浅析有机溶剂废气治理中的安全和环保问题

＊吴劲松

（江苏富淼科技股份有限公司 江苏 215600）

随着海水淡化和工业污水零排放技术在国内的广泛应用，分离膜作为其中的核心产品得到了国家和行业的重视。在21世纪以前，分离膜技术都是被国外所垄断，直到20世纪90年代末期中国才开始掌握分离膜的生产技术。分离膜生产制造过程中大量使用各种易挥发有机溶剂。其制备过程中产生的废气成分复杂，尾气产生量大、尾气浓度波动大。处理过程中安全和环保问题非常突出。

1.尾气处理技术

对于这类尾气的处理，目前，工业化的尾气治理方案有吸收、吸附、冷凝、催化燃烧、等离子燃烧和RTO等[1]。

（1）吸收法。吸收法是以水溶液作为吸收剂，利用水、稀盐酸、稀碱等吸收液使废气中的有害成分吸收下来，从而达到净化的目的[2]。常用的液体吸收剂有10%盐酸或32%液碱。吸收法治理气态污染物技术成熟，设计及操作经验丰富，适用于酸性、碱性和水溶性挥发气体。弊端是吸收剂饱和后的处理费用高，并且对有机物的吸收有选择性，容易出现二次污染[3]。

（2）吸附法。吸附法是利用各种固体吸附剂，目前使用最广泛的吸附剂有活性炭、分子筛、活性碳纤维等。使用吸附法主要是利用吸附剂的微孔结构和内部静电作用对排放废气中的污染物进行吸附净化[4]。吸附法适用于含氯尾气、常用的醇类、部分酮类和酯类等气体。吸附法适用范围广、结构简单且净化效率高，是传统的废气治理技术之一。目前应用最多的吸附剂有颗粒状、柱状、蜂窝煤状活性炭和大孔树脂。

（3）冷凝法。冷凝法是利用尾气中有机组分在不同的温度和压力条件下的饱和蒸汽压变化，在高压和低温条件下，使气态的污染物液化从而在气相中分离出来的过程[2]。冷凝法适用于高沸点和高浓度VOCs。其优点是可回收到高纯度的组分，缺点是设备投资和操作费用高；冷凝液需要作为危废进行处置，产生二次污染。

（4）催化燃烧。催化燃烧技术发展迭代比较快，未来有较大的应用空间。催化燃烧技术是在催化剂的作用下，将废气进行燃烧处理，转化成对人体无害的二氧化碳和水。应用过程中催化剂容易中毒，对某些有机尾气也可能没有活性，因此需要进一步研究更为广谱和高效的催化剂。当下、开发分离氧化物催化剂是催化燃烧技术新的发展方向。

（5）等离子燃烧。等离子燃烧技术是指采用直流空气等离子体作为点火源，实现无油点火的燃烧技术。等离子体具有促进燃烧的特性，等离子燃烧系统主要有燃烧系统、等离子发生器、电气系统、等离子空气系统以及等离子冷却水系统等。等离子燃烧技术可脱除通常条件下不易进行化学反应的尾气，反应时间极为短暂。低温等离子燃烧技术对于各类挥发性有机物的治理，具有效率高，对尾气量和浓度变化有很强的适应性。但是，近些年随着等离子净化装置因安全配套设施不齐全而造成的事故频繁，对其进一步推广产生了极大的负面影响。

（6）RTO工艺。RTO即再生热氧化分解器，又称蓄热式焚烧器。其原理是把有机废气加热到760℃以上，使废气中的VOC再氧化分解成二氧化碳和水。氧化产生的高温气体流经特制的陶瓷蓄热体，使陶瓷体升温而“蓄热”，此“蓄热”用于预热后续进入的有机废气。从而节省废气升温的燃料消耗。RTO自出现之后，首先受欧美等国家的广泛认可。RTO的特点是结构简单、对有机尾气的脱除彻底、无二次污染，因此在行业内应用广泛。

图1 底膜制备工艺

2.尾气处理设施实例

江苏某分离膜制造企业的生产工序分为底膜制备工序和复合膜制备工序。

在分离膜生产过程中生产装置各工段的尾气出口检测到DMF、DMAC和ISO-G成分，浓度范围从1.5mg/m³到1000g/m³，尾气量为25000Nm3/h到50000Nm3/h。查阅MSDS后得到DMF、DMAC和ISO-G的爆炸下限分别为2.2%、2.0%、0.7%。企业选择了行业内成熟的处理工艺，尾气处理工艺1、前段采用水喷淋、然后再经过尾气除湿，最后进入RTO焚烧炉（两室+捕获室）进行处理。同时也采用了尾气处理工艺2、前段采用水喷淋、然后再经过尾气除湿，最后进入活性炭吸附箱进行处理的两套工艺并用。两套装置既保证了尾气安全处置的要求，也满足了去除率和达标排放的要求。

图2 复合膜制备工艺

碱喷淋对于DMF和DMAC的吸收效率在95%以上；经过设计的煤质柱状活性炭（CTC值60%）吸收塔对于DMF和DMAC的吸收效率在95%以上。

碱喷淋+RTO装置对于ISO-G的去除效率需要在98%以上。典型RTO装置有2室结构，98%去除率；2室+捕获室，99%去除率；3室，99.5%去除率及五室以上结构。综合考虑投资和环保效益，针对分离膜生产工艺，可选择的RTO装置结构为2室+捕获室，如投资允许的情况下建议采用3室的RTO装置更佳。

3.结论与探讨

分离膜生产制造过程中产生的尾气量和尾气浓度不稳定。其中DMF、DMAC和ISO-G的含量常规排放超其爆炸下限值。通过计算和安全分析后，合理的选用两套尾气处理设施，分别处理不同浓度和性质的尾气。其中，RTO处理尾气风量总计为20650m3/h（18500Nm3/h，25%～110%），废气浓度最高可达3863.68mg/m3，多条线生产的平均浓度大于2000mg/m3，RTO结构为2室+捕获室，去除率不低于99%，能够满足相关排放要求。RTO蓄热体采用蜂窝陶瓷体&马鞍陶瓷体组合形式，热效率96%，最大程度降低运行时天然气的消耗。热能回收方面，余热回收采用余热蒸汽回收，回收热量大约为30万kcal/h。节约工厂蒸汽用量0.59t/h，若按照蒸汽费用200元/吨，则每小时可节约蒸汽加热费用118元，全年可节省42.5万元（对应3600h生产时长），考虑到生产的不连续性，余热回收按照40%～60%估算，每年可回收17万～25.5万元，经济回报十分可观。由于分离膜生产过程中废气排放不稳定，进入RTO系统的尾气中可燃和易爆组分的含量有短时超过爆炸下限的风险。如果控制不到位，系统有发生闪爆的风险，因此RTO系统从设计开始就应该充分考虑这些潜在风险，避免RTO系统发生重大安全事故。

如何准确确定尾气的成分和浓度数据是企业实现安全生产和达标排放的关键任务。

尾气速率和浓度计算，可以利用尾气中有机组分的饱和蒸气压曲线和理想气体状态方程以及道尔顿定律进行运算。同时和现场实际取样进行对比，可以准确确定危险组分的组成和浓度。

查阅危险组分的MSDS，得到其爆炸下限值。对于尾气浓度超过了其爆炸极限的下限值25%以上，存在较大的燃爆风险的工况。在工艺设计阶段，这些工段采取了充氮置换，取样合格后再进行开机运行。避免装置运行过程中发生燃爆风险。同时，为确保系统的安全稳定运行，这些尾气集中收集后采用喷淋+活性炭的处理工艺。对于尾气的浓度低于其爆炸极限的下限值25%，且这些尾气具有一定热值的工况，其具备进入RTO燃烧炉焚烧的条件。根据《省应急管理厅省生态环境厅关于印发《蓄热式焚烧炉(RTO炉)系统安全技术要求》的通知》苏应急〔2021〕46号第4.3.4.3条，在RTO炉系统进口管道上，应根据风险识别结果设置LEL在线检测仪，应冗余设置。LEL在线检测仪与进入RTO炉系统的废气切断阀、新风阀、紧急排放阀联动，对废气进行安全处理，确保进入RTO炉的废气浓度平稳且低于爆炸下限的25%。LEL在线检测仪安装的位置距RTO炉的管道等效长度（L）综合考虑检测器响应时间（t1）、切换阀门动作时间（t2）和废气的流速（v）的关系，L＞v×(t1+t2)。LEL在线检测仪检测精度±5% F.S，控制废气进入RTO的浓度＜25%LEL。

查阅国家和地方环保法规，其中《大气污染物综合排放标准》（DB 32/4041—2021）表1排放限值；《化学工业挥发性有机物排放标准》（DB 323151—2016）表1排放限值的要求。可以计算出尾气处理设施需要达到的总体去除率，从而合理选择处置设施。

表1 尾气易爆组分含量和爆炸限值

表2 尾气处理数据及去除率