探究高浓度丙烯腈废气治理工艺及应用

探究高浓度丙烯腈废气治理工艺及应用

陈思宏1   张明友1   张埕铨2

1.抚顺石化公司腈纶部丙烯腈车间

​2.中国石化集团金陵石油化工有限责任公司

摘要：丙烯腈属于一种化学毒性物质，一般为蒸汽状态，如果被人吸入或者接触到皮肤，会发生中毒反应，因此，有必要分析高浓度丙烯腈废气的治理工艺。本文首先阐述了当前常见的治理工艺，之后以某化工仓储企业的高浓度丙烯腈废气情况为例，提出了一种新型治理工艺路线，即“冷凝均化+催化氧化（CO）+选择性催化还原（SCR）”，经效果分析发现，采用这一工艺路线进行废气治理，可以达到比较理想的效果。

关键词：高浓度；丙烯腈；废气治理工艺；应用

我国安全监管总局已经将丙烯腈列为特别管控的危险化学品，对其储藏和应用制定了严格的条例。另外，随着人们环保意识的不断提升，政府也在加大对危险化学品和工业排放标准的监管，旨在从源头上减少环境污染，一般要求丙烯腈排放不能超过0.5mg/m3。本文结合实例分析提出了一种综合性的治理工艺路线，用于处理高浓度丙烯腈废气，实现资源回收和环境保护。

一、丙烯腈废气处理工艺

（一）回收法

1.活性炭吸附法

这种方法主要利用具有多微孔结构的固态吸附剂如活性炭、硅胶、分子筛等，对有机废气进行净化治理。上述吸附剂可以通过化学键合力或分子间作用力吸附、净化有害物质，适用于处理风量大、浓度不高的有机废气，且适用于无固体颗粒、无黏性物质、常温的有机废气。该方法的净化率一般能够达到95%甚至更高。

2.冷凝法

冷凝法的应用原理是有机废气和其他气体在各个温度范围的饱和蒸汽压存在差异性。这一方法利用降温/加压的方式使气态挥发物转变形态，从气体中分离出去。冷凝分离的挥发性有机物一般都具有较高的沸点、浓度。这一处理方式无法完全去除混合气体中的有机废气，还要采用二次尾气处理方法。对沸点不超过60℃的有机废气治理效率为80%～90%，但不适用于处理高、中挥发性的有机废气。

（二）破坏法

1.燃烧法

该方法可以用于净化处理所有的有机废气，按照气体浓度的差异，主要分为直接燃烧、热力燃烧以及催化燃烧三种类型。高浓度废气（＞5000mg/m³）可以采用直接燃烧工艺进行处理，温度控制在1100℃左右，净化率能够达到95%～99%。热力燃烧工艺适用于处理中浓度废气（1000～5000mg/m³），由于废气中的挥发性有机物较少，所以需要采用固体、气体助燃物进行处理，温度控制在540~820℃之间。但是如果挥发性有机物中含有S、N等，燃烧产物会对环境产生破坏性影响。虽然热力/催化燃烧工艺净化有机废气的效率较高，但是前期的投入也较多，并且集中收集难度较高，工艺装置占地面积大。

2.催化氧化法

这种方法的应用原理是在200~400℃下使废气发生无焰氧化反应，生成水和二氧化碳。这种方法可以降低对环境和人体健康的影响。相较于传统的燃烧治理工艺，催化氧化法更安全、易控，还能防止二次污染。

3.UV光解净化法

紫外线（UV）光解净化技术的原理是利用高能紫外线光照射空气中的游离氧，使其发生分解反应，生成臭氧。臭氧作为强氧化剂，能与空气中的有机废气以及难闻气体进行快速的光解氧化反应，可以达到净化空气与除臭的效果。该方法的净化效率不低于95%，具备优良的适应性。紫外线光解净化设备的维护成本低廉，能耗小，可以降低运营成本。这种方法采用光解原理，不仅在净化效果上表现出色，还能够有效预防安全隐患的发生，适合应用于对防爆等级要求极高的行业领域。

4.选择性催化还原（SCR）

如果废气中含氮元素，则在治理过程中必然会产生氮氧化物，不利于保护环境，因此可以采用脱硝处理技术来降低氮氧化物的排放量。SCR技术以氨气或尿素为还原剂，在320~400℃之间与氮氧化物反应，使其还原为氮气和水。不会产生次生污染及副产物。

二、工程案例

（一）废气情况

某化工仓储企业一期、二期装车台在丙烯腈装车中出现了高浓度丙烯腈废气，针对这一问题需要立即制定对应的治理方案。已知该废气的体积流量最高为640m3/h，以相关公式为依据，计算废气浓度：

C为单位体积内丙烯腈的质量浓度，V标况为单位体积内废气中丙烯腈在0℃、标准大气压下的体积，M为丙烯腈分子量，P为丙烯腈蒸汽压力。

（二）实际治理工艺

本文选用冷凝+CO+SCR的治理工艺处理高浓度的丙烯腈废气，具体可见图1。

图1 治理工艺流程简图

（三）治理效果分析

1.CO催化剂使用温度的影响

本文在CO环节，利用自主研发的JDVC-1800催化剂进行治理。这种催化剂的性能受温度的影响较大。随着温度升高，丙烯腈氧化速率也会加快，可以提升治理效能。但温度过高也会增加设备功耗，缩短催化剂的使用时间。因此，需要适度合理的催化剂温度，兼顾废气治理效率、设备能耗和催化剂使用时间。在此，本文分析了CO催化床温度对丙烯腈废气治理效果的影响。采用色谱法进行在线监测，实验结果显示，当催化剂床层温度≥400℃时，可以使丙烯腈浓度在较长一段时间内维持在0.5mg/m

3以下，满足国家排放标准。

2.CO入口丙烯腈浓度的影响

随着CO入口内丙烯腈浓度不断下降，则达标排放需要的净化效率就越低，同时也会降低催化氧化反应的温升和能量回收率。为使催化剂床层温度维持在适宜的范围内，需要提高电力消耗量。本文主要采用冷凝温度调节机制来控制催化氧化阶段入口处的丙烯腈浓度。结合有关研究数据显示，CO入口丙烯腈浓度在2500mg/m³以下时，可以在治理后达到废气排放标准处理后气体丙烯腈浓度符合国家标准，对优化生产流程、提高环保效能和节约能源具有重要意义。

3.NOx排放长周期考核

因为丙烯腈中包含氮元素，所以在催化氧化处理时，氮元素会被转化为氮气、氮氧化物，研究中采用SCR法去除NOx。该方法利用氨水作为还原剂进行了脱硝治理。通过监测SCR进出口的NOx浓度发现，在整个监测期内，NOx的去除效率平均超过98%，出口平均NOx浓度不超过15mg/m3，峰值不超过25mg/m3。

本文可以利用以下公式计算丙烯腈回收率：

式中，C出口平均、C入口平均分别为SCR出口、入口NOx浓度的月度均值。

总结

综上所述，丙烯腈是工业领域常用的一种原料，但是在丙烯腈的生产、储存及使用等环节中，由于设备老化、操作不当或意外等原因，会导致丙烯腈泄漏，不仅会破坏环境，还会对人类安全构成直接性的威胁。本文为治理高浓度丙烯腈废气，特采用了集冷凝、催化氧化、选择性催化还原技术为一体的工艺路线。根据对工程实例的分析发现，这一治理工艺无论是在经济性还是环境友好性方面，都表现优良，有利于保障化工作业的安全性。

参考文献：

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