有機(jī)廢氣處理工藝選擇

蔡炳良

（浙江環(huán)耀環(huán)境建設(shè)有限公司，杭州 310012）

有機(jī)廢氣處理工藝選擇

蔡炳良

（浙江環(huán)耀環(huán)境建設(shè)有限公司，杭州 310012）

介紹了揮發(fā)性有機(jī)化合物的定義，分析了不同行業(yè)的有機(jī)廢氣主要污染物，對(duì)目前主要有機(jī)廢氣處理工藝進(jìn)行了概括性描述，重點(diǎn)分析了根據(jù)有機(jī)廢氣不同的工況條件如何選擇一個(gè)安全、有效、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、合理的處理工藝。

有機(jī)廢氣；揮發(fā)性有機(jī)化合物；非甲烷總烴

1 引言

有機(jī)廢氣主要代表污染物

揮發(fā)性有機(jī)化合物，通常是指在環(huán)境條件下容易蒸發(fā)或揮發(fā)的有機(jī)化合物。目前，對(duì)揮發(fā)性有機(jī)化合物的定義尚無統(tǒng)一的定義，許多國家或地區(qū)的定義是按沸點(diǎn)和一定溫度下的蒸氣壓數(shù)據(jù)來限定，如澳大利亞、瑞士、德國、歐盟等。還有一些國家按是否發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)來限定，如美國[1]。

從我國近幾年發(fā)布的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)看，傾向于定義揮發(fā)性有機(jī)化合物是指參與大氣光化學(xué)反應(yīng)的有機(jī)化合物，或根據(jù)規(guī)定的方法測(cè)量或核算確定的有機(jī)化合物，簡稱VOCs[2]。1）用于核算或備案的VOCs指20℃時(shí)蒸氣壓不小于10Pa或者101.325kPa標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，沸點(diǎn)不高于260℃的有機(jī)化合物或?qū)嶋H生產(chǎn)條件下具有以上相應(yīng)揮發(fā)性的有機(jī)化合物（甲烷除外）的統(tǒng)稱；2）以非甲烷總烴（NMHC）作為排氣筒、廠界大氣污染物監(jiān)控、廠區(qū)內(nèi)大氣污染物監(jiān)控點(diǎn)以及污染物控制設(shè)施去除效率的揮發(fā)性有機(jī)化合物的綜合性控制指標(biāo)[3]。

VOCs的種類有很多，如脂肪烴、芳香烴、鹵代烴、醇、醛、酮、酯等（見下表）。主要來源于石油化工、制藥、印刷、噴漆等行業(yè)生產(chǎn)過程中所排放的廢氣[4]。VOCs中的許多物質(zhì)對(duì)人體和各種感官有刺激作用，且具有一定的毒性，有些會(huì)產(chǎn)生致癌、致畸、致突變的“三致”效應(yīng)。對(duì)環(huán)境安全和人類生存產(chǎn)生極大的危害[5]。

石化、涂布、噴漆、合成革、包裝印刷和制藥等行業(yè)都是有機(jī)廢氣的主要來源。在不同行業(yè)的生產(chǎn)過程中：生產(chǎn)裝置，儲(chǔ)罐呼吸，原料、產(chǎn)品裝卸，有機(jī)液體、氣體采樣放空，法蘭、閥門、設(shè)備密封泄漏，廢水集輸和處理系統(tǒng)等都有可能產(chǎn)生含有有機(jī)物的氣體。不同行業(yè)主要污染物如下：

涂布行業(yè)污染物主要來自涂層劑，溶劑型涂層在進(jìn)行涂層加工時(shí)要采用乙酸乙酯、二甲基甲酰胺（DMF）、丁酮、甲苯、異丙醇等有機(jī)溶劑作為介質(zhì)。

噴漆行業(yè)主要污染物是甲苯、二甲苯、乙酸丁酯、丁醇等。

合成革行業(yè)的污染物主要是DMF、甲苯、丙酮、丁酮、乙酸甲酯、乙酸丁酯、環(huán)己酮等，尾氣風(fēng)量大、高含濕、含有大量不溶于水的甲苯、丁酮等VOCs；另外，廢氣經(jīng)噴淋塔吸收后水中含有相當(dāng)量的DMF，這些廢水最后經(jīng)DMF精制回收系統(tǒng)處理，產(chǎn)生的尾氣中含有大量二甲胺，具有強(qiáng)烈的腥臭味，對(duì)環(huán)境造成二次污染。

包裝印刷溶劑型油墨一般由染料、連接料溶劑、填充料和輔助劑組成，油墨的主要污染物有：異丙醇、苯、二甲苯、乙酸乙酯、丙烯酸、丙酮等；紙箱行業(yè)的氣體主要污染物有：乙酸正丙酯、甲苯、乙酸乙酯及丁酮等；復(fù)合食品包裝膜的氣體主要污染物有：乙酸乙酯等；聚乙烯吹塑袋的氣體主要污染物有：乙酸正丙酯、甲苯、乙酸乙酯及丁酮等。

化學(xué)合成制藥行業(yè)在反應(yīng)體系溶解、分離提純等過程廣泛使用二氯甲烷、二氯乙烷、丙酮、甲醇、乙腈、苯等易揮發(fā)有機(jī)溶劑 。

橡膠制品是指以橡膠為原材料加工制得的成品，為建筑、機(jī)械、電子、醫(yī)藥、汽車等行業(yè)提供需要橡膠產(chǎn)品，橡膠制品生產(chǎn)中主要污染物為苯、甲苯、二甲苯、甲酚等。

2 有機(jī)廢氣工況特征

由于有機(jī)廢氣來源廣泛，成分復(fù)雜，條件多樣，導(dǎo)致有機(jī)廢氣工況情況差別也很大，主要工況特征如下：

1）組分種類多樣：常見的有機(jī)化合物有100多種，在不同生產(chǎn)過程中都可能存在，并且各個(gè)化合物的物理和化學(xué)性質(zhì)差異較大；2）多組分復(fù)雜體系：在大多數(shù)情況下，污染物是以多組分混合物的形式排放，部分組分之間還可能存在協(xié)同作用；3）排放行業(yè)眾多：涉及的行業(yè)有上百個(gè)，主要行業(yè)也有幾十個(gè)；4）排放條件復(fù)雜：溫度、濕度、壓力、顆粒物等情況各不相同；5）排放點(diǎn)多樣：排放點(diǎn)源多而分散，無組織排放情況嚴(yán)重。

3 常用廢氣處理工藝

VOCs控制技術(shù)主要通過生產(chǎn)過程控制、產(chǎn)品替代、末端控制，同時(shí)結(jié)合檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全面的控制（如圖1）。其中生產(chǎn)過程控制和產(chǎn)品替代與行業(yè)和工藝生產(chǎn)過程密切相關(guān)。本文主要介紹末端控制工藝。

由于有機(jī)廢氣污染物種類繁多，特性各異，因此相應(yīng)采用的末端控制工藝也各不相同，目前常用的有：吸收法、吸附法、冷凝法、生物法、燃燒法等；近年來，國外也發(fā)展出一些新的工藝技術(shù)如光催化、低溫等離子法等。

圖1 有機(jī)廢氣處理工藝分類

3.1 吸收法

吸收法可分為化學(xué)吸收和物理吸收，化學(xué)吸收是利用化學(xué)反應(yīng)而實(shí)現(xiàn)吸收的過程，目前采用最多的是酸/堿吸收。物理吸收要求吸收劑應(yīng)具有與吸收組分有較高的親和力，低揮發(fā)性，如要吸收劑回用，需對(duì)飽和的吸收液進(jìn)行解析或精餾，目前采用最多的是以水為吸收劑，吸收廢氣中水溶性物質(zhì)，廢水排至污水處理裝置。該方法常作為廢氣的預(yù)處理過程，用于除去廢氣中部分水溶性或部分酸性/堿性物質(zhì)。吸收噴淋塔結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 吸收噴淋塔結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 吸附法

吸附法是通過多孔活性炭或活性碳纖維吸附有機(jī)物，飽和后可采用水蒸汽/熱氮?dú)獾葘?duì)吸附飽和的活性炭進(jìn)行再生，再生時(shí)排出溶劑和水蒸汽/凝結(jié)水的混合物，經(jīng)冷凝水分離后回收溶劑，適合VOCs有回收價(jià)值的場(chǎng)合，但運(yùn)行費(fèi)用較高，需要使用蒸汽/氮?dú)馇視?huì)產(chǎn)生一定量的廢水。吸附裝置結(jié)構(gòu)布置如圖3。

圖3 吸附裝置結(jié)構(gòu)布置

3.3 冷凝法

冷凝法是將廢氣直接導(dǎo)入冷凝器冷凝，冷凝液經(jīng)分離可回收有價(jià)值的有機(jī)物。采用冷凝法要求廢氣中有機(jī)物濃度高，一般有機(jī)物濃度要達(dá)到幾萬甚至幾十萬ppm，對(duì)于低濃度有機(jī)廢氣此法不適用。目前，此方法主要應(yīng)用于油庫、加油站和碼頭。冷凝裝置三維圖如圖4，冷凝裝置實(shí)物圖如圖5。

3.4 生物法

生物法是基于成熟的生物處理污水技術(shù)上發(fā)展起來的，具有能耗低、運(yùn)行費(fèi)用少等特點(diǎn)，此法在國內(nèi)外都有一定規(guī)模的應(yīng)用。其缺點(diǎn)是污染物在傳質(zhì)和消解過程中需要有足夠的停留時(shí)間，從而增大了設(shè)備的占地，同時(shí)，由于微生物具有一定的耐沖擊負(fù)荷限值，增加了整個(gè)處理系統(tǒng)在停啟時(shí)的控制。為了彌補(bǔ)以上缺點(diǎn)，基于傳統(tǒng)生物法，衍生出生物洗滌法和生物滴濾法。該法目前在國內(nèi)污水處理站的廢氣除臭中有不少應(yīng)用，對(duì)工業(yè)廢氣治理的應(yīng)用較少。

3.5 燃燒法

燃燒法又稱為熱氧化法、熱力燃燒法，是利用燃?xì)饣蛉加偷容o助燃料燃燒放出的熱量將混合氣體加熱到一定溫度，駐留一定的時(shí)間，使可燃的有害物質(zhì)進(jìn)行高溫分解變?yōu)闊o害物質(zhì)。常用的燃燒工藝又可分為催化燃燒、直接燃燒和蓄熱燃燒。工藝的特點(diǎn)：工藝簡單、去除率高，尤其對(duì)于一些復(fù)雜組分的廢氣處理效果較好，但一次性投資較高，適合處理中等濃度廢氣。蓄熱式燃燒（RTO）工藝流程如圖6。

圖4 冷凝裝置三維圖

圖6 蓄熱式燃燒（RTO）工藝流程

圖5 冷凝裝置實(shí)物圖

4 有機(jī)廢氣處理工藝選擇

由于有機(jī)廢氣工況復(fù)雜，處理方法也多種多樣，導(dǎo)致根據(jù)不同的工況選用最為合適的處理工藝（單一或組合工藝）成為重要并困難的事情。本文從不同角度對(duì)有機(jī)廢氣處理工藝選擇進(jìn)行分析。

4.1 按風(fēng)量選擇

一般情況下，風(fēng)量在1000Nm3/h以內(nèi)的可采用吸附或冷凝回收法；風(fēng)量在1000~100,000Nm3/h的可采用吸附法、生物法或燃燒法；風(fēng)量在100,000Nm3/h以上的建議采用轉(zhuǎn)輪或活性炭濃縮后處理。風(fēng)量與處理工藝的關(guān)系見圖7。

圖7 風(fēng)量與處理工藝的關(guān)系

4.2 按濃度選擇

根據(jù)有機(jī)廢氣濃度分為低濃度、中等濃度和高濃度，低濃度適合采用生物法、低溫等離子、光催化等工藝，因?yàn)榇藥追N工藝在濃度較高時(shí)處理效率會(huì)下降；中等濃度廢氣適合采用活性炭吸附回收、熱力燃燒法，進(jìn)入處理裝置的廢氣濃度必須低于爆炸下限25%；高濃度能采用冷凝或直接燃燒（TO）。濃度與處理工藝的關(guān)系見圖8。

圖8 濃度與處理工藝的關(guān)系

4.3 按組分選擇

以水溶性組分為主可采用吸收法，但后端需設(shè)置分離或廢水處理設(shè)備；廢氣組分具有一定的經(jīng)濟(jì)回收價(jià)值，易采用碳纖維或炭顆粒吸附-脫附回收法；組分沸點(diǎn)高，容易通過降低溫度冷凝回收的可考慮通過泠凝法回收部分組分；硫化氫、硫醇、硫醚等含硫化合物在濃度較低的情況下也存在較大的臭味，特別適合采用生物法；在廢氣組分特別復(fù)雜且去除率均要求較高時(shí)適宜采用熱力氧化法。

組分中含有高沸點(diǎn)難脫附組分不易選用吸附-脫附回收法，會(huì)導(dǎo)致吸附劑難以再生，吸附效率下降很快，更換頻繁；含有高濃度的可轉(zhuǎn)化有機(jī)酸的物質(zhì)（如氯、氟、硫和鹵素）時(shí)不能采用RTO、RCO或CO等熱力燃燒法，會(huì)有產(chǎn)生二英問題，且對(duì)設(shè)備會(huì)造成嚴(yán)重的腐蝕或令催化劑中毒。當(dāng)有機(jī)廢氣中含有微小顆粒或油霧時(shí)，需要在處理裝置前設(shè)置預(yù)處理設(shè)備，同時(shí)要對(duì)預(yù)處理設(shè)備經(jīng)常維護(hù)和更換。

4.4 按溫度選擇

由于溫度越高越不利于吸收或吸附（一般需低于40℃），高溫不適合采用吸收法或吸附法，如要采用，需經(jīng)過降溫處理。

冷凝法是采用壓縮機(jī)制冷降溫，能耗較高，來氣溫度越低，越有利于后端制冷機(jī)組的節(jié)能，所以，來氣建議采用冷卻水或冷凍水降溫后進(jìn)入后端制冷機(jī)組。

生物法對(duì)廢氣的溫度十分敏感，溫度變化可能會(huì)導(dǎo)致大量生物死亡，故在溫度過高或溫度不穩(wěn)定的情況下，不建議采用生物法。

適當(dāng)?shù)臏囟葘?duì)熱力燃燒工藝是有利的，能降低整體的能耗。但待處理有機(jī)廢氣的溫度在300℃以上時(shí)，是不適合采用蓄熱式系統(tǒng)（RTO）的，這是因?yàn)楦邷氐拇幚碛袡C(jī)廢氣會(huì)大大降低換向閥的可靠性和壽命。另外，在高溫時(shí), 建造RTO的高成本也不足以抵消在節(jié)省燃料和電力消耗所帶來的好處。如果待處理有機(jī)廢氣的溫度超過500℃，采用蓄熱式系統(tǒng)（RTO）不如采用直燃式焚燒系統(tǒng)，因?yàn)樵谌剂舷牡牟罹嗵?，不足以抵消增加的熱回收器帶來的投資成本。

4.5 按濕度選擇

廢氣濕度越大越不利于吸附過程，所有進(jìn)入炭顆粒、碳纖維或轉(zhuǎn)輪的廢氣濕度需在控制范圍內(nèi)，進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的相對(duì)濕度一般需要控制在90%內(nèi)。過大的濕度對(duì)采用熱力燃燒的能耗控制不利，故在濕度特別大的情況下，在選用吸附或熱力燃燒工藝時(shí)需特別注意。

4.6 按排放方式選擇

廢氣排放方式主要有兩種：連續(xù)排放和間歇排放。一般吸收法、吸附法、生物法、冷凝法均比較適合在連續(xù)狀態(tài)下運(yùn)行，但短時(shí)間停止運(yùn)行不會(huì)有太大影響。燃燒法最好連續(xù)運(yùn)行，間歇運(yùn)行的能耗高，不經(jīng)濟(jì)。

4.7 其他

除了考慮以上因素外，還需結(jié)合設(shè)備運(yùn)行安全性、可布置面積、公用條件（水、電、蒸氣、氮?dú)獾龋?、投資、運(yùn)行費(fèi)用等情況綜合考慮。

5 結(jié)論

對(duì)于有機(jī)廢氣處理，合理的工藝選擇必須是能滿足裝置穩(wěn)定運(yùn)行和長期達(dá)標(biāo)排放的條件，同時(shí)，也應(yīng)該從一次性投資、運(yùn)行費(fèi)用、操作的難易程度等方面為客戶考慮。應(yīng)根據(jù)有機(jī)廢氣不同的工況條件，選擇一個(gè)兼具安全性、有效性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、合理性的處理工藝。

[1] 陸震維.有機(jī)廢氣凈化技術(shù)[M].北京：化工工業(yè)出版社，2011，3.

[2] 環(huán)境保護(hù)部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].2015.

[3] 上海環(huán)境保護(hù)局，上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)（上海市）[S]. 2015.

[4] 白燁，毛鶴群.淺談?dòng)袡C(jī)廢氣的危害及治理方法[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2015（6）：123.

[5] 趙琳，張英鋒，李榮煥，馬子川.VOC的危害及回收與處理技術(shù)[J].化學(xué)與社會(huì)，2015（1）.

Selection of Treatment Process for Organic Waste Gas

CAI Bing-liang

(Zhejiang Huanyao Environmental Construction Co., Ltd, Hangzhou 310012, China)

The paper introduces the definition of volatile organic compounds, analyzes the main pollutants of organic waste gases in different industries, and gives a general description of the main treatment processes of organic waste gases.The paper also puts emphasis upon how to select a safe, effective, stable, economical and reasonable treatment process in accordance with the different working conditions of organic waste gas.

organic waste gas; volatile organic compounds (VOCs); NMHC

X701

A

1006-5377（2017）10-0057-05