針對(duì)制藥行業(yè)干燥廢氣處理不完全、異味大、余熱無(wú)法回收等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種由熱管、水盤管、熱泵等組成的廢氣零排放熱泵系統(tǒng)。通過(guò)閉式除濕、廢氣處理和加熱升溫，保證了氣體的循環(huán)再利用質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)近零排放和余熱回收。系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果顯示: 在平均送風(fēng)溫度為65. 1 ℃，相對(duì)濕度為21. 1%和風(fēng)量為12 000 m3 /h 的條件下，該系統(tǒng)的熱泵機(jī)組性能系數(shù)(COP) 為4. 7，系統(tǒng)單位功耗除濕量(SMEＲ) 為8. 5 kg /( kW·h) 。對(duì)循環(huán)氣體成分分析顯示，熱泵機(jī)組對(duì)廢氣中揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs) 的吸收率為73. 2%，且在一個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)不存在不凝性易燃易爆氣體的累積。
隨著醫(yī)藥工業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)成為醫(yī)藥大國(guó)。與此同時(shí)產(chǎn)生的工業(yè)廢氣也逐年增加，環(huán)保問(wèn)題凸顯。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 2010 年制藥行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物( volatile organic compounds，VOCs) 排放總量約為2. 58 ×108 kg，2015 年約為4. 27 × 108 kg，6 年期間增長(zhǎng)65. 4%［1］。與此同時(shí)，隨著《“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》的發(fā)布，國(guó)家提出了對(duì)重點(diǎn)行業(yè)主要污染物排放強(qiáng)度降低10%的要求［2］。發(fā)酵類原料藥生產(chǎn)作為制藥行業(yè)污染防治的重點(diǎn)，“十四五”規(guī)劃的出臺(tái)標(biāo)志著對(duì)大氣污染物的防治提升至新水平。生物發(fā)酵制藥行業(yè)產(chǎn)生的主要污染物是VOCs 和異味［3］。VOCs 是指具有光化學(xué)反應(yīng)活性的物質(zhì)，作為臭氧(O3) 和細(xì)顆粒物( fine particulate matter，PM2. 5) 的前體，VOCs 會(huì)參與光化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致光化學(xué)煙霧和二次有機(jī)氣溶膠污染。此外，部分VOCs 具有致癌性、致畸性和致突變效應(yīng)，對(duì)人類健康構(gòu)成重大威脅［4］。而異味的擴(kuò)散影響了周邊居民的生活質(zhì)量，導(dǎo)致企業(yè)常收到周邊居民的環(huán)保投訴［5］。
發(fā)酵制藥行業(yè)廢氣主要來(lái)源于發(fā)酵、分離、提取、干燥等環(huán)節(jié)［6］。發(fā)酵、分離、提取等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的VOCs大部分屬于無(wú)組織排放，主要來(lái)源于非密封工藝過(guò)程，處理難度和成本較高。而針對(duì)干燥等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的VOCs 采用有組織排放，也稱末端治理技術(shù)。目前常見(jiàn)的VOCs 末端處理技術(shù)包括焚燒［7］、催化氧化［8－9］、光催化［10－11］、等離子體技術(shù)［12－13］ 和生物降解［14］ 等。VOCs 處理方案一般會(huì)綜合廢氣組成濃度、環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)以及經(jīng)濟(jì)性和實(shí)際的生產(chǎn)情況采用一種或幾種技術(shù)的組合［15］，例如采用臭氧+紫外線+噴淋［16］、吸附濃縮+蓄熱催化燃燒［17］、濕式噴淋+等離子體［18］和等離子體+光催化技術(shù)［19］等。現(xiàn)有方案雖然能將廢氣處理至達(dá)標(biāo)排放的標(biāo)準(zhǔn)，但依然存在異味處理不徹底的問(wèn)題。此外，溫度較高的干燥廢氣經(jīng)過(guò)末端處理后直接對(duì)空排放，廢氣中的余熱未得到利用。
針對(duì)上述問(wèn)題，本團(tuán)隊(duì)利用熱泵干燥技術(shù)［20－21］設(shè)計(jì)了一種干燥廢氣閉路循環(huán)系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，為該技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用推廣提供參考。
1、實(shí)驗(yàn)裝置及方法
1.1實(shí)驗(yàn)裝置
以某發(fā)酵制藥公司的干燥工序?yàn)槔瑐鹘y(tǒng)的干燥過(guò)程為鼓風(fēng)機(jī)將室外新風(fēng)引入系統(tǒng)經(jīng)過(guò)加熱后干燥物料，干燥后高溫高濕的廢氣經(jīng)過(guò)除塵裝置除塵后送入噴淋塔和等離子體裝置處理后直接對(duì)空排放。現(xiàn)有的干燥廢氣閉路循環(huán)系統(tǒng)的原理如圖1 所示［15］，在不改變?cè)懈稍锕に嚨幕A(chǔ)上，經(jīng)過(guò)除塵處理后的高溫高濕廢氣送入閉路循環(huán)熱泵除濕加熱機(jī)組，在機(jī)組內(nèi)部經(jīng)過(guò)降溫除濕、VOCs 吸收和再熱后變成可循環(huán)利用的高溫低濕氣體，由鼓風(fēng)機(jī)送入系統(tǒng)加熱后重新參與干燥過(guò)程。與原有干燥過(guò)程相比，閉路循環(huán)系統(tǒng)對(duì)干燥過(guò)程排出的廢氣進(jìn)行全封閉回路的處理和回收利用，實(shí)現(xiàn)了在整個(gè)處理過(guò)程中無(wú)直接對(duì)空氣體排放。同時(shí)經(jīng)過(guò)處理后的氣體溫度可達(dá)50 ～ 70 ℃，對(duì)比使用環(huán)境新風(fēng)加熱干燥，節(jié)約了加熱裝置的能源。
圖1 干燥廢氣閉路循環(huán)系統(tǒng)原理
熱泵除濕加熱機(jī)組原理如圖2 所示。圖中點(diǎn)1～11 代表循環(huán)氣體在熱泵機(jī)組內(nèi)的不同位置。系統(tǒng)主要由1 級(jí)熱管系統(tǒng)、4 級(jí)水盤管系統(tǒng)和2 級(jí)熱泵系統(tǒng)組成，所有換熱器均采用并聯(lián)方式布置。熱管系統(tǒng)由蒸發(fā)器、冷凝器和氟泵等部件組成，使用制冷工質(zhì)為Ｒ22。熱管系統(tǒng)能回收廢氣中的熱量，降低熱泵蒸發(fā)器的冷負(fù)荷和熱泵冷凝器的熱負(fù)荷，增強(qiáng)熱泵除濕系統(tǒng)的除濕效率。水盤管系統(tǒng)由多級(jí)水盤管、水泵、水閥等部件組成，用來(lái)除去系統(tǒng)中多余的熱量，平衡系統(tǒng)中的冷負(fù)荷與熱負(fù)荷。熱泵系統(tǒng)包括蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥、氣液分離器、干燥過(guò)濾器等部件，采用Ｒ134a 制冷劑。熱泵系統(tǒng)能夠利用電能實(shí)現(xiàn)熱量搬運(yùn)的效果，是實(shí)現(xiàn)冷凝除濕和熱量回收關(guān)鍵裝置。4 級(jí)水盤管按照空氣流經(jīng)順序分別定義為1#、2#、3#、4#水盤管，2 級(jí)熱泵機(jī)組按照空氣流經(jīng)蒸發(fā)器順序分別定義為1#、2#熱泵機(jī)組。
圖2 熱泵除濕加熱機(jī)組原理
循環(huán)氣體焓－濕度變化過(guò)程如圖3 所示。1 ～ 11表示與圖2 對(duì)應(yīng)循環(huán)氣體在熱泵機(jī)組內(nèi)不同位置的氣體狀態(tài)。1－2 表示廢氣經(jīng)過(guò)熱管蒸發(fā)器的冷卻過(guò)程，過(guò)程2－3、3－4、4－5 和5－6 分別表示在1#、2#、3#和4#水盤管內(nèi)的降溫除濕過(guò)程，除濕過(guò)程6－7 和7－8 分別發(fā)生在1#和2#熱泵蒸發(fā)器中。過(guò)程8－9、9－10 和10－11 表示氣體經(jīng)過(guò)熱管冷凝器、2#和1#熱泵冷凝器加熱升溫。
圖3 循環(huán)氣體焓濕圖
氣體在降溫除濕過(guò)程中，當(dāng)溫度降至露點(diǎn)溫度以下時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的冷凝水，廢氣中VOCs 會(huì)被在換熱器表面析出的冷凝水吸收，隨冷凝水從排水管道排出系統(tǒng)。除濕后的氣體(8) 經(jīng)過(guò)多級(jí)加熱后(11) 從熱泵除濕加熱機(jī)組送入蒸氣加熱裝置，加熱后(a) 對(duì)物料干燥，干燥后的氣體(1) 再送入熱泵除濕機(jī)組，如此實(shí)現(xiàn)氣體循環(huán)。
1.2實(shí)驗(yàn)儀器與材料
為了測(cè)試閉路循環(huán)熱泵除濕加熱機(jī)組的實(shí)際工作性能，需要對(duì)進(jìn)入系統(tǒng)的風(fēng)量、風(fēng)溫、濕度和系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)過(guò)各級(jí)換熱器的氣體溫度、濕度等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)中主要采用的測(cè)量?jī)x器參數(shù)如表1所示。
表1 測(cè)量?jī)x器相關(guān)參數(shù)
實(shí)驗(yàn)中以某公司發(fā)酵壓濾后的濾餅A為干燥原料，初始物料含水率為50%～55%，干燥結(jié)束后含水率在8%以下。
1.3實(shí)驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)在某公司實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)期間當(dāng)?shù)仄骄鶜鉁貫?～15 ℃，系統(tǒng)送風(fēng)溫度為65. 1 ℃，相對(duì)濕度為21. 1%，風(fēng)量約為12 000 m3 /h。廢氣近零排放，熱泵除濕系統(tǒng)由設(shè)定程序?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，依此開(kāi)啟出料裝置、熱泵除濕機(jī)組、風(fēng)機(jī)、蒸氣加熱器等裝置，隨著進(jìn)入熱泵機(jī)組送風(fēng)溫度的升高，機(jī)組會(huì)根據(jù)監(jiān)測(cè)的水盤管溫度、器間溫度和出風(fēng)溫度等加減載相關(guān)裝置，直至回風(fēng)溫度滿足要求。當(dāng)運(yùn)行生產(chǎn)以及機(jī)組內(nèi)部各點(diǎn)監(jiān)測(cè)溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)并分析。
2、系統(tǒng)主要性能指標(biāo)
對(duì)熱泵系統(tǒng)的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)一般采用性能系數(shù)(coefficient of performance，COP) 和除濕能耗比(specific moisture extraction rate，SMEＲ) ［22］。
1) 性能系數(shù)(COP)
式中: W 為系統(tǒng)輸入功率，kW; Qc為熱泵的制熱量，kW; Qm，o為冷凝器出口干空氣質(zhì)量流量，kg /h;Qm，i為冷凝器進(jìn)口干空氣質(zhì)量流量，kg /h; ho為出口氣體焓值，kJ /kg; hi為冷凝器進(jìn)口氣體焓值，kJ /kg;
2) 除濕能耗比(SMEＲ)
式中: MEＲ 為除濕速率，kg /h; M 為系統(tǒng)除去水分質(zhì)量，kg，τ 為干燥時(shí)間，h; W 為系統(tǒng)功率，kW。
3、結(jié)果和討論
3.1熱泵機(jī)組內(nèi)溫濕度變化
干燥廢氣在熱泵機(jī)組內(nèi)溫度和濕度的變化如圖4所示。干燥廢氣經(jīng)過(guò)熱管蒸發(fā)器，廢氣溫度由65. 1℃降至50. 4 ℃，相對(duì)濕度由21. 1%升至40. 1%，干燥廢氣處于未飽和狀態(tài)，氣體中的大部分顯熱被去除。隨后經(jīng)過(guò)4 級(jí)水盤管系統(tǒng)( 經(jīng)過(guò)1#、2#水盤管的氣體溫度滿足要求，3#、4#處于關(guān)閉狀態(tài)) ，干燥廢氣的溫度由50. 4 ℃降至約21. 2 ℃，廢氣相對(duì)濕度由40. 1%升至94. 5%，達(dá)到飽和狀態(tài)，大量冷凝水在水盤管環(huán)節(jié)析出，廢氣中的VOCs 被冷凝水吸收隨之排出系統(tǒng)。之后再經(jīng)過(guò)兩級(jí)熱泵蒸發(fā)器，溫度由21. 2 ℃降至約7. 3 ℃，氣體相對(duì)濕度繼續(xù)降低，氣體中的水蒸氣繼續(xù)冷凝，廢氣中的VOCs 也進(jìn)一步被吸收處理。隨后經(jīng)過(guò)降溫除濕后的氣體再經(jīng)過(guò)氟泵冷凝器、兩級(jí)熱泵冷凝器熱量回收，氣體溫度由7. 3 ℃升至71. 9℃，變成高溫低濕氣體送入系統(tǒng)重新參與干燥過(guò)程。
圖4 含濕廢氣在機(jī)組內(nèi)溫度和濕度變化
3.2熱管性能分析
熱管蒸發(fā)器、冷凝器側(cè)循環(huán)氣體狀態(tài)參數(shù)變化如圖5所示。氣體經(jīng)過(guò)熱管蒸發(fā)器時(shí)將熱量釋放給蒸發(fā)器內(nèi)的液態(tài)工質(zhì)，溫度由65. 1 ℃降至50. 5 ℃; 經(jīng)過(guò)冷凝器時(shí)被加熱升溫，溫度由7. 3 ℃升至26. 6 ℃。實(shí)際測(cè)試熱管系統(tǒng)的運(yùn)行功率為1. 6 kW。
圖5 熱管蒸發(fā)器、冷凝器側(cè)氣體溫度變化
熱管蒸發(fā)器出口的含濕廢氣相對(duì)濕度為40. 1%，未達(dá)到飽和狀態(tài)，從理論上分析不會(huì)有冷凝水的產(chǎn)生，含濕量不變。核算發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)熱管蒸發(fā)器氣體中的含濕量以21. 4 kg/h 的速率減少，可能是進(jìn)入熱泵除濕機(jī)組的含濕廢氣含塵量較大，當(dāng)含濕廢氣經(jīng)過(guò)翅片管式換熱器時(shí)，一部分粉塵附著在換熱器上，對(duì)廢氣中的水蒸氣存在一定的吸收作用，使含濕廢氣中的含濕量出現(xiàn)了一定的下降。
3.3熱泵機(jī)組性能分析
1#、2#熱泵機(jī)組的蒸發(fā)溫度、冷凝溫度和吸排氣溫度如圖6所示。1#、2#壓縮機(jī)的平均蒸發(fā)溫度分別為16. 6、8. 9 ℃，平均冷凝溫度分別為70. 8、47. 9 ℃，平均吸氣溫度分別為16. 7、9. 9 ℃，平均排氣溫度分別為105. 7、77. 5 ℃。
圖6 1#、2#熱泵機(jī)組的蒸發(fā)、冷凝和吸排氣溫度
1#、2#熱泵機(jī)組的COP及SMEＲ如圖7所示所示。1#、2#熱泵機(jī)組的COP分別為3. 8、6. 0，SMEＲ 分別為4. 0、4. 8 kg /(kW·h) 。熱泵系統(tǒng)總的COP為4. 7，總SMEＲ 為8. 5 kg /(kW·h) 。可以看出，2#熱泵機(jī)組的COP和SMEＲ指標(biāo)均優(yōu)于1#熱泵機(jī)組，這是由于2#熱泵機(jī)組蒸發(fā)溫度和冷凝溫度溫差更小，因此COP更大。系統(tǒng)的總SMEＲ大于兩個(gè)熱泵機(jī)組的SMEＲ，這是由于從熱管蒸發(fā)器和水盤管系統(tǒng)中除去了大量水分，而該部分除濕量?jī)H需提供少量電能。
圖7 熱泵機(jī)組性能指數(shù)
3.4熱管對(duì)機(jī)組性能影響
熱管系統(tǒng)的引入有效降低了原有熱泵系統(tǒng)的負(fù)荷，提高了整個(gè)系統(tǒng)的能源效率。實(shí)驗(yàn)對(duì)比了開(kāi)啟熱管和一級(jí)熱泵以及開(kāi)啟兩級(jí)熱泵系統(tǒng)的性能，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。
圖8 熱管－熱泵、熱泵－熱泵系統(tǒng)性能指數(shù)
熱管－ 熱泵系統(tǒng)除水速率為344. 9 kg /h，總的SMEＲ為17. 6 kg /(kW·h) ，熱泵－熱泵系統(tǒng)除水速率為336. 6 kg /h，總的SMEＲ為11. 7 kg /(kW·h) 。可以看出，引入熱管系統(tǒng)取代一級(jí)熱泵系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)整體除水速率變化較小，但單位能耗除濕量SMEＲ得到較大提升。
4、系統(tǒng)廢氣及安全性討論
熱泵除濕機(jī)組通過(guò)降溫除濕產(chǎn)生的冷凝水對(duì)廢氣中的VOCs進(jìn)行吸收處理。但VOCs存在部分不凝性氣體以及易燃易爆氣體，為了保證廢氣循環(huán)過(guò)程中系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，需要對(duì)循環(huán)過(guò)程中的氣體成分進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。在一次生產(chǎn)周期中，對(duì)剛開(kāi)始穩(wěn)定生產(chǎn)和生產(chǎn)結(jié)束前排出熱泵除濕系統(tǒng)的氣體進(jìn)行了采集，分別命名為1#氣樣、2#氣樣，委托第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)廢氣中VOCs 進(jìn)行了定性和定量分析。廢氣的具體成分如表2所示，表2僅列出單項(xiàng)含量超過(guò)0. 5 mg /m3 的化合物。
表2 廢氣中VOCs 主要成分
1#、2 # 樣品的VOCs 總濃度分別為7. 54、2. 02mg /m3，樣品中主要VOCs 成分均為乙酸乙酯。對(duì)比1#、2# 樣品，發(fā)現(xiàn)氣體在機(jī)組內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)之后，VOCs 總濃度下降73. 2%，氣體中主要VOCs 的含量較低，說(shuō)明熱泵除濕機(jī)組對(duì)廢氣成分中的VOCs 起到了有效的吸收作用，且長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)之后不存在特殊不冷凝易燃易爆氣體在系統(tǒng)內(nèi)累積，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的安全以及正常生產(chǎn)產(chǎn)生影響。
5、結(jié)論
本文對(duì)干燥廢氣近零排放熱泵系統(tǒng)的性能展開(kāi)研究，分析了機(jī)組內(nèi)各位置溫度變化、熱管系統(tǒng)和熱泵機(jī)組的實(shí)際工作性能，并對(duì)系統(tǒng)的安全性能進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論:
1) 系統(tǒng)平均送風(fēng)溫度為65. 1 ℃，相對(duì)濕度為21. 1%，風(fēng)量為12 000 m3 /h 時(shí)，1#、2#熱泵機(jī)組的平均COP分別為3. 8、6. 0，平均SMEＲ 分別為4. 0、4. 8kg /(kW·h) 。熱泵系統(tǒng)總的COP 為4. 7，總的SMEＲ為8. 5 kg /(kW·h) 。
2) 熱泵機(jī)組對(duì)廢氣中VOCs 的吸收率為73. 2%，長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)之后不存在不凝易燃易爆氣體的累積，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的安全性產(chǎn)生影響。
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本文作者喻穎睿、魏娟、李偉釗、張沖、李博、楊魯偉，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)。
