合成革废气的吸收法治理技术研究
1.引言
合成革是以高密织布（非织造）作为基布进行聚氨酰浸渍和涂层加工后的产品。由于合成革产品应用领域的迅速扩大、产品的高附加值，其生产规模逐步扩大，但由此引发的废气排放和环境问题也逐渐凸显。因此，采取经济实用的治理技术，开发合适的工艺流程，使众多合成革厂的废气排放指标达到国家标准，具有重要的现实意义。
2.合成革生产的环境问题
合成革生产过程中废气的主要来源为有机溶剂的挥发、其来源包括树脂及溶剂在配料、运输、存放时的挥发；涂覆或含浸等加工过程中有机物的挥发；在烘箱加热时有机物的挥发；后处理过程中有机物的挥发。废气污染物同具体工艺及配方组成有关。对于一定工艺配方往往可以更改，所以其产生的具体污染物也并不固定。干法工艺生产过程中一般的有机溶剂污染物有：DMF、甲苯、二甲苯、丁酮等；湿法工艺生产过程中一般的有机污染物有DMF。
二甲基甲酰胺（DMF）作为溶剂近年来使用量剧增，它的用途很广，主要用作高分子合成的溶剂或中间原料，特别是用作聚丙烯晴纤维的纺丝溶剂，也用于制造人造革或皮革（或称PVC面料、镭射革、防水布）表面材料时作为聚氨基甲酸酯树脂的处理溶剂，还被用作石油制品如：乙烯、丁烯的分离提取溶剂、乙炔的回收和防虫防锈涂料的溶剂等。二甲基甲酰胺属中等偏低的有毒物质，可经呼吸道、皮肤和消化道侵入机体，引起中毒反应。
3.合成革废气的治理技术
3.1合成革主要生产工艺及产污简介
合成革生产工艺（工序、流程）种类较多。根据要求，一种产品往往需要多种生产工艺进行组合生产。通常以一种材料为基材，在上面涂覆一层或多层合成树脂（包括各种添加剂）制成的一种外观似皮革的产品。所用的基材有各类织布、合成纤维无纺布、皮革等，也有无基材的产品。涂覆的合成树脂主要为聚氨酯（PU）、聚氯乙烯（PVC），据资料介绍还有聚酰胺（PA）和聚烯烃（如聚乙烯PE、聚丙烯PP）等，在此重点介绍干法和湿法的生产工艺。
3.1.1干法生产工艺
干法生产工艺用于聚氨酯（PU）、聚氯乙烯（PVC）及聚烯烃（如聚乙烯PE、聚丙烯PP）等合成革的生产，包括直接涂覆法和间接涂覆法（离型纸法、钢带法等）。其主要工艺流程是将涂层物质涂覆（直接涂覆或间接涂覆再贴合）并烘干的过程，其中最常见的为离型纸法。
离型纸干法典型生产工艺流程图1。
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3.1.2湿法生产工艺
湿法生产工艺主要是聚氨酯（PU）合成革生产工艺，生产的结果一般还是半成品（称为“贝斯”），一般再经干法工艺或其它后处理后才成为成品。湿法工艺包括浸渍（含浸）、涂覆工艺或两种工艺组合。
一般湿法工艺流程见图2。
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3.1.3合成革的废气污染物
废气污染物同具体工艺、配方组成有关。对于一定工艺，配方往往可以更改，所以其产生的具体污染物也并不固定。生产过程中一般的污染物有：
（1）聚氨酯干法工艺：有机溶剂（DMF、甲苯、二甲苯、丁酮等）
（2）聚氨酯湿法工艺：有机溶剂（DMF）
（3）聚氯乙烯等相关工艺：增塑剂烟雾（邻苯二甲酸二辛酯等）、氯乙烯、氯化氢、有机溶剂、铅
（4）后处理工艺：有机溶剂（DMF、甲苯、二甲苯、丁酮、乙酸丁脂等）、颗粒物
（5）超纤工艺：有机溶剂（DMF、甲苯、二甲苯等）
3.2合成革废气的治理技术
制革生产工艺中加入甲苯、丁酮和DMF作为溶剂，由于较易挥发、回收困难，这些溶剂大部分随着废气排入环境中。目前，对于高浓度的有机废气的净化处理，人们早就有研究，而且已经开发出一些卓有成效的控制技术。在这些控制技术中研究较多并且广泛采用的有吸附法、热破坏法、冷凝法、吸收法等。近年来形成的新控制技术有生物膜法、电晕法、臭氧分解法、催化燃烧法和等离子体分解法等。但对于低浓度有机废气，净化处理难度大且费用高。因而这类工业废气的净化处理在国内外都是环境保护的难题之一。
废气处理方法一般有：焚烧法、吸收法、吸附法、催化燃烧法、冷凝法、静电法和玻纤过虑器法等。对较稀有机溶剂废气采用催化燃烧法的很多。我国加入WTO后，国家对环境的治理越来越严格。而现在的制革废气中有机物含量达不到新的排放标准，已有方法少且不理想。合成革废气治理技术的发展是随着合成革工艺的改变而不断变化的。合成革生产中DMF使用规模与其它工业相比并不算大，但回收技术并不简单。与主体设备相比，回收设备费用的投资相当高。废弃物回收利用是合成革行业最有潜力的清洁生产途径，经济效益明显。我国DMF大部分需进口，且价格昂贵，回收DMF可大幅度节约成本，具有重要的现实意义。
干法生产线的有机废气主要在烘箱和涂台等处产生。废气排放特征为：废气温度低，一般低于75℃；废气量大，一条典型的干法生产线排放含DMF工艺废气的量约为大于2000～25000m3/h；废气中有机物污染物浓度高，其中DMF的浓度约为1500ppm；污染物DMF可与水混溶。根据以上废气特征，可以将干法生产线DMF废气进行回收利用。现有制革废气治理技术一般采用水喷淋塔吸收并回收废气中DMF，或者活性炭吸附废气中有机溶剂，再经直接燃烧处理。喷淋水吸收法虽然能较好地除去废气中的DMF，但对甲苯和丁酮的去除率很低，甲苯和丁酮依然随着废气排入大气中。活性炭吸附在制革废气治理中，由于气量较大，活性炭再生困难。现多采用吸附饱和后直接送去燃烧的方式，因此运行费用很高，一般企业难以承受。我国有些合成革厂采用分段浓缩提取法，即将初始溶剂蒸发最浓缩的区域中，采取有形隔绝稀薄区域的措施，将此段浓废气单独吸出处理。有些厂采用串联多级吸收塔，循环吸收，直到允许排放浓度才放空。要串联多少塔那就取决于废气的排放浓度。
4.基于绿色设计概念的吸收法治理工艺
绿色设计和绿色产品的概念最早出现在70年代。经过几十年的发展，对绿色设计已有了较为科学的定义。绿色设计是以环境资源为核心概念的设计过程，即在产品的整个生命周期内，优先考虑产品的环境属性，如可拆卸性、可回收性等，并将其作为产品更新换代的设计目标，在满足环境目标的同时保证产品的理化目标。绿色设计综合了面向对象设计，并进行工程、寿命周期设计等，包含了产品从概念形成到生产制造，乃至废物的回收、再用及处理的各个阶段，即涉及到产品的整个生命周期。
本文在此从绿色设计的概念出发，遵循绿色设计的目标和原则，最大限度地提高产品的资源和能源利用率，降低产品生命周期成本，使产品的环境污染最小化。在合成革废气治理工艺设计的过程中，通过应用溶剂绿色化技术，在不引入新的有机溶剂的前提下，高效率地吸收回用废气中的甲苯、丁酮和DMF，从而能够产生明显的环境效益、社会效益和经济效益，下面以某合成革厂的废气治理为例进行说明。
4.1废气排放工艺参数
表1现有合成革生产工艺废气参数
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由表1中的各项工艺参数可以发现，现有废气特点是废气排放量大，废气中所含的有机溶剂－DMF、甲苯和丁酮的溶解特性存在差异。针对该厂的废气排放特点，选用现有的废气治理工艺中较为经济成熟的吸收法，结合该合成革厂的实际情况和治理需要，进行工艺设计，选用DMF作为吸收剂。利用厂方已经有喷淋塔水吸收DMF设备、水－DMF蒸发回收系统、排气筒和风机等设施，重点考虑去除废气中的甲苯和丁酮。
4.2工艺原理
本工艺设计的关键是以两级吸收塔设备来分别吸收废气中的甲苯、丁酮和DMF。填料塔或板式塔作为第一级吸收设备，DMF作为吸收溶剂来吸收废气中的甲苯和丁酮，并配以包括系列换热器、蒸发器、回收溶剂接受槽、输送泵、真空泵等设备的有机溶剂蒸发回收系统，从废气中吸收分离出甲苯和丁酮。DMF则随废气进入第二级吸收设备。第二级吸收设备为喷淋塔或板式塔，水作为吸收溶剂来吸收废气中的DMF，经吸收净化后的废气排放。回收的DMF一部分用作第一级吸收设备的吸收溶剂，其余的DMF和回收的甲苯、丁酮用于生产或者出售。该工艺设计的有益效果是，可以在不引入新的有机溶剂情况下，高效率地吸收回用废气中的甲苯、丁酮和DMF，具备明显的社会效益和经济效益，并使得废气中的上述三种有机溶剂成分能达标排放。
4.3工艺流程
为了不增加新的污染成分，同时有效利用厂方现有的水吸收DMF设备，降低投资和运行成本，在此采用DMF－水联合吸收工艺。工艺流程简图如图1所示。
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第一级吸收系统：由换热器（DMF－Air）、填料塔、风机1、甲苯/丁酮真空蒸发设备合相应的辅助设备组成，主要吸收和回收废气中所含的甲苯、丁酮。吸收设备采用填料塔，塔内装规整填料，吸收溶剂选用DMF溶液。第二级吸收系统：由喷淋塔、风机2、DMF常压蒸发回收设备和相应的辅助设备设施组成。根据DMF的溶解特性，选用水作为吸收溶剂。DMF常压蒸发回收设施选用厂方现有设备。在厂方已有水吸收DMF系统的情况下，只需在收集好的废气出口至水吸收DMF设备之间添加第一级吸收系统，形成完整的废气中有机溶剂治理回用装置，从而大幅度降低系统的投资费用。
整个装置工作时，收集好的有机废气先进入DMF－Air换热器进行预降温，从填料塔底出来的吸收了甲苯、丁酮的DMF溶液在此进行预升温。从DMF－Air换热器中出来的废气进入填料塔，填料塔内装有SM350型板波填料，采用DMF溶液作为溶剂来吸收废气中的甲苯和丁酮。在此过程中，甲苯和丁酮绝大部分被溶剂吸收而进入DMF溶液，DMF溶液对甲苯和丁酮的吸收效率高达95％，从而保证尾气中甲苯和丁酮成分的达标排放。进入吸收溶剂的甲苯和丁酮从塔底经过DMF－Air换热器进入“甲苯/丁酮真空蒸发系统”。在此吸收过程中，废气中因带出而新增加的DMF及原有的DMF气体从塔顶出来后经过引风机切向进入喷淋塔。气体在喷淋塔内旋转上升，与自上而下的吸收溶剂水雾接触发生吸收作用，由于水对DMF的吸收作用非常强，因此在该塔中基本能完全除去废气中的DMF成分。从喷淋塔底出来的吸收了DMF的水溶液经过泵进入厂方原有的DMF常压蒸发系统进行DMF和水的蒸发分离。为了减少废气中的含水率，应在喷淋塔顶部加装特殊设计的旋转除雾板，防止风机带水，影响系统的正常运行。从喷淋塔顶部出来的废气经过引风机后通过排气筒排入大气。从填料塔底出来的吸收了甲苯、丁酮的DMF溶液在泵送作用下先进入。
DMF－Air换热器与废气热交换进行预升温。之后，含溶质的DMF溶液进入DMF换热器，蒸汽作为加热源，在这里DMF溶液被加热到100℃。DMF经加热后进入真空蒸发器，在真空蒸发器中，由于甲苯和丁酮的沸点比DMF低，丁酮和甲苯先从溶液中蒸馏出来进入甲苯丁酮冷凝器，在甲苯丁酮冷凝器中冷凝后，甲苯和丁酮进入溶剂接受槽，甲苯、丁酮液体从溶剂接受槽底部进入回收有机溶剂罐进行回收，然后再次应用生产。从真空蒸发器中出来的DMF溶液由DMF泵送至DMF冷却器，在DMF冷却器中和冷却水进行热交换从而降温至300℃，再循环回填料塔作为溶剂使用。整个管路的真空度由后续的真空泵提供真空度。在整个循环过程中，由于雾沫夹带等原因，DMF溶液会有少量的损耗，因此，应当定期补充适量DMF溶液。
5结论
本文对合成革废气的来源及环境问题进行分析，对合成革废气的治理技术进行了讨论，在绿色设计概念的基础上，建立了绿色设计概念和吸收法合成革废气处理工艺流程，并对流程进行了详细分析和介绍，可供类似工程借鉴。
参考文献
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