化工企业活性炭吸附-蒸汽脱附回收废气中二氯乙烷实例分析

李 超，王竹槽，王志良

（1.江苏齐清环境科技有限公司；2.江苏省环境科学研究院江苏省环境工程重点实验室，南京 210036）

近年来，农药厂等化工企业废气排放引起的群众投诉日益增多，政府对生态文明建设和生态环境保护报以坚定态度和坚强决心，导致大量工厂停产整顿甚至关停。因此，如何更加有效地控制废气污染是农药企业急需解决的问题[1-2]。

有机溶剂回收再利用拥有生态、经济、环保三种效果。现在一般使用膜分离法、吸附法、吸收法和冷凝法等回收VOCs[3]。冷凝法是通过降温或者加压的方式把VOCs从气态转变为液态，如果要得到更好的回收率，系统需要拥有较低的温度和较高的压力，设备费用大大提升，并且冷凝后的不凝气难以达到环境排放的要求，通常需要和其他净化工艺一起使用。吸收法一般利用的是大多数油类物质与有机废气相似相溶的特点，把低蒸气压与高沸点的油类当作吸收剂来获取废气中的有机物。该种方式对于吸收剂有着较高的要求，并且吸收剂的进一步处理与回收也极大地局限了它的发展。膜分离法是一种全新的分离技术，它利用聚合物膜对有机物的选择渗透性，相比于空气，其对有机蒸汽更容易渗透10～100倍，进而能够达到有机物的分离。单级膜由于分离程度较低，无法达到分离的条件，并且多级膜分离系统会极大地提升设备投资。

相比其他技术，吸附法早已应用于石油化工企业的有机废气处理，活性炭作为吸附法的一种吸附剂，正获得越来越广泛的应用。活性炭吸附主要有以下特点：脱附和吸附能够多次循环，吸附剂能够长时间使用；活性炭的比表面积较大，是一种弱极性物质，可以较好地吸附有机溶剂，但是对水一类的极性物质吸附性则较弱，所以能够通过水蒸气再生；不需使用深冷、高压等技术，因为其维护简单，操作费用很低；能够对较低浓度的VOCs产生较好的吸附作用[4-7]。随着工艺与吸附设备的飞速发展，活性炭吸附VOCs的方式已经得到了广泛的使用，本文为此展开探究。

1 产污过程及情况分析

该农药中间体企业主要生产邻甲酰异丙氨基-N-磺基苯胺，基本的生产工艺有水解、蒸馏、离心等，用到的原辅料有邻苯二甲酰亚胺、盐酸、酸酐、二氯乙烷、2-甲基吡啶等，其中有机溶剂为二氯乙烷。调查结果显示，废气的处理与收集主要存在以下不足：由于二氯乙烷没有较好的水溶性，当前的吸收方法难以对其产生作用，使得排放不达标；虽然多级碱吸收与水吸收对SO3等酸性物质具有较好的净化作用，但碱吸收净化塔没有根据对应要求设置pH在线监控方法，吸收液如果饱和后没有立即进行更换，就会使得吸收的效果很差；冷凝能够回收绝大多数的溶剂，但因为二氯乙烷的沸点较低，如果只是使用常温水冷凝的方式进行回收，则效果就会降低。

2 颗粒活性炭吸附回收工艺

活性炭颗粒（Granular Activated Carbon，GAC）作为多孔性吸附剂，是一种由碳质原料经炭化、活化后微细石墨状微晶和碳氢化合物构成的非结晶性物质。在物理结构上，活性炭由微孔、中孔、大孔构成，在总体积中，孔隙的结构超过80%。大多数微孔的孔径不超过4nm，中孔最小为4nm，最大则能够达到100nm，大孔直径则都超过100nm。在吸附时，较小的分子利用过渡孔达到微孔，较大的分子则吸附在大孔上。正由于活性炭有着较好的微孔结构，因此其比表面积较大。由于碳固体表面原子具有不饱和性，其能够通过化学方式与碳成分之外的原子与原子基团结合，构成多种表面功能基团，让活性炭形成多样化的吸附特性。这些官能团主要是含氧官能团，如羟基、羧基、羰基和内酯基等。除此之外，其亦具有机械强度高、化学与热稳定性良好、反复再生和造价低等特点。其微孔孔道长度多在几毫米甚至十几毫米，比表面积大（700～1 600 m2/g）。有机物的平衡吸附容量如表1所示，现实作业也显示，对于VCOs的吸附率来说，GAC能够高达90%，并且具有较长的使用年限[8-9]。

表1 有机物的平衡吸附容量（25℃时饱和蒸汽下的吸附容量）

3 吸附设备工艺流程

有机废气活性炭颗粒吸附-蒸汽脱附-冷凝回收装置利用两个吸附器组成一个管路系统。当活性炭颗粒吸附有机物达到饱和后，要对其进行脱附再生。脱附再生时，通入饱和水蒸气加热活性炭，二氯乙烷被吹脱出来，并与水蒸气形成蒸汽混合物，经高效冷凝器冷凝为液体，自动分层后可得到可回收再利用的二氯乙烷，同时分层水作为污水排放至企业污水系统集中处理后排放。脱附干净的活性炭层再进行冷却和干燥处理，以备下一个循环的再次吸附。二氯乙烷冷凝后的不凝气再接入活性炭颗粒吸附回收装置。

4 装置运行状况

该设备正式使用一年，运行良好，对二氯乙烷有着较高的回收率，回收后能够直接运用到生产系统中。采用《环境空气 挥发性卤代烃的测定 活性炭吸附-二硫化碳解吸/气相色谱法》（HJ 645—2013）对尾气展开持续研究，如表2所示。由此可见，活性炭颗粒设备回收二氯乙烷的回收率较高，大部分情况都能够保持在99%左右。

表2 含二氯乙烷废气处理与收集情况

5 经济分析

按照运行状况对回收展开研究，该农药中间体公司回收设备的排放量为5 200 m3/h，一年的运行时间为7 200 h，二氯乙烷的平均浓度从5 500 m3/h减小到0.003 mg/m3，如果根据该参数进行计算，每年就能够回收206 t二氯乙烷，以目前二氯乙烷均价4 000元/t的水平进行计算，那么一年能够获得4 000×206=82.4万元。

设备购买一共花费105万元。每年需要投入的运行资金为：设备的维修费、资金利息、折旧等一共需要花费大约10万元；仪表空气与冷却水的花销大约在3万元；蒸汽费用需要花费206×2×200元/t≈8.24万元；电费需要花费15 kW×7 200 h×0.45元/（kW·h）≈4.86万元。由此可见，总费用为：10＋3＋8.24＋4.86=26.1万元。投资回收期为1.8年。年净增效益为：82.4－26.1＝56.3万元。

6 结论

通过活性炭颗粒吸附-蒸汽脱附冷凝回收设备对生产中产生尾气的二氯乙烷展开回收再利用，其运行信息显示，该设备能够持续安全运转，脱附与吸附的过程能够进行自动化控制，并且回收吸附二氯乙烷的效率可以保持在99.99%。每年的净收益保持在56.3万元，年回收206 t，设备运转1.8年就能够全部回收投入资金，并且设备的设计使用年限超过10年。设备出口处二氯乙烷排放浓度远低于相关标准的排放限值，大大减少二氯乙烷的排放量，具有良好的经济效益和环境效益。