改进干法睛纶装置低DMF含量废气回收方案研究

摘要:杜邦干法脯纶装置纺丝工序排放的废气DMF低,约为500mg/m3,直接采用淋洗方式吸收传质动力过小,回收过程中动力消耗高。采用活性炭纤维吸附技术,将低DMF含量废气浓缩,然后再淋洗回收,可提高传质效率,尤其是大幅度降低能耗。增设以活性炭纤维为吸附材料的在线连续吸附解吸设备,设计高效淋洗塔,改进原有低浓度DMF废气回收方案,将产生较好的节能效益。

关键词:DMF废气:回收;改进

喷淋塔

1 基本现状

1.1 DMF废气来源

腊纶装置主要包括:原料与回收、聚合、原液、纺丝、水洗牵伸、后处理等工序。在睛纶生产过程中, DMF 作为溶剂将聚丙烯腊溶解形成原液,质量浓度为 33 %。原液在纺丝工序纺丝机的南道中与高温循环氮气进行传质传热交换,DMF 由液态转为气态,随高温氮气离开南道,进入氮气循环系统中被回收利用;聚丙烯腊则成型为腊纶原丝,送水洗牵伸工序进一步处理。

在纺丝工序的生产过程中,绝大部分DMF被封闭回收,但有少量DMF挥发出来进入环境中,需要通过风机及时排出。废气流量为1.2×10sm3/h,其中DMF质量浓度约为500mg/m3,其余为空气。排出的DMF废气直接进入淋洗塔处理后排放。

1.2 淋洗塔主要运行参数

淋洗塔是一个直径为 800 mm、高为 29 000 mm 的常规塔,塔内有塔盘和填料。 DMF 废气进入塔内,不断循环喷淋的吸收液将 DMF 吸收;脱盐水为循环吸收液补充水。因淋洗塔采用较早技术设计,效率较低,本文不作进一步论述。参见淋洗塔示意图 ,淋洗塔主要运行参数如下:

图1

①进塔 DMF 废气流量: 1. 2 × 105 m3 /h,DMF 质量浓度为 500 mg/m3;
②出塔净化废气流量: 1. 2 × 105 m3/h,DMF质量浓度为 30 mg/m;
③进塔脱盐水流量:0. 80 m3 /h (其中部分随废气蒸发);
④出塔淋洗液流量: 0. 50 m3 /h, Dl\σ 质量分数为 11 % ;
⑤循环淋洗液流量: 720 m3 /h ,泵电机功率110 kW;

1.3 淋洗液去向

淋洗在实际操作中,通过控制淋洗液浓度和塔釜液位,定期将塔釜淋洗液排出,送腊纶装置原刹和溶剂回收工序。质量分数为 11 %的 DMF 水溶液送入常压精馆塔,水从塔顶蒸出, DMF (沸点 153 ℃)从接近塔釜的侧线抽出,经冷却后送入 DMF 储罐重新使用。

1.4 存在问题

从DMF 废气回收全流程看,动力消耗很高。
(1)DMF 废气浓度低
DMF 在废气中的质量浓度很低,平均仅为500 mg/m3 ,传质动力过小,造成 DMF 回收过程中能源消耗高。
(2)DMF 废气流量大
DMF 废气流量很大,达到 l. 2 × 105 m3 /h ,根据吸收气液比条件,必然需要大量吸收水,造成功力消耗高。
(3)DMF 溶液浓度低
淋洗液 DMF 质量分数为 11 %,比较低,造成精锢分离过程消耗的动力偏高。由于原设计问题,如果进一步增加淋洗液浓度,会导致淋洗塔净化后尾气中DMF含量超标。

2 改进方案

从吸收传质动力学分析,DMF在废气中含量过低,是导致回收动力消耗高的根本原因,所以,主要应探讨研究提高DMF废气浓度的途径。

2.1 改进思路

国外自上世界 80 年代开始研究应用活性炭纤维( ACF)吸附、浓缩低浓度有机废气,近年来应用已十分广泛。

活性炭纤维与传统的颗粒状活性炭( GAC)相比有许多优点。外表面大,纤维直径细,增加了吸附几率,且可均匀接触,吸脱速度快,约是 GAC10 100 倍;吸附容量大,约是 GAC l. 5 ~ 10 倍,且吸附效率高。孔径分布窄,绝大多数孔径在100 以下,这是吸脱速度快的又一重要原因;滤阻小,约是 GAC 113 。强度较高不易粉化,不会造成二次污染。省能、经济,因吸脱速度快和设备体积小,因而配套工程规模小,经济效益高,同时使用寿命长,再生容易,操作安全,因吸附层薄和体密度小,蓄热少,不易发生事故,操作简单,易实现自动化控制和操作。

干法睛纶装置纺丝工序 DMF 废气主要为空气,其他微量有机物为 DMF ,适于应用活性炭纤维浓缩。目前,以活性碳纤维为介质,能够连续吸附、解吸废有机气体的设备(简称吸附器)已十分成熟。据了解,常温条件下质量浓度为 500mg/m3 DMF 废气经吸附器在线连续解吸后,浓度可提高到原来的 20 倍,为降低 DMF 回收过程中能源消耗创造了有利条件。

2.2 方案设想

2.2.1 DMF 废气浓缩

新增能够连续在线吸附、解吸的吸附器及其配套设备。参见新增 DMF 废气浓缩设施示意图
①吸附器:是利用回转式动态解吸原理研究开发的低阻力吸附净化器,以活性炭纤维为吸附材料,主要用于低浓度常温有机废气的净化处理,能够实现在线连续吸附、解吸操作。净化气中DMF 含量甚微,本方案忽略未计。吸附器运转耗电很小,本方案以 lkW 计。

②解吸风机:风量为 6000m3 /h ,风压为4 000 Pa ,电机功率为9 kW。

③加热器:换热面积约为 150 m2 ,蒸汽消耗量为 0. 5 t/h

图2

2.2.2 淋洗塔

根据浓缩后 DMF 废气条件重新设计新淋洗塔。经初步核算,塔径由 800 mm 改为 200 mm ;塔高由 29 000 mm 改为 12 000 mm。全塔为填料塔,采用高效规整填料,提高吸收效率,降低全塔压降。主要运行参数如下:

①进塔 DMF 废气流量: 103 m3/h,DMF 质量浓度为 12 000 mg/m
②出塔净化废气流量: 103 m3 /h, DMF量浓度为 30 mg/m3;
③进塔脱盐水流量:0. 25 m3 /h (其中部分随废气蒸发);
④出塔淋洗液流量: 0. 22 m3 /h,DMF 质量分数为 25 % ;
⑤循环喷淋液流量: 15 m3 /h ,循环泵电机功率为 2kW;

2.2.3 精馆塔

因进入精饵塔 DMF 水溶液有多个来源,而且纺丝工序淋洗产生的 DMF 水溶液流量所占比重较小,故不改动精馆塔。因为 DMF 水溶液浓度增加一倍多,故能源消耗相应减少。

2.3 能耗对比

因脱盐水用量小,故下面仅进行电与蒸汽消耗比较。

(1 )原因收过程中动力消耗:电 110 kW ;蒸0.45 tlh

(2)新回收过程中动力消耗:电12kW;蒸汽1.2t/h;

(3)电耗减少98kW ;蒸汽消耗增加0.27t/h。

根据初步估计,采用改进方案,DMF回收的动力成本可以降低20元/h以上,每年将获得节能效益16万元。从投资角度评估,若项目总投资不超100万元是可行的。

3 结论

通过对杜邦干法腈纶装置纺丝工序DMF废气回收过程动力消耗的分析研究,找到了降低动力消耗的有效途径。采用近年活性炭纤维回收低浓度废有机气体新技术,可以制订可行的改进方案。若实施技术改造,将会产生较好的节能效益。

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