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強氧催化氧化技術在塑料廢氣治理中的應用

2017-7-27 13:11:07

塑料以其質輕、強度高、易于加工、價格低廉等優點，在人們日常生活中廣泛應用。塑料制品的產量及消耗量也逐年增加。2014年1—9月，我國塑料制品行業累計完成產量5339.5萬t，同比增長7.8%。然而，在塑料行業快速發展的同時，塑料生產加工過程中產生的環境污染問題也日漸嚴重。
塑料在高溫條件下受熱熔融后，一方面塑料聚合物受熱揮發出的游離烴類單體，另一方面各種塑料添加助劑受熱分解揮發產生有機污染物。塑料廢氣為含煙塵的高溫惡臭廢氣。目前，塑料廢氣治理技術有過濾法、吸收法、吸附法、低溫等離子體法、燃燒法、催化法等。催化法包括光催化氧化、臭氧催化氧化等技術，具有二次污染少、安全可靠、處理效率穩定等優點，是近年來發展起來的新興技術。目前，強氧催化氧化技術在塑料廢氣治理中的應用尚未有文獻報道。
塑料產業是浙江沿海城市臺州市的民營經濟支柱產業，塑料加工制造給當地帶來了巨大的經濟效益。臺州市椒江區有上百家廢塑料造粒加工企業。由于歷史原因，這些塑料企業處于居住-工業混雜區。塑料造粒產生的大量刺鼻惡臭廢氣，嚴重影響了周邊的環境空氣質量，干擾周邊居民的生活和工作。廠區周邊居民投訴不斷。我們創造性地將強氧催化氧化技術，應用于臺州市椒江區塑料造粒企業的廢氣治理工程中。本文以其中一家塑料造粒企業為代表，綜合論述強氧催化氧化技術治理塑料造粒惡臭廢氣的可行性。
1示范工程應用
1.1工藝思路及路線
1.1.1廢氣源及廢氣特性分析
示范工程企業是一家從事聚丙烯(PP)塑料粒子生產的企業。塑料廢氣污染物主要來源于塑料基料及輔料的混合料因受熱熔融而揮發或分解的化合物塑料廢氣為明顯可見的煙塵，高溫，有刺激性惡臭，眼睛及呼吸道有明顯刺激感。塑料廢氣的主要成分為丙烯、苯系物等烴類，以及油脂、煙塵等物質。采集造粒線出氣口處廢氣，經測定，塑料廢氣的平均臭氣濃度為5000(無量綱)左右。
1.1.2工藝路線
塑料廢氣為明顯可見的煙塵，高溫，有刺激性惡臭。為徹底解決塑料廢氣惡臭擾民問題，塑料惡臭廢氣需要被有效收集并徹底凈化處理，進行深度治理。針對塑料造粒廢氣的特性，示范工程選擇采用“濕式噴淋吸收預處理+強氧催化氧化除臭”組合工藝。濕式噴淋吸收預處理對塑料廢氣進行了降溫、塵預處理，以防止高溫降低強氧催化氧化效率，煙塵堵塞催化填料層。
示范工程在塑料造粒機的各臭氣產生點位置處設置集氣罩，收集塑料廢氣，風機負壓引風。收集得到的塑料廢氣通入強氧催化氧化處理系統。廢氣首先進入一級濕式噴淋吸收預處理罐，經降溫除塵后，進入多級強氧催化氧化反應罐，最后凈化尾氣通過5m排氣筒低空排放(當地環保部門要求)。具體工藝流程見圖1。

1.1.3工藝原理
強氧催化氧化有機污染物的過程中，臭氧在有催化劑存在的情況下，可分解產生具有較高氧化還原電位的OH˙自由基。臭氧分子與催化劑表面含氧基團通過氫鍵、靜電作用力等形成五元環，然后通過電子轉移的方式分解形成OH˙自由基。OH˙是一種氧化能力很強的自由基，具有較高的氧化還原電位，能迅速氧化廢水中的污染物而幾乎沒有選擇性。O3分子在高溫條件下容易轉化成O2，且煙氣中含塵，易堵塞催化反應罐中的填料，因此，塑料廢氣需要進行降溫除塵預處理。本工程采用一級水噴淋進行預處理。經預處理的廢氣，進入強氧催化氧化反應系統。強氧催化氧化的關鍵處理介質是高濃度改性強氧水。反應過程分為兩個階段：吸收接觸階段和催化氧化階段。
1)吸收接觸階段：經預處理的廢氣從催化氧化罐底部進入，與上部高速高壓向下噴淋的高濃度改性強氧水發生激烈的碰撞接觸。溶有大量O2/O3分子的強氧水在高壓高速下噴過程中形成氣泡。廢氣中的污染物分子“粘附”在強氧水的氣泡上或直接溶解于強氧水中，而得到凈化。未被強氧水吸收的污染物隨氣流繼續前進。
2)催化氧化階段：強氧水中的O3分子在固定相催化填料表面分解產生大量OH˙。產生的OH˙與污染物分子發生一系列鏈式氧化分解反應。氧化反應同時在液相和氣相中進行：一部分污染物在強氧水中發生液相催化氧化反應;另一部分未被強氧水吸收的污染物與飄逸到氣相中的OH˙進行接觸，并發生催化氧化反應。最終廢氣中的污染物得到充分降解，凈化尾氣外排。強氧水又重新恢復了“吸收接觸”能力，繼續作為循環液去吸收接觸廢氣中的污染物。吸收接觸階段和催化氧化階段幾乎是同時進行，相互促進，相輔相成
1.2主要設備設施及經濟技術指標
1.2.1系統風量
示范工程企業共有9條塑料造粒線。每3條造粒線為一個治理單元，每個單元塑料廢氣處理系統的設計風量為6000m3/h。因此，全廠共設置3套強氧催化氧化除臭系統，單個系統風量為6000m3/h，總設計風量為18000m3/h。
1.2.2主要設備設施
塑料廢氣強氧催化氧化除臭系統主要由預處理系統、強氧源發生系統、強氧水制備系統、催化氧化反應系統、動力系統、控制系統等部分組成。具體設備設施情況見表1。

1.2.3經濟技術指標
本工程工藝經濟技術指標詳見表2。

1.3治理成效
示范工程的3套強氧催化氧化處理系統(單套處理風量6000m3/h)于2014年4月中旬安裝調試成功，試運行半年。運行期間，系統運行穩定，無重大故障或檢修。2014年11月，示范工程進行了驗收監測。具體檢測結果見表3和表4。由表3可知，監測期間，企業東南西北廠界的臭氣濃度均在廠界無組織監控濃度20(無量綱)之下，廠界濃度達標。這表明企業塑料廢氣收集處理效果良好。由表4可知，企業3套強氧催化氧化除臭裝置進氣的平均臭氣濃度為1091(無量綱)，出口廢氣的平均臭氣濃度為217(無量綱)。這表明系統對惡臭廢氣凈化較徹底，能做到出口臭氣濃度在300(無量綱)以下。系統進口廢氣的非甲烷總烴平均濃度為8.76mg/m3，出口廢氣非甲烷總烴的平均濃度為2.18mg/m3，系統非甲烷總烴的平均去除率為74.9%。

經強氧催化氧化系統處理后，塑料廢氣的臭氣濃度平均削減了79.8%。這表明，強氧催化氧化除臭系統對低濃度塑料惡臭廢氣的去除效果顯著，能夠做到低濃惡臭廢氣的深度治理。
2推廣應用
示范工程成功應用后，強氧催化氧化處理技術先后在臺州地區的21家塑料造粒企業的惡臭廢氣治理中進行了推廣應用。這些企業涉及PP、PE、PVC、ABS、PC等各種塑料粒子的加工生產。21家塑料造粒企業共應用了28套強氧催化氧化除臭裝置，其中3套設施的單套處理風量為8000m3/h，4套設施的單套處理風量為4000m3/h，其余設施的處理風量均為6000m3/h。經驗收監測，強氧催化氧化除臭裝置對塑料造粒廢氣的臭氣濃度最高可削減84.8%。強氧催化氧化處理系統上馬后，21家塑料造粒企業的廠界臭氣濃度均在20(無量綱)以下，排氣筒臭氣濃度均在500或300(無量綱)以下。這充分說明了強氧催化氧化除臭系統能夠對各種塑料造粒廢氣做到深度治理，有效地解決了惡臭廢氣對周邊居民生活和生產的干擾問題。
3工藝特點及優勢分析
強氧催化氧化技術處理塑料廢氣的治理工程，具有以下工藝特點：
1)系統集預處理系統、強氧源發生系統、強氧水制備系統、催化氧化反應系統、動力系統、控制系統等于一體，布局緊湊，占地面積小。目前，系統已實現成套化。
2)整套系統的設備設施安裝在一個可以移動的底盤中，方便安裝管理。
3)系統采用自動化控制，整個系統操作為一鍵式操作，運行管理方便，安全可靠。
4)塑料廢氣含有煙塵，系統的循環液循環一段時間后，由于雜質的積累需要定期外排。根據實際運行情況看，1套6000m3/h的強氧催化氧化成套系統的小時廢液排放量為120L/h。廢液的主要污染物質為懸浮物和COD。經測定，廢液的COD濃度為210mg/L。因此，系統外排的廢液經過簡單的沉淀處理后，可以直接接入市政污水管網。由此可見，系統產生的廢水污染易于控制，如果嚴格做到廢水納管，則不會對水環境造成明顯的影響。
5)風機安裝在玻璃鋼隔音箱內。系統運行噪音較低，幾乎不會對周邊環境造成明顯影響。
6)塑料廢氣屬于低濃惡臭廢氣(臭氣濃度在2000(無量綱)以下)，凈化系統出口廢氣的臭氣濃度在500(無量綱)以下，且有效削減率達到75%以上。這表明強氧催化氧化系統對塑料惡臭廢氣可以做到深度處理。
7)為期半年的試運行期間，系統運行穩定，無重大故障或檢修。這表明系統運行穩定可靠。
4結論
首次將強氧催化氧化除臭技術應用于塑料廢氣的治理中。系統采用“濕式噴淋預處理+強氧催化氧化”組合工藝，系統實現成套化、自動化，占地面積小，二次污染少，操作簡便，運行穩定安全，對塑料廢氣的除臭效率較高。數十家塑料企業塑料廢氣治理的成功應用實例，充分說明強氧催化氧化廢氣處理技術能夠穩定有效治理各種塑料廢氣。
強氧催化氧化廢氣處理技術中起關鍵作用是OH˙自由基。OH˙自由基可以沒有選擇性的迅速氧化分解污染物。今后，強氧催化氧化廢氣處理技術可嘗試在其他類型的有機廢氣如醫化廢氣、橡膠廢氣、垃圾滲濾液廢氣等治理中進行應用。

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