頻率，并提高處理效率[8]。

2.2.3.3 活性炭的再生方法

常見的再生方法包括熱風(fēng)再生、蒸汽再生、化學(xué)再生等，其中熱風(fēng)再生和蒸汽再生是最常用的方法。熱風(fēng)再生是加熱空氣至一定溫度，然后通過飽和的活性炭床，將吸附在活性炭上的有機(jī)物蒸發(fā)出來；蒸汽再生則是通過蒸汽將吸附在活性炭上的有機(jī)物脫附出來[9]。

2.3 燃燒法

2.3.1 燃燒法概述

燃燒工藝指揮發(fā)性有機(jī)物在高溫及空氣充足的條件下進(jìn)行完全燃燒，分解為CO2和H2O。燃燒法適用于各類有機(jī)廢氣，可以分為直接燃燒工藝、熱力燃燒工藝和催化燃燒工藝。

本文結(jié)合丁腈手套生產(chǎn)過程中含甲醇有機(jī)廢氣的特點(diǎn)，采用催化燃燒工藝，該工藝是利用催化劑使有害氣體中的可燃組分在較低的溫度下氧化并分解的凈化方法。CnHm和有機(jī)溶劑蒸汽氧化分解生成CO2和H2O并釋放出熱量，其一般反應(yīng)方程式為：

廢氣源經(jīng)阻火除塵器過濾后，進(jìn)入熱交換裝置，和催化反應(yīng)后的高溫氣體進(jìn)行能量間接交換，此時(shí)廢氣源的溫度得到第一次提升；具有一定溫度的氣體進(jìn)入預(yù)熱室，進(jìn)行第二次的溫度提升；進(jìn)入第一級(jí)催化反應(yīng)，此時(shí)有機(jī)廢氣在低溫下部份分解，并釋放出能量，對(duì)廢氣源進(jìn)行直接加熱，將氣體溫度提高到催化反應(yīng)的最佳溫度；經(jīng)溫度檢測系統(tǒng)檢測，溫度符合催化反應(yīng)的溫度要求，進(jìn)入催化反應(yīng)室，有機(jī)氣體得到徹底分解，同時(shí)釋放出大量的熱量；凈化后的氣體通過熱交換器將熱能轉(zhuǎn)換給出冷氣流，降溫后氣體由引風(fēng)機(jī)排空。

該裝置主體結(jié)構(gòu)由凈化裝置主機(jī)、引風(fēng)機(jī)、控制系統(tǒng)三大部分組成。其中凈化裝置包括：除塵阻火器、熱交換器、預(yù)熱器、催化燃燒室，工藝流程見圖3。

圖3 工藝流程圖

催化燃燒（RCO）產(chǎn)品一般有以下特點(diǎn)：（1）操作方便：工作時(shí)全自動(dòng)控制；（2）能耗低：達(dá)到一定濃度時(shí)，可無功率（或低功率）運(yùn)行；（3）安全可靠：泄壓、自保，阻火除塵、超溫報(bào)警及先進(jìn)的自控；（4）阻力小、效率高：采用當(dāng)今先進(jìn)的貴金屬鈀、鉑浸漬的蜂窩陶瓷催化劑，比表面積大；（5）使用壽命長：催化劑一般8 500 h更換，并且載體可再生；（6）環(huán)境影響：催化燃燒工藝不僅可以有效減少有機(jī)廢氣的排放，還可以回收熱能，從而節(jié)省能源。此外，與其他處理方法相比，催化燃燒的環(huán)境影響較小，不會(huì)產(chǎn)生二次污染[10]。

2.3.2 技術(shù)參數(shù)

技術(shù)參數(shù)見表4。

2.3.3 處理過程分析

燃燒熱的計(jì)算：（1）甲醇爆炸下限：6% V/V，85.821 mg/m3；爆炸上限：X%V/V；（2）甲醇燃燒熱值：726.51 kJ/mol；（3）甲醇分子量：32.04；（4）甲醇催化燃燒需要預(yù)熱溫度190 ℃；（5）氣體燃燒后可使排氣升溫：116.88 ℃。這樣預(yù)熱溫度為190 ℃的氣體，燃燒后T’2=116.88+190=306.88 ℃，此為熱氣流進(jìn)口溫度。

求正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)消耗的預(yù)熱功率：

正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，進(jìn)口氣體經(jīng)換熱器加熱后，溫度將由T1=30℃加熱至T’1，換熱效率η=0.5，則T’1=0.5（306.88-30）+30=193.44 ℃，顯然大于預(yù)熱溫度，故正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，基本不需要額外消耗能量，可維持平衡。

2.4 三種廢氣處理工藝比較

三種廢氣處理工藝比較見表5。

表5 三種廢氣處理工藝比較

3 結(jié)論

根據(jù)上述三種處理方式的比較，得出如下結(jié)論：（1）從設(shè)備初始投入角度看，催化燃燒法的投入最大，但它的長期運(yùn)營成本相對(duì)較低。（2）水吸收法雖然設(shè)備簡單且能耗低，但其處理效果有限，且可能產(chǎn)生廢水導(dǎo)致二次污染。（3）活性炭吸附法的主要缺點(diǎn)是需要頻繁更換大量的活性炭，導(dǎo)致運(yùn)行成本較高。（4）催化燃燒法雖然設(shè)備工藝復(fù)雜且需要定期更換催化劑，但其處理效果穩(wěn)定且不產(chǎn)生二次污染。

因此綜合考慮，催化燃燒法在長期運(yùn)營中具有更高的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境友好性。盡管其初始投入較大，但由于其較低的運(yùn)行成本和較好的處理效果，能夠?yàn)槠髽I(yè)提供更好的長期價(jià)值。所以對(duì)于那些對(duì)環(huán)境影響和長期運(yùn)營成本高度關(guān)注的手套生產(chǎn)企業(yè)，建議采用催化燃燒法處理甲醇廢氣。