大气污染控制技术和热能利用技术在涂布业的应用

引言

PSA行业非常依赖化石燃料,石油、煤炭和天然气作为能源和生产原料,具有众多的工艺功能。从历史上看,在美国,以合理的价格几乎可以无限制地获得化石燃料,因此,能源成本在整个产品成本中所占的比例较小,人们对供应充足的能源也不太关心,这就成为了生产技术发展过程中某些选择的原因。然而,随着中国、印度和东南亚经济的快速增长,情况正在发生变化,由于新石油资源的开发速度跟不上消费速度,对全球能源供应的需求大大增加,因此,化石燃料的费用已大大增长,人们对有限供应的认识也提高了。目前还没有理由认为这种情况将来会发生改变,为了保持竞争力,PSA制造商已经开始并必须继续集中精力减少能源消耗,改进生产流程,以提高效率,并在其生产设施中利用可再生资源,使产品和生产过程的能源需求最小化,以实现显著的成本效益。

1涂覆和排放

在胶粘剂涂覆过程中,固体被不同的溶剂稀释,以获得适当的流变性,从而满足所选择的应用方法的要求。在水基和烃类溶剂型胶粘剂之间进行选择时,有几个因素需要考虑,包括产品性能要求、产品成本和投资回报。

传统上,水性涂料在许多应用中并没有提供理想的粘接性能,尽管水性涂料配方在不断改进,但烃类溶剂仍占有相当大的市场份额,水性涂料配方通常也需要更长的(即更昂贵)烘干机。但水性涂料在不使用附加的环境控制设备的情况下在满足大多数排放标准方面具有优势,通过使用先进的能源效率和溶剂回收技术,附加控制设备的经济性也在不断发展。

从工艺的角度看,涂覆层被涂在卷筒纸上,然后通过烘干机,烘干机的作用是将溶剂蒸发掉,留下活性涂层,任何存在于空气中的烃类溶剂分子都被称为挥发性有机化合物(VOCs),所产生的VOCs烟雾随后从烘干机排出。然而,这种热气流不能排放到大气中,因为它是空气污染和健康危害的一个重要来源,VOCs一旦被释放,就会与空气中的氮氧化物发生反应,并由于阳光的存在形成地面臭氧,地面臭氧是有毒的,除了是刺激物、烟雾的贡献者,也是可能的致癌物质。VOCs本身也会引起许多健康问题,许多VOCs对皮肤、眼睛、肺和喉咙有刺激作用,已知会导致神经损伤和出生缺陷。因此,烘干机排气出的VOCs必须通过热氧化被破坏,或者在生产过程中尽可能进行回收再利用。

2排放控制

废气处理在烃基PSA涂覆作业中可以有多种不同的处理方法,本文将探讨活性炭基吸附氧化法以及热氧化法这两种应用最为广泛的技术。

2.1基于活性炭的排放控制吸附系统

许多PSA涂覆生产线的烘箱浓度为易燃下限(LFL)的10%~15%,VOCs的体积分数为4×10-4~8×10-4,在这种条件下回收溶剂是可能的,也是经济的。

原理:吸附系统工作原理为"范德瓦尔斯力"原理,即由于溶剂分子与炭表面之间形成的弱分子间作用力,溶剂分子附着在炭的表面或活性部位,活性部位的再生是通过提供略大于蒸汽或惰性热气体的能量来完成的。影响吸附的因素:(1)排气流量:(2)排气温度:(3)排气压力:(4)环境空气相对湿度:(5)排气中溶剂浓度:(6)溶剂类型:(7)颗粒。

流程描述:烘干机排出的空气经预处理后进入预处理单元,控制温度和相对湿度,使其适宜吸附(这个单元通常是系统的一部分),然后空气通过1号吸附器(垂直或水平的容器中填充吸附剂,如活性炭等),溶剂分子被炭吸附(附着在表面),干净的空气被排到大气中,一旦炭床被溶剂分子饱和,sLA(含溶剂的空气)流动就被转移到2号吸附器上,而1号饱和吸附器则使用蒸汽或热氮气再生。具体流程如图1所示。

在再生过程中,溶剂蒸汽和蒸汽一起通过冷凝器和冷却器,然后进入分层器,在分层器中,提供足够的停留时间来分离溶剂和水,如果溶剂不溶于水,则纯溶剂仍留在分层器中,如果溶剂溶于水,则需要进一步处理,如蒸馏,以获得可重复使用的溶剂。干燥和冷却循环在炭床每次再生后进行,以去除炭表面的冷凝水分,并冷却炭床以进行下一个吸附循环,空气是用来干燥和冷却炭床的。当使用吸附系统时,回收的溶剂可以返回到涂覆过程中,从而降低其中一种消耗品的成本。设计合理的吸附氧化体系,可使VOCs的还原率达到99%以上,排放水平取决于涂覆中的溶剂浓度、卷筒纸宽度和线速度。

2.2热氧化与热回收

由于废气中溶剂量小于吸附回收经济所需(一般体积分数<1×10-4),同时稀释剂是不同溶剂的混合物,可能使吸附和蒸馏回收不经济,并且存在有毒化合物,则吸附不可行,此时,另一种选择是热氧化,它可以将VOCs转化为危害性较小的化合物。

原理:VOCs在高温下与氧气反应生成二氧化碳和水蒸气,氧化是一种放热反应,反应所产生的热量可用于干燥过程或设备的其他加热需求,热氧化公式如下:

VOCs去除效率的三个"t"分别是:时间(time)>0.5s,温度(temperature)>850℃,湍流(turbulence)保证良好的混合(湍流可以通过高速气流、机械混合装置和气流方向的变化来实现)。蓄热式热氧化炉(RTO)的破坏效率可超过99%,其通常包括多个陶瓷介质层,用于收集和存储氧化系统循环之间的能量,蓄热系统中的陶瓷介质包含在多个塔或罐体中,这些塔或罐体由罐体顶部的燃烧室和管道以及罐体底部的阀门系统相互连接,如图2所示,阀门系统将进入的排气气流导向各个陶瓷塔。通过从一个陶瓷塔切换到另一个,一个塔将放弃它的能量,而另一个塔吸收能量。

图2  蓄热式热氧化炉工艺流程

RTO的工作温度为815~980℃,目前市场上大多数系统的设计都可以达到85%~95%的热效率,甚至可以达到97%,这取决于所使用的陶瓷介质的数量。根据单元的大小和溶剂的负荷,回收的能量可以是非常显著的。这些系统中使用的陶瓷热回收介质和绝缘材料是为在这种极端条件下连续运行而设计的,强劲的设计加上热气体旁路系统的使用,使再生系统能够有效地运行大范围的空气流动以及VOCs浓度从0%~25%的LFL。保持工艺运行所需的能量要么由溶剂的燃烧(在废气中)提供,要么由提供给燃烧器的辅助燃料提供,如果排气量在5%或更高,则不需要燃烧器(启动后),系统将在"自维持"模式下运行。随着LFL的增加,额外的能量被释放出来,可供使用,当有多余能源可用时,进行二次热回收具有显著的经济意义,这些回收能源可用于燃烧空气预热、烘干机空气加热、工艺补充空气加热、热水加热、低温蒸汽加热。

热回收系统作为降低整个工厂运行能源成本的一种手段正变得非常流行,利用各种类型的热交换器一空气和空气、空气和水、空气和热油,可以实现热回收。

3应用举例

某大型电子材料有限公司设有PSA涂覆生产线,它的VOCs排放废气处理装置采用的是两腔式结构RTO,由于VOCs的浓度较高并有大量的额外能量释放出来,在设计之初应用了两套二次热回收系统:(1)空气和热油交换系统,燃烧室燃烧废气产生的余热通过热油交换器给热油加热,根据系统要求加热到250℃,然后热油将热量带到烘干机供其使用。(2)空气和空气交换系统,用RTO出口150℃左右的热风通过热风交换器将涂胶房抽出的浓度较高的风加热,然后送到烘干机的供风系统。以上设计不但大大减少了能源的消耗,也降低了企业营运成本。

4结语

PSA制造过程为每个PSA制造商提出了一个关于溶剂和能源回收的决策问题,这个决策标准包括产品性能、工艺经济性和投资。PSA产业有能力减少或尽量减少有害排放物,并在降低整体营运成本的同时,以符合成本效益的方式做到这一点。