蓄电池PE隔板生产过程中TCE回收与排放控制

2022-03-21陈向魁

化工设计通讯 2022年3期

陈向魁

［杜尔涂装系统工程（上海）有限公司，上海 201799］

蓄电池用高密度聚乙烯(PE)隔板生产过程中要利用化学溶剂对隔板进行抽油处理。通过对原料油进行萃取，从而形成产品所需的孔隙率。再经干燥处理，将化学溶剂回收利用。PE隔板上用于供正负电子通过的微孔就是通过该抽油工艺后形成的。三氯乙烯（TCE，CH2Cl3）是蓄电池PE隔板生产中最常用的工艺油萃取溶剂。

在世界范围内，20多家大型PE隔板生产商中大都使用TCE作为萃取溶剂进行生产。以一条5 000m2/h产线的干燥箱为例，每小时有近1 800 kg TCE需要被干燥回收。另外，TCE是有毒有害污染物，被世界卫生组织列入一类致癌物清单。因此，对于PE隔板干燥过程挥发的TCE进行回收，不仅具有经济价值，更是环保排放的要求。

1 处理方法的选择

在评估一个特定的环境挥发性有机物(VOC)问题时，首先解决的主要问题是使用什么样的处理方法。表1列出了一些用于控制工业气体污染物的比较常见的方法。TCE作为一种常见的工业VOC，也遵循同样的选择。

表1 常见的工业气体污染物处理适用技术选择

吸附是指气体分子通过固体颗粒床层时，由于吸引力的作用而选择性地吸附在固体表面上的现象，这种吸引力比化学键的作用弱。当气流中的分子附着在固体表面时，能量就会释放出来。这种能量被称为“吸附热”，通过提高温度、降低压力或引入更强的吸附物质，大多数气体可以从吸附剂中被解吸附。吸附是一种非破坏性的污染控制技术，用于去除气流中的VOC，尤其是当必须满足严格的出口浓度和/或需要回收VOC时。

活性炭是最早使用并且最为常用的吸附剂，是由煤、木材和椰子壳等多种材料高温蒸汽裂解而成。由于其高比表面积和存在各种尺寸的小孔隙，产生的碳具有优异的吸附特性。其中椰壳活性炭表面积通常超过1 000m2/g，表观密度约为0.50g/cm3。另外，椰壳活性炭主要用于气相应用，并且在更高的湿度下表现得更好[1]。TCE分子由于其扁平的几何形状，可以进入碳微孔的深层区域。降低碳表面亲水性降低，控制微孔体积小于10Å，TCE吸附量增加[2]。

2 进气温度、湿度调节

大多数活性炭供应商已经制定了一系列VOC的吸附等温线。不同温度下的等温线表明了温度对吸附能力的影响。

在图1可以看出，在相同TCE浓度水平下，温度为0℃时，活性炭对TCE的吸附能力要高于温度为60℃时的吸附能力。

图1 活性炭-TCE 吸附等温线

Cosnier等在常温状态下，通过调节进气的湿度，对不同的活性炭吸附TCE的性能进行了对比，见图2。湿度对于穿透时间（活性炭从开始吸附到接近饱和，出口TCE浓度开始增大的时间）有一定的影响。也有研究表明，TCE的吸附取决于系统中存在的水分种类。如果水分是预吸附于活性炭中，TCE的吸附表现为取代水的过程，活性炭吸附能力保持不变，有时发生一些穿透锋形状的变化，对应于分子扩散的受阻。相反，同时吸附蒸汽和TCE会导致水和TCE之间的竞争吸附，直接影响活性炭的吸附动力学和吸附能力。

图2 不同湿度下活性炭穿透时间对比

通常，PE隔板烘箱出口的排气温度通常可达100℃左右,相对湿度在60%~90%。可以在进入活性炭吸附罐之前，对制程排气进行冷却预处理，利用TCE和水蒸气在不同温度下具有不同饱和蒸气压这一性质，降低温度使其中部分TCE和水蒸气从气态转变为液态，进而从气相中分离出来，从而更有利于后续的活性炭吸附过程。

3 活性炭再生方法的选择

再生是指从活性炭中去除或解吸TCE的过程，热再生是一种广泛应用的方法。在使用热再生的系统中，温度升高，增加TCE分子的动能。当TCE分子的动能增加到足以克服将分子吸附在活性炭上的力时，TCE分子被解吸。所需的温度取决于TCE的含量，通常在110 ~ 170℃。

有些溶剂在较高的温度或空气或水中的共沸物更容易降解。如果是这种情况，则使用惰性气体吸附。对于TCE解吸，蒸汽解吸是一种常用的方法，低压干蒸汽被送入充满溶剂的活性炭床。蒸汽将被解吸的TCE溶剂抽走，然后将它们分离。在这个过程中，TCE溶剂通常可以返回并重复使用，而不需要进一步的处理。这是一种用途广泛且成本低廉的选择[4]。

4 工艺过程描述

综合考虑上述的分析结论，针对PE隔板烘箱设计了一套可再生活性炭吸附系统，用于回收TCE以及控制排放，见图3。

图3 可再生活性炭系统回收TCE及控制排放工艺流程

该流程图显示为双罐吸附系统。在吸附之前，首先对含TCE溶剂的烘箱制程排气进行预处理，调节其温度、含水量，使其适合吸附。进口气流首先通过风机，风机在进口处产生正压力，驱动气体流经过滤器，然后使用冷却装置将气体温度降低到约45°C。

预处理后的气体通过进口阀门，从其中一个吸附罐的下方进入炭床，然后向上流动，通过活性炭床，TCE被吸附在活性炭上。经过处理的空气从炭床上方的空间排出，通过排气阀到排气烟囱通往大气。

一旦吸附罐中的活性炭被TCE饱和，制程排气将被导入第二个吸附罐，饱和的吸附罐启动再生程序。

再生循环包括三个步骤，即通入蒸汽，干燥和冷却。

蒸汽通入吸附罐的顶部，从上往下通过活性炭床，到达吸附罐的底部。在此过程中，蒸气加热了活性炭，TCE从活性炭中脱附，水蒸气和TCE蒸气从蒸汽出口阀，通过蒸气管道进入冷凝器。在冷凝器中，水和TCE溶剂冷凝并流向滗洗器。由于TCE不溶于水并且相对密度1.46，在滗洗器中分离成水层和TCE溶剂层。下层的TCE被回收再利用，含有溶解微量TCE的水层可以集中进行水处理后排放。

经过预设的时间周期后，蒸汽再生过程完毕，活性炭吸附罐进入干燥过程。干燥的目的是在下一个吸附循环之前从活性炭中除去水分，从而提高系统的去除效率。干燥/冷却风机从环境中引风，通过过滤器和加热器，将空气加热到约70℃，将水从活性炭中驱除，并通过罐体出口阀门排气到烟囱，进而排入大气中。经过一段预设的时间后，关闭加热器，风机继续引入环境空气，吸附罐进入冷却步骤。在设定的冷却时间后，关闭风机，吸附罐处于闲置状态，直到另一个吸附罐饱和，此时吸附罐将再次切换进入吸附模式。