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读“化工过程设计”有感之五 ——废物最小化 Liutaize 随着国民经济的快速发展，以牺牲环境为代价的发展模式已一去不复返。近年来，环保问题日益突出，各项环保政策日趋完善，要求越来越高。从新建项目审批程序即能看出，若“环评”被否，则项目不能上。若“环评”通过，则后续的工程设计、项目建设实施必须严格按“环评”的要求执行。此外，已建项目若环保不达标，则必须整改，整改后仍不达标一律关停。由此可见，环保问题与生产安全问题一样，在整个项目中处于非常重要的地位。 导致环保问题的废物通常称“三废”，即废气、废液、固废。它们造成的影响有直接和间接两种。对排放废物的处理有两种理念：1、源头治理，即在生产过程中减少或消除废物的排放，达到废物排放最小化的目标。2、末端治理，即采用焚烧或其他生物化学法对排放物进行处理。 废物一旦产生就不能被消灭，它可以被浓缩、稀释或改变其物理化学性质，但不能被消灭。它只是从一个地方转移到另一个地方。因此，上述两种对排放废物的处理理念中，最好的方案为采用源头治理方法，实现废物最小化的目标。此方案同时实现了降低原料费用和降低后续废物处理费用的双重经济效益。如合成气制乙二醇技术中，对含硝酸废水的处理就是一个典型案例。采用源头治理的方案，使其在生产过程中实现最小化，原料硝酸、碱液的消耗将大幅减少，同时后续的处理费用也大幅降低。 下面让我们以“洋葱”模型的分层来逐一分析如何实现源头治理，达到废物最小化的目标。 （1）反应系统废物最小化 ①如果反应转化率较低，而未反应的原料又难于循环再利用，则此部分原料将成为废物。通过如下措施减少此种废物的产生。若为不可逆反应，则增加反应停留时间，利用较高的温度和压力等条件来提高反应转化率。若为可逆反应，则采用过量的反应物，在反应过程中移除产物，根据反应方程式中摩尔分数的变化来调整反应压力或惰性物质浓度，根据吸、放热反应来调节反应温度等措施，提高反应平衡转化率。当然，若未反应原料的分离与再循环没有问题，则不必追求过高的转化率。 ②若反应废物为反应副产品，则通过如下措施实现废物最小化，采用不同的反应路径、调整优化反应器类型、反应物浓度、反应温度压力、催化剂等实现在给定转化率下产品的最大选择性。如焦炉煤气脱硫技术中，通过对催化剂体系的改变，实现对硫的最大选择性，避免生成各种副盐。 ③对进料原料进行精制，减少废物产生。当然，采用此方案还需对因原料精制而增加的费用与原料减少、产品分离及废物处理而减少的费用进行比较，综合评估后确定。 ④提高废物副产品品味，变废为宝，减少废物。如对乙二醇废液混合物中的甲酸甲酯进行加氢生成甲醇，就是一个案例。 ⑤减少催化剂流失或更换造成的废物。均相催化剂的分离与再循环比较困难，而非均相催化剂因失活而必须更换。因此，对于均相催化剂，应使用有效的分离方法，分离反应产物中的催化剂颗粒并再循环利用，减少催化剂流失造成的废物。对于非均相催化剂，如进料或再循环流股中杂质影响催化剂寿命，则对该流股进行净化除杂处理。此外，反应器中流股分布、移热、催化剂装填、加入适当催化剂稀释剂、较完善的仪表控制等措施均能避免局部热点造成催化剂寿命缩短。催化剂强度对寿命也有一定影响，如强度太小，很容易粉化，则可通过成型方式来调整，如用压片代替挤条成型。 （2）分离与再循环系统废物最小化 ①废物直接再循环。巧妙利用废物直接再循环，往往能起到意想不到的效果。这也是减少废物排放最简单的办法。如制硫酸技术中的稀酸循环，尾气净化废液的再循环，或乙二醇技术中的含硝酸废水再循环等均属其中典型案例。但是在大多数情况下，废物流股直接再循环需要增加额外的分离系统或采用不同的分离方法以降低废物的产生。如硫磺回收技术中采用MEDA溶液对硫化氢进行吸收再生后循环，或采用离子液对二氧化硫进行吸收再生后循环等属于其中案例。 在某些情况下，废物流股也可在不同的单元或装置间进行循环利用。如煤化工中PSA装置解析气可送往甲醇装置做原料气用，冷箱或PSA装置解析气可互相循环增加收率，当然需考虑经济性。此外，工艺用蒸汽冷凝液在水质合格的情况下，可直接送往除氧器作为中低压锅炉给水用，而无需送往冷凝液精制处理。以上案例很多，主要受装置独立性及设计者视野等限制。 ②进料提纯，即精制进料减少杂质。一般情况下，对原料进行精制提纯是最好的办法，它不仅对废物最小化，对产品质量、经济性、催化剂寿命等均大有裨益。如脱硫废液制酸技术中空气、富氧、纯氧工艺就是典型案例。当然，针对特定项目还需做综合经济权衡。 ③除去分离过程中加入的多余物质。部分物质的分离较难采用常规分离方法实现。需在分离过程中加入有机或无机溶剂，或是用于沉淀溶液中其他物质的酸和碱等。若加入的这些物质能有效的循环利用，则不会产生大量废物，否则只能改变分离方法，避免出现这类废物。 ④使用附加的废物分离系统提高回收率。上述三种方法都不能有效的减少废物时，就应该考虑如何提高废物流股中有用物质的回收率。通常，增加分离有用物质的设备并将回收的有用物质再循环是比较经济的办法。如草酸二甲酯加氢技术中利用PSA对循环圈驰放气中的氢进行回收，然后循环利用就是最好的案例。 ⑤使用附加的反应和废物分离系统提高回收率。对于某些废物流股需要采用反应和分离的方法来进一步减少废物排放。如克劳斯反应后采用催化氧化或碱洗工艺，湿法制酸技术中采用双氧水洗涤，乙二醇酯化驰放气采用空气中的氧与一氧化氮、甲醇发生酯化反应然后用低温甲醇洗涤吸收，乙二醇与1,2-丁二醇采用反应精馏的方法实现对废物流股的分离等。 （3）换热网络与公用工程系统废物最小化 公用工程系统产生的废物与其他过程产生的废物相比，具有毒性较轻，但由于其量大而造成的后果较为严重的特点。本系统可通过以下措施实现废物最小化： ① 提高过程能量利用率，降低对公用工程的需求量； ② 采用全局排放量的观念，避免仅考虑局部废物排放量； ③ 变换燃料，降低废物的排放量，如用天然气代替煤作为燃料。当然，还需要做经济权衡； ④ 对于蒸汽系统，根据水质情况增加蒸汽冷凝液返回锅炉的比例； ⑤ 对于冷却系统，提高冷水塔的能量利用率，采用闭式凉水塔代替开式凉水塔或用空冷代替水冷等均能减少冷却系统废物排放量。 （4）加工操作过程废物最小化 ①通过对流程及设备的合理设计，选择较为可靠的设备，使其具有较强的适应性，减少停车次数； ②设计合理的物料中间罐及不合格产品罐，当装置停车或其他原因需要对装置进行清洗置换时，可用于物料的贮存，再次开车后再逐步返回系统； ③设计具有较强操作柔性的流程，能快速降低负荷而非停车； ④将间歇操作改为连续操作； ⑤对于多产品转换的生产过程，合理安排生产计划，减少产品转换次数； ⑥根据物料性质，分别设置废料回收系统，并在可能的情况下循环回用。如乙二醇装置中各单元均设置地下槽，用于对不同废料的回收。 ⑦储罐采用内浮顶加氮封的配置，减少储罐呼吸而产生的废物。 （5）产品全生命周期循环分析 在产品全生命周期循环分析中，能观察到一个特定产品从产生到消失的全过程。首先是从自然资源中获得初始原料，接着是一系列的原料转化直到生产出最终的产品，然后是产品的分配及使用，如有可能该产品就应循环利用，最后是产品的最终处理。产品全生命周期中的每个过程都有废物产生。对此过程的分析包括：①首先定义生命循环并定量总资源需要量。即确定了生命循环周转量；②通过生命循环的影响分析，来表征和评定环境排放量的影响；③在定量生命循环周转量和生命循环影响后，生命循环改进分析能提出对环境的改善。 对一个生命循环来说，有时在某个环节不考虑废物最小化，那么它就会在生命循环的其他环节产生问题。所以，对于一个设计者而言，全生命循环分析是非常有用的。
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发表于 2020-2-10 18:30:24
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