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摘要：以A涂料生產(chǎn)廠為研究對(duì)象,研究其揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)的排放特點(diǎn)。分別從含塵廢氣和含溶劑廢氣系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備及廢氣處理設(shè)施整改設(shè)計(jì),使其VOCs排放達(dá)到現(xiàn)有排放標(biāo)準(zhǔn)要求,并為其他涂料生產(chǎn)企業(yè)的廢氣處理提供具有參考價(jià)值的減排方法與經(jīng)驗(yàn)。
化工生產(chǎn)過程對(duì)環(huán)境的污染主要包括兩個(gè)方面：一是生產(chǎn)過程中的無組織排放；二是由于有組織排放設(shè)施自身的缺陷，導(dǎo)致廢氣得不到有效處理并直接排放進(jìn)入大氣，造成對(duì)周圍環(huán)境的污染。
有機(jī)廢氣是一種對(duì)人和環(huán)境都有害的氣態(tài)污染物，是城市周邊地區(qū)光化學(xué)煙霧形成的主要原因之一。它主要來源于涂料、合成樹脂等化工廠生產(chǎn)作業(yè)過程，其主要成分是揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）。
涂料在制造、施工、干燥、固化成膜過程中，向空氣中散發(fā)一定量的VOCs，盡管涂料正朝低污染、無公害的方向發(fā)展，目前水性化、粉末化、無溶劑化等環(huán)境友好型涂料占全球總產(chǎn)量的70%以上，但廢氣處理一直是各大涂料制造企業(yè)不可回避的難題。根據(jù)全國(guó)VOCs廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)表，目前的VOC排放要求低于50mg/m3。
為實(shí)現(xiàn)涂料行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，涂料生產(chǎn)廠家不斷尋求VOCs 減排的措施和技術(shù)手段，并不斷改進(jìn)。A涂料生產(chǎn)廠于2014 年開始投入資金進(jìn)行環(huán)保型涂料生產(chǎn)線的改造，2015年加大轉(zhuǎn)型力度，重點(diǎn)生產(chǎn)環(huán)保型涂料。從2015年下半年開始，逐步實(shí)施VOCs減排措施并持續(xù)改進(jìn)，如反應(yīng)過程蒸發(fā)溶劑冷凝回收實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)、在反應(yīng)罐與加料罐間增加平衡管線避免廢氣溢出、對(duì)儲(chǔ)罐防泄漏系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化等。本文主要介紹A廠廢氣處理系統(tǒng)的優(yōu)化。
A廠VOCs排放的主要環(huán)節(jié)包括儲(chǔ)罐日常加料與存儲(chǔ)過程中的排放、攪拌釜加料與攪拌過程中的排放、產(chǎn)品灌裝過程中的排放等。廠區(qū)廢氣排放系統(tǒng)主要有兩個(gè)：（1）生產(chǎn)過程廢氣收集處理系統(tǒng)，主要處理生產(chǎn)過程中的高濃度低流量廢氣；（2）投料過程廢氣處理系統(tǒng)，主要特征是處理的廢氣濃度低、排放量大。環(huán)保部門要求一廠一排放，以方便政府部門對(duì)廢氣排放進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)也為后期對(duì)所有排放口安裝遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備作準(zhǔn)備。
對(duì)廢氣收集系統(tǒng)的整合改造主要包括：（1）對(duì)原車間內(nèi)各投料罐直接對(duì)外排放的管道進(jìn)行整合，將抽風(fēng)系統(tǒng)接入一樓洗滌塔抽風(fēng)系統(tǒng)；（2）將四樓投料站抽風(fēng)系統(tǒng)合并到一樓洗滌塔抽風(fēng)系統(tǒng)；（3）將一樓包裝線抽風(fēng)系統(tǒng)合并到洗滌塔抽風(fēng)系統(tǒng)，粉塵通過洗滌塔沉淀后與堿液殘液一起定期處理。
工藝管線抽風(fēng)排放系統(tǒng)與包裝投料抽風(fēng)系統(tǒng)合并后產(chǎn)生一個(gè)比較嚴(yán)重的問題，抽風(fēng)管線需要大風(fēng)量，不得不開啟洗滌塔系統(tǒng)后功率為4 kW，風(fēng)量為2 000 m3/h 的風(fēng)機(jī)。開開啟風(fēng)機(jī)后出現(xiàn)2個(gè)問題：（1）原反應(yīng)罐中部分氣體被抽入廢氣處理系統(tǒng)，增加了廢氣處理系統(tǒng)的負(fù)荷；（2）當(dāng)洗滌塔系統(tǒng)飽和時(shí)會(huì)將洗滌塔內(nèi)吸附飽和的溶劑抽出，使得廢氣處理末端的活性炭快速飽和，增加廢氣處理費(fèi)用。為解決上述問題，對(duì)廢氣處理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。
1、合并投料吸風(fēng)系統(tǒng)和反應(yīng)釜工藝過程抽風(fēng)系統(tǒng)
投料吸風(fēng)罩抽風(fēng)系統(tǒng)與生產(chǎn)工藝過程呼吸閥排風(fēng)系統(tǒng)合并后廢氣濃度急劇升高。在增大風(fēng)量前，原先工藝管道中的VOCs只會(huì)在投料及反應(yīng)過程中被抽出。由于罐內(nèi)部物料平衡被呼吸閥排放口后部增大的抽風(fēng)量打破，因此呼吸閥開啟時(shí)，大量高濃度廢氣瞬間被排出罐外。這部分額外抽出的廢氣大大增加了原有廢氣處理系統(tǒng)的處理負(fù)荷。通過對(duì)現(xiàn)有抽風(fēng)量進(jìn)行記錄，設(shè)計(jì)出兩套方案。
第一套方案是在每個(gè)呼吸閥后方增加一套與投料抽風(fēng)系統(tǒng)相似的圓筒形抽風(fēng)系統(tǒng)，對(duì)呼吸閥周圍進(jìn)行不間斷抽風(fēng)，但是由于生產(chǎn)線上每個(gè)儲(chǔ)罐都有一套呼吸閥，數(shù)量繁多，現(xiàn)有抽風(fēng)量不能滿足所有儲(chǔ)罐上方安裝獨(dú)立抽風(fēng)罩的需求。
第二套方案是將所有呼吸閥連接到抽風(fēng)總管，然后在工藝廢氣排放系統(tǒng)合并的總管與投料系統(tǒng)總抽風(fēng)管分叉合并處制作吸風(fēng)罩式套管。該形式不主動(dòng)將廢氣抽出，只保持工藝廢氣抽風(fēng)總管有50MPa的負(fù)壓，確保廢氣系統(tǒng)不會(huì)強(qiáng)行抽入過多的生產(chǎn)工藝廢氣。由于該方案未將廢氣主動(dòng)抽出，造成VOCs氣體在抽氣管道內(nèi)聚集，導(dǎo)致各罐呼吸閥至廢氣處理站的支管及總管內(nèi)積存廢氣，廢氣排放管道將成為易燃?xì)怏w管道，所以需在所有廢氣排放管道上重新標(biāo)識(shí)“易燃?xì)怏w”字樣。
由于投料系統(tǒng)需要大風(fēng)量，故開啟一樓2 000m3/h 大風(fēng)量抽風(fēng)機(jī)。如果直接在投料抽風(fēng)系統(tǒng)主管上開孔作為工藝抽風(fēng)系統(tǒng)抽風(fēng)管，將大大增加投料吸風(fēng)罩抽風(fēng)系統(tǒng)的負(fù)荷，因此仍然啟用二樓工藝抽風(fēng)系統(tǒng)25 m3/min 的風(fēng)機(jī)，其風(fēng)管順流向插入投料系統(tǒng)抽風(fēng)總管，不影響投料吸風(fēng)罩抽風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量。具體見圖1。
2、廢氣預(yù)冷凝，提前收集廢氣中的溶劑
洗滌塔加活性炭處理系統(tǒng)可以輕松處理低流量、高濃度工藝廢氣，大部分廢氣在洗滌塔中被中和，經(jīng)過洗滌塔的剩余廢氣最后通過活性炭進(jìn)行吸附處理，處理后可以直接排放入大氣中。目前，由于原洗滌塔系統(tǒng)接入投料斗抽風(fēng)系統(tǒng)，不得不開啟一樓2000 m3/h 的大風(fēng)量風(fēng)機(jī)。投料吸風(fēng)系統(tǒng)與工藝過程抽風(fēng)系統(tǒng)合并前，廢氣可以充分在洗滌塔中與堿液中和，然后通過后方活性炭罐。但是洗滌塔后方風(fēng)機(jī)開啟后，不但廢氣不能充分與洗滌塔中堿液進(jìn)行中和，而且當(dāng)洗滌塔系統(tǒng)飽和時(shí)，大風(fēng)機(jī)抽風(fēng)量會(huì)將洗滌塔內(nèi)吸附的廢氣抽出，使得廢氣處理末端的活性炭快速飽和。因此，不得不引進(jìn)新設(shè)備對(duì)現(xiàn)有廢氣處理工藝進(jìn)行改造。

 
首先，要處理廢氣系統(tǒng)中的溶劑性VOCs 濕氣。由于A工廠投料及工藝廢氣系統(tǒng)所抽的原料主要是各種溶劑等液體原料，若不在洗滌塔前部增加除濕裝置，含有溶劑的廢氣很快會(huì)使洗滌塔內(nèi)的堿液飽和。
其次，洗滌塔后大功率風(fēng)機(jī)的開啟導(dǎo)致洗滌塔內(nèi)含堿液濕氣的廢氣大量析出，不但使后端廢氣濃度升高，而且會(huì)使末端活性炭系統(tǒng)潤(rùn)濕，進(jìn)而使活性炭吸附能力大大降低。 對(duì)于以上條件，首先需要解決的問題是在洗滌塔前增加前置除濕裝置。改造過程中選擇冷凝除濕方式，廢氣在經(jīng)過冷凝器后進(jìn)入殘液收集口，然后再進(jìn)入洗滌塔。殘液由重力沉降進(jìn)入殘液收集槽，由專人定期進(jìn)行收集排放。廢氣系統(tǒng)前端增加冷凝器后，由于急速對(duì)含溶劑廢氣進(jìn)行冷凝，會(huì)產(chǎn)生過凝溢出、結(jié)晶現(xiàn)象，因此需要用蒸汽定期對(duì)洗滌塔中的結(jié)晶物質(zhì)進(jìn)行反沖清洗。
3、采用低溫等離子廢氣處理系統(tǒng)
低溫等離子降解氣態(tài)污染物的機(jī)理是：首先，高能電子直接進(jìn)攻有機(jī)污染物，通過碰撞將能量轉(zhuǎn)移到污染物的分子或原子中，獲得能量的分子或原子被激發(fā)，部分分子會(huì)被電離為活性基團(tuán)；其次，活性基團(tuán)從高能激發(fā)態(tài)向下躍遷，會(huì)產(chǎn)生紫外光子，其直接與有害氣體進(jìn)行反應(yīng)，使得氣體分子鍵斷裂得以降解；最后，活性粒子可直接降解氣態(tài)污染物，它與其他分子作用產(chǎn)生新的自由基和激發(fā)物質(zhì)，可進(jìn)一步降解低相對(duì)分子質(zhì)量的酸等化合物。
A廠實(shí)際生產(chǎn)過程中，需要及時(shí)處理大流量、低濃度的廢氣，不得不引入輔助廢氣處理設(shè)備。經(jīng)過多方案比選，最后選用低溫等離子廢氣處理設(shè)備對(duì)洗滌塔后廢氣進(jìn)行處理。
A廠主要有害污染物是甲苯和二甲苯，故低溫等離子設(shè)備匹配計(jì)算以甲苯、二甲苯計(jì)，具體如表1所示。

 
經(jīng)計(jì)算可知：甲苯與氧氣反應(yīng)的物質(zhì)的量比為1∶9，相對(duì)分子質(zhì)量之比為23∶36；二甲苯與氧氣反應(yīng)的物質(zhì)的量比為2∶21，相對(duì)分子質(zhì)量之比為53∶84。同理可知：甲苯與臭氧反應(yīng)的物質(zhì)的量比為1∶6，相對(duì)分子質(zhì)量之比為23∶72；二甲苯與臭氧反應(yīng)的物質(zhì)的量比為1∶7，相對(duì)分子質(zhì)量之比為53∶168。甲苯中C6H5CH2—H與C6H5—CH3的鍵能分別為317和414eV，而苯環(huán)中的C—H和C—C鍵能分別是419和510~513eV，由此可見，C6H5CH2—H最易被氧化。
綜上所述：23g甲苯與72g臭氧進(jìn)行反應(yīng)生成無害物質(zhì)，而53g二甲苯與168g臭氧進(jìn)行反應(yīng)生成無害物質(zhì)。實(shí)際匹配過程一般按照理論量的1.5倍配置低溫等離子設(shè)備，以保證處理效率。該方案所匹配的防爆型低溫等離子設(shè)備的等離子產(chǎn)生量（以臭氧計(jì)）為300g/h，而管道測(cè)得風(fēng)量為80m3/h，最高質(zhì)量濃度為800mg/m3, 即每小時(shí)約產(chǎn)生70g污染物�？梢�，所選設(shè)備完全能夠滿足廢氣處理需求。
4、升級(jí)整合廢氣處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)
增加低溫等離子設(shè)備后，排放系統(tǒng)廢氣質(zhì)量濃度得到有效控制�？紤]到洗滌塔后廢氣的濕度較高，故增加活性炭罐（一用一備）對(duì)廢氣進(jìn)行除濕處理，操作人員定期打開活性炭罐底部的排放閥排出并收集殘液。
同時(shí)培訓(xùn)操作人員定期監(jiān)測(cè)總排放口廢氣質(zhì)量濃度，當(dāng)梅思安VOCs測(cè)試儀測(cè)得的廢氣質(zhì)量濃度大于50 mg/m3 時(shí)，切換備用活性炭收集罐，對(duì)主活性炭收集罐內(nèi)的活性炭進(jìn)行更換。除了嚴(yán)格控制總排放口廢氣排放質(zhì)量濃度外，還請(qǐng)環(huán)保部認(rèn)可的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)，每月對(duì)廢氣排放質(zhì)量濃度進(jìn)行抽查，最終確保改造后廢氣排放濃度符合法律法規(guī)要求。

 
整套廢氣處理系統(tǒng)改造后，經(jīng)過廠內(nèi)工程師多次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，最終使廢氣排放質(zhì)量濃度達(dá)標(biāo)，通過“一廠一方案”審核，并申請(qǐng)了減排政府補(bǔ)貼。
5、結(jié)語
本文通過工藝優(yōu)化、設(shè)備投入、對(duì)現(xiàn)有廢氣處理設(shè)施進(jìn)行整合改進(jìn)等措施最終使A廠廢氣排放達(dá)到國(guó)內(nèi)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。根據(jù)一廠一方案要求，將投料抽風(fēng)系統(tǒng)和物料反應(yīng)釜工藝呼吸系統(tǒng)合并，同時(shí)根據(jù)所測(cè)合并后廢氣質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)對(duì)廢氣處理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造：對(duì)廢氣中含溶劑的濕廢氣進(jìn)行除濕處理；在堿液洗滌塔后增加除濕罐，對(duì)洗滌塔中出來的含濕氣廢氣作進(jìn)一步除濕處理；增加低溫等離子設(shè)備對(duì)大風(fēng)量、低質(zhì)量濃度廢氣進(jìn)行降VOCs處理；增加活性炭系統(tǒng)。通過對(duì)廢氣處理系統(tǒng)的升級(jí)改造，最終確保排出到周圍大氣環(huán)境中的廢氣完全符合排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。
來源：《上海化工》