謝 娟

（山西科技學(xué)院，山西 晉城 048006）

制藥企業(yè)生產(chǎn)過程中不可避免要用到大量易揮發(fā)性有機(jī)溶劑和生物制劑，必然會(huì)排放大量揮發(fā)性有機(jī)污染物。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局2020 年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，制藥行業(yè)年排放揮發(fā)性有機(jī)污染物量高達(dá)2 403×108 m3，在全年揮發(fā)性有機(jī)污染物總排放量中占比3.6%，是有機(jī)廢氣治理的重點(diǎn)領(lǐng)域。制藥企業(yè)所排放的揮發(fā)性有機(jī)物污染成分較為復(fù)雜，主要包括C2H6O、C3H6O、CHCl3氣體及非甲烷總烴、芳香烴、烯烴、甲苯、二甲苯、低沸點(diǎn)多環(huán)芳烴等，毒性及致癌、致畸、致突變影響巨大，在一定條件下還會(huì)與大氣中的自由基發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，生成二次有機(jī)氣溶膠[1]，破壞大氣環(huán)境及生態(tài)環(huán)境。傳統(tǒng)的生物法、活性炭吸附法、冷凝、燃燒法等處理工藝加藥量大、處理過程復(fù)雜、運(yùn)行維護(hù)成本高、工藝穩(wěn)定性差，無法取得較好的制藥有機(jī)廢氣處理效果。

1 制藥有機(jī)廢氣特點(diǎn)

制藥有機(jī)廢氣與其他行業(yè)廢氣相比，具有產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)多、產(chǎn)生量大、污染物類型復(fù)雜等特征。當(dāng)前大多數(shù)制藥項(xiàng)目屬于化學(xué)合成類制藥項(xiàng)目，其有機(jī)廢氣產(chǎn)生于上料、反應(yīng)、離心干燥、提煉精制、儲(chǔ)罐呼吸、污水處理站等諸多環(huán)節(jié)。從污染因子角度可以將制藥有機(jī)廢氣污染物分成有機(jī)溶劑和反應(yīng)過程污染物兩類，前者包括化學(xué)合成類藥物溶解、分離提純等過程所使用的CH2Cl2、C2H4Cl2、CH3OH、C3H6O 等強(qiáng)揮發(fā)性有機(jī)溶劑；后者則包括化學(xué)合成藥原材料、中間產(chǎn)品加工過程中所釋放的NH3、HCl、SO2、HF 等與有機(jī)廢氣混合排放、且無法分開處理的無機(jī)氣體。

2 制藥有機(jī)廢氣治理原理

制藥有機(jī)廢氣末端控制技術(shù)主要分為回收技術(shù)和銷毀技術(shù)兩大類。其中回收技術(shù)主要借助物理技術(shù)，通過改變制藥有機(jī)廢氣溫度、壓力，或者是應(yīng)用選擇性滲透膜、吸附劑等措施富集分離制藥有機(jī)廢氣污染物，根據(jù)處理措施不同，又可以分為吸收吸附技術(shù)、膜分離技術(shù)、冷凝技術(shù)等。銷毀技術(shù)則主要借助生化或化學(xué)反應(yīng)，通過光、熱、催化劑、微生物等將制藥有機(jī)廢氣轉(zhuǎn)化為CO2、水等無毒性無機(jī)小分子化合物，就處理措施而言，包括催化燃燒、生物氧化、低溫處理、光催化氧化等。

根據(jù)《揮發(fā)性有機(jī)物污染防治技術(shù)政策》，高濃度揮發(fā)性有機(jī)物廢氣必須先進(jìn)行冷凝回收及變壓吸附回收，將其中的揮發(fā)性有機(jī)物回收利用后，再結(jié)合其余輔助性治理技術(shù)達(dá)到達(dá)標(biāo)排放的目的；中等濃度揮發(fā)性有機(jī)物廢氣，則應(yīng)先通過吸附技術(shù)回收有機(jī)溶劑，或通過催化燃燒及熱力焚燒技術(shù)凈化處理，污染程度達(dá)標(biāo)后排放；有回收價(jià)值的低濃度揮發(fā)性有機(jī)物廢氣，應(yīng)通過吸附技術(shù)回收有機(jī)溶劑后達(dá)標(biāo)排放；而無回收價(jià)值的低濃度揮發(fā)性有機(jī)物廢氣，應(yīng)通過吸附濃縮燃燒技術(shù)、等離子及生物技術(shù)凈化、達(dá)標(biāo)排放[2]。

3 制藥有機(jī)廢氣治理工藝

考慮到制藥有機(jī)廢氣中包含大量的C2H6O、C3H6O、CHCl3氣體及非甲烷總烴、甲苯、二甲苯等，本研究主要提出噴淋塔預(yù)處理+活性炭吸附+熱風(fēng)脫附濃縮+催化燃燒的制藥有機(jī)廢氣治理工藝。若制藥廢氣中所含CHCl3氣體含量較高時(shí)，應(yīng)選擇青菁石催化劑，并經(jīng)噴淋塔充分吸收后再進(jìn)行后續(xù)處理，以避免該氣體影響催化劑的作用。

3.1 處理設(shè)備

3.1.1 廢氣噴淋塔

當(dāng)含塵制藥廢氣以一定速度經(jīng)進(jìn)氣管進(jìn)入噴淋塔后沖擊水層，使氣體運(yùn)動(dòng)方向改變，但塵粒因質(zhì)量較大，會(huì)在慣性作用下繼續(xù)按照原方向運(yùn)動(dòng)，大部分塵粒黏附水后停留于水中。受到?jīng)_擊水浴作用后，部分塵粒隨氣體運(yùn)動(dòng)，與水霧發(fā)生沖擊后與循環(huán)噴淋水結(jié)合，在廢氣噴淋塔內(nèi)充分混合，這一過程中塵粒也隨之被水捕集，離心、過濾、脫離處理后的塵水在重力作用下經(jīng)塔壁流入循環(huán)池，凈化后外排。廢氣處理塔作為使含塵氣體和水充分洗浴作用的除塵器，主要由設(shè)備主體、進(jìn)排氣管、水池、噴頭、水浴循環(huán)系統(tǒng)等部分組成，結(jié)構(gòu)簡單。該設(shè)備能通過容器內(nèi)含水率的調(diào)整改變氣流方向、調(diào)整氣流速度，使其與含塵廢氣充分混合后增大塵粒比重和黏附性能，使水塵順利脫離。

本設(shè)計(jì)所采用的廢氣噴淋塔采用多級(jí)噴淋處理，其五層吸收塔中每兩層間隔裝填拉西環(huán)填料，從吸收塔下部向上的廢氣以及從塔頂噴下的吸收劑能充分接觸，廢氣吸收效果好；還能通過調(diào)整吸收劑種類，有效吸收包括酸性物料廢氣、苯酚、苯乙烯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯等在內(nèi)的多種類型廢氣，適用范圍較為廣泛。廢氣噴淋塔構(gòu)成情況及作用原理具體見圖1。

圖1 廢氣噴淋塔結(jié)構(gòu)

3.1.2 吸脫附、過濾及催化燃燒設(shè)備

制藥有機(jī)廢氣催化燃燒治理PH-CO-4000 型設(shè)備安裝于車間工房房頂，將原處理系統(tǒng)管道拆開后調(diào)整走向，并將其與另一套處理系統(tǒng)管道一同接入催化燃燒處理系統(tǒng)，處理后的氣體主要通過煙囪達(dá)標(biāo)排放。設(shè)備所用風(fēng)機(jī)全部為防爆電機(jī)，控制柜也全部為防爆柜，整套設(shè)備總質(zhì)量約10 t，占地尺寸為20 000 mm×2 000 mm×2 500 mm，設(shè)備處理風(fēng)量40 000 m3/h，包含3 個(gè)規(guī)格2 200 mm×2 500 mm 的吸附箱；使用高碘值、高比表面積、表觀流速1.0 m/s 的活性炭，并在3 個(gè)吸附箱內(nèi)各裝填9 m3；單箱脫附時(shí)間為3 h、降溫時(shí)間30 min；催化劑裝填量為0.2 m3。

PH-CO-4000 型制藥有機(jī)廢氣催化燃燒設(shè)備主要由吸附床、過濾器、催化燃燒床、阻火器、吸附及脫附風(fēng)機(jī)等部分組成，具體配置情況詳見表1。

表1 PH-CO-4000 型制藥有機(jī)廢氣催化燃燒設(shè)備配置

3.2 工藝流程

3.2.1 預(yù)處理

經(jīng)過廢氣噴淋塔處理后制藥有機(jī)廢氣中廢水和塵粒順利脫離，所收集到的廢水直接采用凈化處理技術(shù)治理達(dá)標(biāo)后排放；而塵粒還需進(jìn)一步處理。待處理塵粒中包含大量水氣和塵雜，如果直接進(jìn)入吸附裝置處理，必將堵塞吸附材料微孔，影響吸附效果，甚至引發(fā)處理設(shè)備損壞。為此，本工藝在吸附床前設(shè)置高效干式過濾器，將待處理塵粒先進(jìn)行預(yù)處理。該過濾器組合濾網(wǎng)層內(nèi)設(shè)置多層纖維過濾材料，并在過濾材料前后設(shè)置壓差傳感器，在預(yù)處理過程中若壓差達(dá)到800 Pa～1 000 Pa 的設(shè)定上限后，控制系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)發(fā)出過濾材料更換的提示預(yù)警。

3.2.2 吸附

將塵粒內(nèi)的水氣和塵雜去除后，還應(yīng)經(jīng)過布風(fēng)系統(tǒng)使廢氣均勻通過固定吸附床吸附層的過流斷面，達(dá)到吸附作用。本研究所提出的制藥有機(jī)廢氣治理系統(tǒng)包括3 臺(tái)固定吸附床，其中，2 臺(tái)主要用于吸附，1 臺(tái)則用于脫附再生，以保證吸附過程持續(xù)進(jìn)行。固定吸附床內(nèi)吸附材料主要采用活性炭，具體而言，使用的是高碘值蜂窩狀活性炭吸附劑，通過吸附過程以及脫附再生和催化燃燒，凈化、吸附制藥有機(jī)廢氣中脫水除塵處理后的塵粒。當(dāng)活性炭箱達(dá)到飽和狀態(tài)后，系統(tǒng)便對(duì)活性炭箱自動(dòng)展開脫附處理，借助熱空氣使飽和活性炭脫附再生。脫附得到的濃縮有機(jī)物隨即送至燃燒床與催化劑反應(yīng)，形成無毒無害的CO2和水；燃燒過程中所釋放的熱空氣則經(jīng)由高效換熱器降溫處理，處理后的氣體部分用于活性炭脫附再生過程。

這一過程中吸附風(fēng)機(jī)采用PLC 變頻控制技術(shù)，并通過微壓與匯總管道聯(lián)動(dòng)，通過管道內(nèi)負(fù)壓值的調(diào)節(jié)達(dá)到確保系統(tǒng)通風(fēng)的目的。如遇前端排負(fù)壓量不足，則吸附風(fēng)機(jī)會(huì)在變頻控制技術(shù)的自動(dòng)調(diào)控下提高頻率；相反，則會(huì)自動(dòng)降低頻率，確保通風(fēng)順暢，節(jié)能降耗。

3.2.3 脫附、催化燃燒

當(dāng)吸附床達(dá)到飽和狀態(tài)后便自動(dòng)停止吸附過程，并通過閥門切換而轉(zhuǎn)變?yōu)槊摳綘顟B(tài)。在首次開啟催化燃燒床時(shí)，必須進(jìn)行設(shè)備內(nèi)部催化劑預(yù)熱處理，產(chǎn)生熱空氣且設(shè)備床層溫度達(dá)到預(yù)定值后將熱空氣送入吸附床；活性炭在受熱狀態(tài)下便會(huì)析出高濃度有機(jī)氣體，由脫附風(fēng)機(jī)將有機(jī)氣體引入催化燃燒床，進(jìn)而在貴金屬催化劑作用下發(fā)生低溫?zé)o焰催化燃燒，其中的有機(jī)成分便會(huì)迅速轉(zhuǎn)化為無毒無害的CO2和水。燃燒過程所釋放的熱量部分由蓄熱層吸收后存儲(chǔ)于催化燃燒床內(nèi)部繼續(xù)維持燃燒過程，部分則通過熱轉(zhuǎn)換和混流作用轉(zhuǎn)換為脫附氣體，繼續(xù)用于制藥有機(jī)廢氣塵粒脫附再生過程[3]。

催化燃燒床內(nèi)設(shè)置有多組遠(yuǎn)紅外電加熱器，預(yù)熱階段全部開啟，以便在短時(shí)間內(nèi)將制藥有機(jī)廢氣塵粒加熱至處理溫度。為達(dá)到節(jié)能降耗的目的，在進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段后，可將電加熱器全部關(guān)閉，充分利用由蓄熱層吸收的燃燒過程所釋放的熱量維持燃燒過程。

在這一處理過程中，補(bǔ)冷風(fēng)機(jī)在所燃燒制藥有機(jī)廢氣濃度較高、反應(yīng)溫度較高情況下自動(dòng)開啟，以便對(duì)降溫、催化燃燒床高效安全運(yùn)行過程補(bǔ)充新風(fēng)；補(bǔ)冷風(fēng)機(jī)應(yīng)與脫附風(fēng)機(jī)串聯(lián)，脫附風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所需新風(fēng)也主要由補(bǔ)冷風(fēng)機(jī)提供。

3.3 治理效果

本研究所提出的制藥有機(jī)廢氣治理工藝應(yīng)用后吸附凈化率和催化凈化率可分別達(dá)到75%及95%以上，凈化設(shè)施運(yùn)行阻力小；所使用的活性炭材料吸附性能良好，非金屬催化劑使用壽命長且處理效率高。該治理方式下，制藥有機(jī)廢氣處理效率也與其排放量變化過程相吻合，即隨著生產(chǎn)投料量的增大，廢氣濃度持續(xù)增大，其中有機(jī)污染物含量較大，系統(tǒng)處理效率也隨之提升，此后隨著投料及生產(chǎn)過程的結(jié)束，有機(jī)廢氣排放濃度降低，有機(jī)污染物含量隨之下降，系統(tǒng)處理效率也隨之降低。

該處理工藝費(fèi)用主要來自廢氣噴淋塔、吸附脫附床、催化劑等費(fèi)用，若制藥有機(jī)廢氣年操作時(shí)數(shù)為2 000 h，則該系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用約為15.26 萬元，其中，廢氣噴淋塔、高效干式過濾器、固定吸附床、催化燃燒床、阻火器、吸（脫）附風(fēng)機(jī)、PLC 控制系統(tǒng)、其余系統(tǒng)耗電量分別為28、34、10、10、5、12、5、18 MWh，費(fèi)用分別為2.23、2.71、2.40、0.79、0.39、0.94、0.39、1.41 萬元；非金屬催化劑消耗量為200 L（催化劑壽命按照6 000 h計(jì)），費(fèi)用為4 萬元。該處理系統(tǒng)比單獨(dú)使用活性炭吸附以及其他處理工藝處理效率高，運(yùn)行費(fèi)用更低。

4 結(jié)論

綜上所述，制藥有機(jī)廢氣產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)多、產(chǎn)生量大、污染物類型復(fù)雜、處理難度大，根據(jù)國家相關(guān)揮發(fā)性有機(jī)物污染處理要求，制藥有機(jī)廢氣治理必須嚴(yán)格源頭控制，提升冷凝回收效率，準(zhǔn)確確定廢氣污染物種類、產(chǎn)生濃度及產(chǎn)生量；基于此選用合理適用的治理工藝，保證廢氣污染物達(dá)標(biāo)排放。根據(jù)應(yīng)用效果，本研究所提出的噴淋塔預(yù)處理+活性炭吸附+熱風(fēng)脫附濃縮+催化燃燒的制藥有機(jī)廢氣治理工藝能有效治理制藥廢氣中所包含的大量的C2H6O、C3H6O、CHCl3氣體及非甲烷總烴、甲苯、二甲苯等有毒有害物質(zhì)，且處理效率也與制藥有機(jī)廢氣排放量變化過程相吻合，保證治理效果的同時(shí)還有助于能耗量的降低。