基于Aspen分析的活性炭吸附+冷凝回收二氯甲烷废气治理

茅佳俊 李宝荣 董小松

（扬州海通电子科技有限公司 江苏扬州 225000）

二氯甲烷为无色液体，在制药工业中做反应介质，用于制备氨苄青霉素、羟苄青霉素和先锋霉素等；还用作胶片生产中的溶剂、石油脱蜡溶剂、气溶胶推进剂、有机合成萃取剂、聚氨酯等泡沫塑料生产用发泡剂和金属清洗剂。二氯甲烷在20℃时的饱和蒸气压为46.5kPa，是易挥发的有机物，研究标明，其挥发气体即使在浓度很低时也有致癌风险［1］。因此，对于使用二氯甲烷或以二氯甲烷为原料的工业企业，应做好控制收集和末端的治理工作。

本文以南京某大型机械企业为例，该企业使用含有二氯甲烷为主的清洗剂对工业产品进行清洗。根据MSDS 分析，清洗房废气的主要成分为二氯甲烷，仅有少量乙醇，该生产过程风量为28000m3/h。根据年使用物料进行物料衡算和现场检测，废气中二氯甲烷的污染物平均浓度为2000mg/m3，排放速率为56kg/h。考虑到二氯甲烷在一定条件下会对金属产生腐蚀［2］，且为了回收循环再利用，因此，企业选择了“活性炭吸附+水蒸气脱附冷凝回收”的工艺进行处理［3-4］。

1 活性炭吸附+水蒸气脱附冷凝回收系统技术原理

活性炭作为常用吸附剂［5］，具有如下特点：选择性强、比表面积较大、孔径范围广、表面富含多种官能团、性能稳定以及可再生等［6］。本设备采用固定式吸附床，通过吸附净化后的气体直接排放。

为保证脱附气中二氯甲烷的浓度较高，更好地进行冷凝［7］，在脱附能量一定的情况下，利用高温水蒸气将达到吸附饱和的活性炭中的有机物脱附出来，进入冷凝回收单元进行冷凝处理。冷凝回收技术是有机废气进入冷凝系统中，以冷却水为冷却介质，吸收废气的热量从而使废气降温、冷凝，冷凝下来的液体进行分离收集，供回收利用，冷却液进行冷却后可循环使用。

在水蒸气脱附初期，会有大量的高温凝结水汇集在固定式吸附床的底部，因此，本方案增加了一台螺旋板式换热器对高温凝结水进行降温处理，并和冷凝器出口的混合液一起进入分离器进行分离处理。本方案的工艺流程如图1所示。

图1 活性炭吸附+水蒸气脱附冷凝回收工艺流程图

2 系统设计参数

2.1 活性炭吸附器

由于前端生产装需要连续运行，因此，活性炭吸附装置必须在吸附饱和后才能够进行切换，以保证不间断处理废气，系统配置3 台吸附器进行切换处理。活性炭选用国内某知名企业的煤质柱状活性炭，其性质如表1所示。

表1 活性炭性能表

活性炭吸附风速的选择应综合考虑吸附效果、设备占地面积、设备造价和吸附阻力损失等因素，大多数情况下，风速越低，则吸附效果好，设备占地大，造价高，阻力损失小；而风速越高则相反。综合考虑本项目，选择0.5m/s的吸附风速，其余设计参数见表2。

表2 单个活性炭吸附器的设计参数

本设计的吸附饱和时间取4h，则废气吸附量为112kg，脱附水蒸气用量取吸附剂的0.3倍，脱附时间取1h［8］，则蒸汽需求量为737kg/h。根据目前市场供应的蒸汽发生器常用规格，蒸汽取1000kg/h，约为吸附剂质量的0.4 倍。根据计算，脱附过程中加热蒸汽量约为164kg/h，负润湿蒸汽量约为31kg/h［9］，这部分蒸汽会在碳罐中冷凝成液态，其余805kg/h的蒸汽与脱附出来的110kg二氯甲烷一起进入冷凝单元，二氯甲烷脱附率取98%。

2.2 冷凝器

采用Aspen中flash模块对混合气进行冷凝状态分析，分析结果见图2，图中横坐标为对混合气降温后的气相分率，ND 表示气相中二氯甲烷的浓度，TEM 表示冷凝的温度，THER表示热负荷。

由图2可知，在气相分率小于0.03之前，虽然气相分率一直在降低，但是气相中二氯甲烷的含量几乎没有太大变化，说明主要是水蒸气的冷凝，温度的降低趋势和热负荷的需求也相对较为平缓。气相分率为0.03时，二氯甲烷开始有明显冷凝，此时，热负荷为553kW，开始大幅下降，冷凝温度也大幅降低为50℃。在气相分率达到0.0002 时，热负荷为647kW，温度为-4℃，二氯甲烷的冷凝回收量达到了99%。

图2 混合气冷凝状态分析

研究表明，冷凝效率是与冷凝温度成比例的，温度越低，冷凝效果越好，但是过低的冷凝温度是不经济的［10］。根据flash模块的分析结果，笔者拟采用-7℃的冷冻水作为EDR 模拟的冷源温度。利用Aspen EDR模块进行冷凝器设计，输入表3 中组分及设计条件。EDR模拟校核的数据如表4所示。

表3 EDR 模拟主要输入参数

由表4 中EDR 模拟结果可知，在输入的设计条件下，二氯甲烷可得到较好的冷凝效果。冷侧循环水的出水温度约为-2℃，与进口相差5℃，对于甲方循环水管网来说，引起的负荷也相对较小。总传热系数为968W/（m2-k），与资料中经验参数相比略微偏大［11］，因此，本工程在设计换热器设计加工时，适当降低了传热系数，提高了换热器面积。

表4 换热器主要设计结果

2.3 冷却混合器

碳罐中排放的凝结水约为195kg/h，温度99℃，其中含有少量二氯甲烷，可与冷凝器中冷凝下来的工艺液体一起充分混合后再进行油水分离。通过Aspen中混合模拟器，得到混合后的温度约为10℃，低于二氯甲烷的沸点，可以满足进入油水分离器的条件。

2.4 干燥降温设计

活性炭在水蒸气脱附之后，温度和湿度较大，不可直接用于吸附，必须对其进行干燥和降温处理。本项目拟用加热空气进行干燥，用冷空气进行吹扫降温。干燥系统设计参数如表5所示。

表5 干燥系统设计参数

3 实际应用效果

目前，该设备已投入使用，VOCs 的设计处理效率为95%，随机抽取24h 的运行记录数据，实际处理效率经检测平均为98.3%。试验检测数据如表6所示。

由表6 可知，废气的平均进气浓度为23392m3/h，平均处理效率为98.1%，24h的累计吸附量为828kg，在第28h测得溶剂储罐中的二氯甲烷量为748kg，其回收效率为90.3%。分析认为，其余约10%的二氯甲烷有一部分没有得到充分脱附，还有一部分没有全部冷凝，而是从不凝气管口回到碳罐进行再次吸附。

表6 活性炭吸附+冷凝回收运行测试结果

4 结语

对于含组分相对单一的二氯甲烷废气，采用参数如本文表1所述的柱状活性炭进行吸附和冷凝回收是可行的，在工艺吸附风速为0.5m/s、装填高度为0.7m时，吸附效率可以达到97.9%。脱附蒸汽用量为吸附剂用量的0.4倍，脱附温度112℃，Aspen EDR模块的模拟结果显示，在制冷量为647kW、冷凝温度为-5℃时，二氯甲烷可以得到较好的冷凝，总传热系数为968W/（m2-k）。但笔者认为此传热系数是相对偏高的。干燥降温设计采用的是0.3m/s的设计风速，风量为8400m3/h，干燥温度为60℃，根据24h运行结果显示，在该条件下，活性炭得到了有效的干燥降温，并未对后期吸附带来影响。二氯甲烷的运行回收率为90.3%，低于Aspen模拟的效果。分析认为，一部分原因是吸附在活性炭中的二氯甲烷没有得到充分的脱附，还有可能是二氯甲烷没有全部冷凝造成的。具体原因有待进一步探讨。

活性炭吸附+冷凝回收的工艺控制参数较多，涉及气、液、固三项交互及分离，相比于单一的VOCs治理方法，如吸附法、吸收法、焚烧氧化法而言，更为复杂，既要控制好吸附参数，同时也要控制好脱附及冷凝参数，才能达到最好的工艺效果。