有机废气资源化回收与净化新工艺的模拟和应用

2022-11-29焦宏伟丁仕海

化工技术与开发 2022年11期

焦宏伟，丁仕海，梅华,2

（1.江苏诺盟化工有限公司，江苏南京 210009；2.南京工业大学化学化工学院，江苏南京 210009）

近年来，我国的化学工业得到了快速发展，但随之而来的环境污染问题也日趋严重，其中因有机废气排放而引发的大气污染问题尤为严重，为此，在减少有机废气排放的基础上，需要选用适当的技术对有机废气进行净化处理[1]。目前化工有机废气的处理方法主要有以下几种[2-5]：1）吸附法，即利用活性炭、分子筛等吸附剂进行吸附；2）燃烧法，即在高温条件下将有机物氧化分解为二氧化碳和水；3）生物处理法，即利用菌群对有机物进行分解；4）吸收法，即选用合适的吸收剂来吸收废气中的有机物等。这些方法广泛应用于工业有机废气的处理中，但在处理废气的同时也损耗了较多的有机物，造成了资源的浪费，因此需要针对不同废气的特点，选择合适的方法，以实现有机物的资源化回收并使尾气达标排放。

江苏某化工企业有一股含甲苯、硝基甲苯的有机废气，需要根据该尾气的特点，采用工厂现有物料作为吸收剂，在确保废气达标排放的基础上，回收废气中的有机物。本文使用Aspen Plus软件，对该工厂的废气处理工艺流程进行模拟优化，得到了关键参数，并以此为依据进行了工业化设计。

1 有机废气处理工艺流程的模拟

1.1 有机废气的组成及达标要求

来自工厂的有机废气流量为5100Nm3·h-1，进气温度为60℃，废气总管压力为-5kPa，废气组成如表1所示。废气排放出口需满足GB 31571-2015《石油化学工业污染物排放标准》，其中甲苯限值为15mg·m-3，硝基苯类限值为16mg·m-3。

表1 工厂有机废气的组成Table1 Composition of organic waste gas from factory

1.2 工艺流程

为使尾气出口总管的甲苯和硝基甲苯均能达到排放要求，采用了两级吸收流程，对有机废气进行回收和净化。尾气自一级吸收塔T101底部进入，一塔吸收剂经E101冷却后，自T101顶部进入塔内喷淋。液气逆流过程中，液体对废气中的有机物进行吸收净化。废气自T101塔顶出来后去二级吸收塔T102，在该塔内经二塔吸收剂喷淋处理后达标排放。二塔吸收剂进入塔内前需经E103冷却降温。一级吸收塔底部的富液，一部分经降温后送入塔内循环吸收，另一部分回车间精制以回收甲苯等有机物。二级吸收塔底部的废液去废水池。采用Aspen Plus软件对该流程进行建模模拟，模拟流程图如图1所示。

图1 有机废气处理工艺流程模拟图Fig.1 Chart of treatment process of organic waste gas

1.3 吸收剂的选择

吸收剂的种类对吸收塔吸收效果的影响很大，不仅要考虑吸收剂与废气中有机物的相似相容性，还要考虑吸收剂的引入是否会带来新的污染。为了回收尾气中的甲苯、硝基甲苯等有机物，本文选择工厂精制工段的中间品混合硝基甲苯作为一塔吸收剂，其中邻、间、对硝基甲苯的比例为6∶0.4∶3.6，吸收后的富液回车间精制工段，以回收甲苯等有机物。二级吸收塔以水为吸收剂，可去除废气中的硝基甲苯等有机物，使其达标排放。

2 有机废气处理工艺参数的优化

2.1 一级吸收塔吸收剂的用量和进料温度的确定

吸收温度对吸收塔吸收效果的影响较大，温度的改变会使溶质的溶解度发生显著变化，所引起的物性变化还会导致传质系数的改变，对吸收速率有很大影响[6]。

利用Aspen Plus软件模拟了不同的吸收剂用量下，一级吸收塔的出口尾气中甲苯含量随吸收剂进料温度的变化情况，结果见图2。当吸收剂用量一定时，随着进料温度降低，出口尾气中的甲苯含量显著降低，说明低温有利于吸收的进行。温度较低时，甲苯的平衡蒸气压降低，增大了吸收的推动力。当温度低于15℃，其降幅减缓，继续降低温度对吸收效果的影响不大。

在出口尾气中的甲苯含量一定时，随着吸收剂的用量增加，最佳吸收剂的进料温度随之升高。图2中，在确保出口尾气中的甲苯含量为15mg·m-3的前提下，当吸收剂的进料流量分别为2500kg·h-1和3000kg·h-1时，其对应的进料温度分别为22℃和37℃。因此当工艺无法满足合适的吸收温度时，可以增加吸收剂的用量以达到相同的吸收效果。为尽可能降低吸收剂的用量并兼顾填料的润湿率，选择吸收剂的进料温度为20℃。该工厂的公用工程配置有8℃低温水，可满足此温度要求，由此确定吸收剂的用量为2500kg·h-1。

图2 不同吸收剂用量下温度对甲苯含量的影响Fig.2 Effect of tempetature on toluene content under different absorbent flow

2.2 二级吸收塔吸收剂的用量和进料温度的确定

图3是不同的吸收剂用量下，二级吸收塔的出口尾气中，硝基甲苯的含量随吸收剂进料温度的变化情况。当吸收剂用量一定时，随着进料温度的升高，出口尾气中的硝基甲苯含量逐渐升高，这与一级吸收塔的情况一致。

图3 不同的吸收剂用量下温度对硝基甲苯含量的影响Fig.3 Effect of tempetature on nitrotoluene content under different absorbent flow

图4是不同的吸收剂进料温度下，一级吸收塔和二级吸收塔的温度分布曲线。由图4可知，自塔顶至塔底，温度逐渐降低，吸收剂的进料温度较高时情况尤为明显。以吸收剂的进料温度为40℃的曲线为例，塔顶第1块塔板的温度为35℃，塔底最后1块塔板的温度为15℃，温差为20℃，但吸收剂进料温度为15℃时，塔顶和塔底的温差仅为1.6℃。原因在于：1）尾气进入二塔的温度为23℃，当吸收剂的进料温度高时，气相和液相之间的直接传热会使液相温度降低；2）进入二级吸收塔的尾气中的硝基甲苯含量在0.01(vt)%左右，二塔中溶质的溶解热小于吸收剂水的气化热，使得二塔温度降低。当吸收剂的进料温度高时，二塔仅在塔下部温度较低的塔板上有较好的吸收效果。图4中，当吸收剂的进料温度分别为30℃和40℃时，第13～19块塔板处的吸收效果较好，第1～12块塔板上硝基甲苯几乎没有吸收效果。从图3也可以看到，当温度大于30℃后，出口尾气中的硝基甲苯含量基本不变。根据工厂的实际情况，确定二塔吸收剂的进料温度为15℃，此时吸收剂用量需达到6000kg·h-1才能满足硝基甲苯的排放要求。

图4 二级吸收塔的温度分布曲线Fig.4 Temperature distribution curve of secondary absorber

2.3 吸收塔理论板数的确定

改变理论塔板数，考察一塔出口尾气中的甲苯含量，以及二塔出口尾气中硝基甲苯含量的变化情况，结果见图5。结果显示，随着理论板数增加，两级吸收塔尾气中的有机物含量均逐渐降低。当理论板数为17块时，一级吸收塔出口尾气中的甲苯含量为11.9mg·m-3，能够满足排放要求；当理论板数为19块时，二级吸收塔出口尾气中的硝基甲苯含量为12.3mg·m-3，符合排放要求。从图5可以看出，增加理论塔板数有利于吸收操作，尾气中的有机物含量持续降低，但继续增加理论塔板数，对尾气中有机物含量的降低有限，且会增加设备造价。综合尾气排放要求和经济性，确定一级吸收塔的理论板数为17块板，二级吸收塔的理论板数为19块板。

图5 理论板数对有机物含量的影响Fig.5 Effect of theoretical number of plate on organic content

3 工业应用及效果

根据Aspen Plus的模拟结果，设计了有机废气资源化回收与净化装置，并于2021年4月投入使用。从实际运行情况看，该装置的设计合理，能够满足尾气排放要求，同时可以回收尾气中93%以上的有机物。模拟结果与装置的实际运行情况的对比如表2所示。

表2 实际运行情况与计算结果对比Table 2 Comparison between actual operation and calculated results

由表2可见，该装置出口尾气中的甲苯含量为9.6mg·m-3，满足规范要求的15mg·m-3，比计算值11.9mg·m-3略低。这是由于在实际运行时，一塔吸收剂的进料温度为17℃，比设计值20℃略低，从而能够更好地吸收甲苯。从图2也可看出，当吸收剂的进料温度为17℃时，出口尾气中的甲苯含量为8.9mg·m-3，实际运行数据与设计值能够吻合。

该装置尾气出口中的硝基甲苯含量为13.4mg·m-3，略大于计算值12.3mg·m-3，但也能够满足规范要求的16mg·m-3。

实际运行中，进入装置的有机废气的流量范围为2000～5200Nm3·h-1，波动较大。为了减少吸收剂用量，该装置可根据有机废气的进气流量，自动调节吸收剂用量。一塔吸收剂用量的调节范围为2000～2700kg·h-1，二塔吸收剂用量的调节范围为3000～6400kg·h-1。根据工厂的统计数据，该装置每年可以回收甲苯220t，年节省人民币176万元。