近年来，废气治理引起各界关注，空气质量成为公众关注焦点。不同行业的废气治理有不同的特点，北极星节能环保网发布不同行业废气治理系列报告文章，含制药行业废气治理、包装印刷行业废气治理、油气回收等。现发布不同行业废气治理系列报告文章之一：制药行业废气治理解决方案。
1 概述
1.1 项目背景
随着医化行业的发展，随之而来的环境污染问题日益凸显，特别是医化行业有机废气的区域环境污染，严重影响居民的正常生活，制约区域经济发展。据环保部之前公布的数据显示，中国制药工业总产值约占全国GDP的比例不到3%，而污染排放总量却占到了6%左右，其中高污染、高能耗的原料药行业问题尤为突出。
在医化行业中大量使用有机溶剂(如DMF、苯系物、有机胺、乙酸乙酯、二氯甲烷、丙酮、甲醇、乙醇、丁酮、乙醚、二氯乙烷、醋酸、氯仿等)，挥发形成了具有刺激性气味和恶臭的气体，并具有一定毒害性，长期排放必然恶化区域大气环境质量，并对附近居民的身体产生危害。因此，有效治制药行业VOCs污染已经成为亟待解决的重要问题。
1.2 生产工艺及废气来源
一般制药工艺流程如图1所示：
图1 一般制药工艺流程
在生产过程中，制药企业会使用到一些溶点低、挥发性好的有机溶剂。此类溶剂很可能会随着生产过程挥发出来而导致VOCs污染，VOCs排放主要发生在投料、反应、溶剂回收、过滤、离心、烘干、出料等操作单元。各单元操作特征：①投料：小量敏感物料使用真空抽料，大量的敏感物料使用泵投料或泵输送至高位槽投料;②反应：反应釜的放空口经冷凝回收溶剂后排空;③溶剂回收：蒸馏釜的放空口经冷凝回收后排空，若使用减压蒸馏，则废气进入真空系统后外排，回收的溶剂暂存至接收罐;④过滤、离心：使用敞口式离心机或敞口式过滤器，采用密闭离心机、过滤器出料时敏感物料直接暴露空气中;⑤烘干：烘干废气进入缓冲罐后排放，出料时敏感物料直接暴露于空气中。溶剂废气产生特点见表1：
1.3有机废气排放特性
溶剂废气排放特点主要跟医药化工生产工艺特点有关, 具体表现在：
1)排放点多, 排放量大, 无组织排放严重。医药化工产品得率低, 溶剂消耗大, 几乎每台生产设备都是溶剂废气排放点, 每个企业都有数十个、甚至上百个溶剂废气排放点, 且溶剂废气大多低空无组织排放, 厂界溶剂废气浓度较高;
2)间歇性排放多。反应过程基本上为间歇反应, 溶剂废气也呈间歇性排放;3)排放不稳定。溶剂废气成分复杂, 污染物种类和浓度变化大, 同一套装置在不同时期可能排放不同性质的污染物;
4)溶剂废气影响范围广。溶剂废气中的VOCs大多具有恶臭性质, 嗅域值低, 易扩散, 影响范围广;
5)“跑冒滴漏”等事故排放多。由于生产过程中易燃、易爆物质多, 反应过程激烈, 生产事故风险大, 加上生产装备水平和工艺技术水平较低及管理不善, 造成“跑冒滴漏”等事故排放多。
2治理方案选择
2.1 常见处理方法比较
选择有机废气处理方法，总体上应根据以下因素：有机污染物质的类型、有机污染物质浓度水平、有机废气的排气温度、有机废气的排放流量、微粒散发的水平、需要达到的污染物控制水平。
有机废气的处理方法种类繁多，特点各异，常用的有冷凝法、吸收法、燃烧法、催化法、吸附法、低温等离子、生物法、光催化氧化法、蓄热式氧化法等(见图2)。
1)冷凝法：将废气直接冷凝或吸附浓缩后冷凝，冷凝液经分离回收有价值的有机物。该法用于浓度高、温度低、风量小的废气处理。但此法投资大、能耗高、运行费用大，制药车间废气中的有机物浓度较低，风量大(车间置换风量具体数量由车间空间大小和空间置换次数决定)，反应流程出来的有机废气，一般温度较高，浓度较大，成分复杂，回收的溶剂难以处理利用，并易产生二次污染，所以制药废气处理一般不采用此法处理。
2)吸收法：可分为化学吸收和物理吸收，但制药废气成分复杂，一般不采用化学吸收。物理吸收是选用具有较小的挥发性的液体吸收剂，它与被吸收组分有较高的亲和力，吸收饱和后经加热解析冷却后重新使用。该法用于大气量、温度低、浓度低的废气，装置复杂、投资大，吸收液的选用比较困难，液体吸收法净化率只有60%～80%，这种方法实际应用存在吸收效率不高，一般难以达到国家排放标准，而且存在着二次污染问题，所以制药废气处理一般不采用此法处理。
3)直接燃烧法：利用燃气或燃油等辅助燃料燃烧放出的热量将混合气体加热到一定温度(700～800℃)，驻留一定的时间，使可燃的有害气体燃烧。该法工艺简单、设备投资少，但能耗高、运行成本高，易产生Cl2、COCl2、NOX、多氯二苯呋喃等有毒副产物。而这些物质对环境的危害更大，所以制药废气处理一般不采用此法处理。
4)催化燃烧法：将废气加热到200～300℃经过催化床燃烧，达到净化目的。该法能耗低、净化率高可达95%、无二次污染、工艺简单操作方便。适用于小风量、高温、高浓度的有机废气治理，不适用于低浓度、大风量的有机废气治理。但催化剂容易易中毒，需定期更换催化剂，不适用于含氯、磷等易使催化剂中毒元素的制药废气处理。
5)吸附法：
①直接吸附法：有机气体直接通过活性炭，可达到95%的净化率，设备简单、投资小、操作方便，但需经常更换活性炭，若无再生装置，则运行费用太高;因此可用于浓度低、污染物不需回收的场合。
②吸附回收法：有机气体经活性炭吸附，该法利用活性炭等吸附剂吸附有机废气，接近饱和后用水蒸汽反吹活性炭进行脱附再生，水蒸汽与脱附出来的有机气体经冷凝、分离，可回收有机液体。该法净化效率较高，但要求提供必要的蒸汽量，适用于低浓度、大风量的制药尾气治理。
6)低温等离子法：利用介质放电产生的等离子体以极快的速度反复轰击废气中的气体分子，去激活、电离、裂解废气中的各种成分，通过氧化等一系列复杂的化学反应，使复杂大分子污染物转变为一些小分子的安全物质(如二氧化碳和水)，或使有毒有害物质转变为无毒无害或低毒低害物质。
该法消耗低，具有装置简单，易于操作，占地面积小，使用方便等优点，但是在实际应用中存在着净化效率低的问题。由于是一项新技术，人们对于其作用机理研究不够充分，还没有形成规律性认识，很多企业只是在模仿这项技术，并没有真正掌握真正的核心技术。
7)生物法：该法是基于成熟的生物处理污水技术上发展起来，具有能耗低、运行费用少的特点，在国外有一定规模的应用。其缺点在于污染物在传质和消解过程中需要有足够的停留时间，从而增大了设备的占地，同时由于微生物具有一定的耐冲击负荷限值，增加了整个处理系统在停启时的控制。该法目前在国内污水站废气治理中有少量应用，对工业废气治理的应用很少。
8)光催化氧化法：该法是通过光催化氧化反应净化消除挥发性有机气体。所谓光催化氧化反应，就是让太阳光或其他一定能量的光照射光敏半导体催化剂时，激发半导体的价带电子发生带间跃迁，即从价带跃迁到导带，从而产生光生电子(e-)和空穴(h+)。此时吸附在纳米颗粒表面的溶解氧俘获电子形成超氧负离子，而空穴将吸附在催化剂表面的氢氧根离子和水氧化成氢氧自由基。而超氧负离子和氢氧自由基具有很强的氧化性，能使有机污染物氧化至最终产物CO2和H2O。利用光催化氧化工艺处理废气是一种应用前景非常广阔的方法。但是目前大多数还在是运用于室内空气的净化，主要用于处理低浓度有机废气领域，有效运用于较高浓度有机废气处理的工业应用还很少，处理效率得不到保证。
9)蓄热式氧化法：该法是利用天然气或燃料油燃烧放出的热量将混合气体加热到一定温度825℃，滞留一定的时间(0.5～1秒)，使可燃的有害物质进行高温分解变为无害物质。本法的特点：工艺简单、去除率高，通过蓄热材料回收热量，可以达到90～95%的热回收率，运行费用较少，尤其对于一些复杂组分处理效果较好。
10)蓄热式催化燃烧法：
该法集蓄热式高温热力焚化和催化焚化的特点与一身，兼有热效率高(90～95%)，反应温度低，运行成本低，维护费用较低，但不适合于处理高浓度有机废气;催化床层易堵塞，催化剂易中毒不耐高温，进气要求严格。
图2 含有机废气净化方法之废气流量与浓度范围
VOCs末端处理技术的优点、缺点和适用范围，对比如表2。
表2 废气末端治理技术对比
2.2治理方案确定
通过对上述常规方法在制药废气治理上的现状说明，在制药尾气治理行业存在产品落后，运行管理复杂，后期投入高等特点。因而寻找一种高效、高性价比、性能稳定、操作方便，运行费用少并符合环保治理标准的处理技术是行业发展的急切之需。
针对某些制药行业有机废气尾气中风量大、浓度中低或者浓度不稳定、成分复杂及难以回收利用的场合下，建议采用活性碳颗粒对有机物进行高效吸附。
针对某些制药行业有机废气尾气中风量大、浓度中低或者浓度不稳定、成分单一及回收价值高的场合下，建议采用活性碳纤维对有机物进行高效吸附。
针对某些制药行业有机废气尾气中风量小、浓度高、成分复杂及难以回收利用的场合下，建议采用高效能蓄热式燃烧装置(RTO)处理后排放。
针对某些制药行业有机废气尾气中风量小、浓度高、成分复杂及难以回收利用，不含氯磷等易使催化剂中毒的元素的场合下，建议采用蓄热式催化燃烧装置(RCO)处理后排放。
2.3 主要设计依据
根据国家及行业相关标准和规范，为客户提供定制化的治理技术方案，主要涉及依据如下：
《中华人民共和国环境保护法》;
《中华人民共和国大气污染防治法》;
《大气污染物综合排放标准》 GB16297-1996;
《恶臭污染物排放标准》 GB 14554-93;
《吸附法工业有机废气治理工程技术规范》 HJ2026-2013;
《催化燃烧法工业有机废气治理工程技术规范 》 HJ2027-2013;
《工业企业噪声测量规范》GBJ122-88;
《工业与民用供配电系统设计规范》GB50052-2009;
《通风与空调工程施工质量验收规范》GB 50243-2002;
河北省地方标准DB13/2208-2015《青霉素类制药挥发性有机物和恶臭特征污染物排放标准》;
河北省地方标准DB13/2208-2015《青霉素类制药挥发性有机物和恶臭特征污染物排放标准》;
上海市地方标准DB31/373-2010《生物制药行业污染物排放标准》;
浙江省地方标准DB33/923-2014《生物制药工业污染物排放标准》;
3 技术方案介绍
3.1活性炭吸附技术方案
3.1.1 方案概述
针对某些制药行业有机废气尾气中风量大、浓度中低或者浓度不稳定、成分复杂及难以回收利用的场合下，建议采用活性碳颗粒对有机物进行高效吸附，净化废气中的有机成分，然后采用水蒸气脱附回收废气中有价值的成分，最终达到环保要求和资源回收的目的。
3.1.2工艺流程
活性炭颗粒吸附回收有机废气装置设置多个吸附器，共用一套管路系统，运行时吸附器依次进入吸附状态。有机废气经预处理后由吸附器下部进入吸附器内部，穿过活性炭纤维，净化后的气体由吸附器顶部排出。当达到动态吸附饱和后，吸附器自动切换到脱附状态，蒸汽由吸附器顶部进人，穿过活性炭纤维，将被吸附的有机废气脱附出来并带出吸附器进入冷凝器，有机废气和水蒸气的混合物经冷凝流入分层槽，进行分层回收;脱附干净的吸附器进入干燥再生工序，进入下一个吸附循环。分层槽中的废水进入污水处理系统。工艺流程图如图3所示：
图3 活性炭颗粒吸附+水蒸气脱附再生回收工艺流程
本处理工艺由6个主要工艺步骤组成：预处理、吸附、蒸汽脱附、负压抽干、降温干燥及回收计量。
3.2碳纤维吸附技术方案
3.2.1 方案概述
针对某些制药行业有机废气尾气中风量大、浓度中低或者浓度不稳定、成分单一及回收价值高的场合下，建议采用活性碳纤维对有机物进行高效吸附，净化废气中的有机成分，然后采用水蒸气脱附回收废气中有价值的成分，最终达到环保要求和资源回收的目的。
3.2.2工艺流程
ACF 系列活性炭纤维吸附回收有机废气装置设置多个吸附器，共用一套管路系统，运行时吸附器依次进入吸附状态。有机废气经预处理后由吸附器下部进入吸附器内部，穿过活性炭纤维，净化后的气体由吸附器顶部排出。当达到动态吸附饱和后，吸附器自动切换到脱附状态，蒸汽由吸附器顶部进人，穿过活性炭纤维，将被吸附的有机废气脱附出来并带出吸附器进入冷凝器，有机废气和水蒸气的混合物经冷凝流入分层槽，进行分层回收; 脱附干净的吸附器进入干燥再生工序，进入下一个吸附循环。分层槽中的废水进入污水处理系统。工艺流程图如图4所示：
图4 炭纤维吸附+水蒸气脱附再生回收工艺流程
本处理工艺由6个主要工艺步骤组成：预处理(根据具体工况而定)、吸附、蒸汽脱附、负压抽干、干燥降温及计量回收。
3.3蓄热式燃烧装置(RTO)技术方案
3.3.1方案概述
针对某些制药行业有机废气尾气中风量小、浓度高、成分复杂及难以回收利用的场合下，建议采用高效能蓄热式燃烧装置(RTO)(见图5)处理后排放。系统采用两室、三室或多室RTO，处理效率可达95-99%以上，同时能充分收集有机废气燃烧产生的热能，用于装置运行或为企业提供能源。
图5 蓄热式焚化炉(RTO)有机废气处理装置示意图
3.3.2工艺流程
制药车间经预处理的废气先通过现有的水喷淋装置，去除无机组分，再通过过滤系统，去除废气中的颗粒状组分和水分。然后将废气引入阻火器。阻火器是安全设施，可阻断火焰漫延。再将废气送入送入蓄热体加热到接近热氧化温度后，进入燃烧室进行热氧化，氧化后的气体温度升高，有机物基本上转化成二氧化碳、水。净化后的气体，经过另一蓄热体，温度下降，达到排放标准后经排气筒排放。不同蓄热体通过切换阀或者旋转装置，随时间进行转换，分别进行吸热和放热，从而节省废气升温的燃料消耗。陶瓷蓄热体分成两个(含两个)以上的区域室，每个蓄热室依次经历蓄热-放热-清扫等程序，周而复始，连续工作对系统热量进行有效回收和利用，热回收效率可达95%以上。根据客户需求，可设计两室、三室或旋转RTO装置，VOCs处理率可达98%以上。经燃烧后的废气再进入蓄热床，进行热交换，将燃烧产生的大部分热量储存下来，然后进入碱喷淋装置，除去氯化物，最后高空排放。具体废气处理工艺流程如图6所示：
图6 蓄热式燃烧工艺流程
3.4蓄热式催化燃烧装置(RCO)技术方案
3.4.1方案概述
针对某些制药行业有机废气尾气中风量小、浓度高、成分复杂及难以回收利用，不含氯磷等易使催化剂中毒的元素的场合下，建议采用蓄热式催化燃烧装置(RCO)处理后排放。系统采用两室、三室或多室RCO，处理效率可达95-99%以上。
3.4.2工艺流程
制药车间经预处理的废气先通过现有的水喷淋装置，去除无机组分，再通过过滤系统，去除废气中的颗粒状组分和水分。以免颗粒状物质在催化室内沉积，阻塞催化室和影响催化氧化反应。然后将废气引入阻火器。阻火器是安全设施，可阻断火焰漫延。再将废气送入蓄热式催化燃烧器的蓄热换热器，使废气达到起燃温度。废气进入催化室之前，经过蓄热床换热，使废气达到催化起燃温度，然后进入催化室，在催化剂的作用下，进行催化燃烧。换向时的残余废气通过清洗阀再送入蓄热式催化燃烧器进行催化燃烧，以保证高净化率。经燃烧后的废气再进入蓄热床，进行热交换，将燃烧产生的大部分热量储存下来，然后进入碱喷淋装置，除去氯化物，最后高空排放。具体废气处理工艺流程如图7所示：
图7 蓄热式催化燃烧工艺流程
