VOCs催化燃燒治理技術(shù)進(jìn)展

李啟云

（湖南云平環(huán)保科技有限公司，長沙 410000）

揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）是指常溫下飽和蒸氣壓大于70 Pa、常壓下沸點(diǎn)在260℃以下的有機(jī)化合物的總稱，能參與大氣環(huán)境中臭氧和二次氣溶膠的形成，是污染嚴(yán)重的化學(xué)物質(zhì)[1]。目前，VOCs的污染問題日益嚴(yán)重，并逐步引起環(huán)保部門的重視。VOCs的主要種類和代表物質(zhì)如表1所示。

表1 VOCs主要種類及代表物質(zhì)

作為PM2.5和臭氧形成的重要前驅(qū)體，VOCs已經(jīng)逐漸引起重視，我國VOCs相關(guān)政策標(biāo)準(zhǔn)亦日趨完善。我國從2011年將VOCs的污染防治列入“十二五”環(huán)保規(guī)劃；2012年，《重點(diǎn)區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》首次提出減少VOCs排放的目標(biāo)，采取開展重點(diǎn)行業(yè)治理、完善防治體系等相關(guān)措施；2013年，《揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）污染防治技術(shù)政策》開始實(shí)施，熱力燃燒（RTO）和催化燃燒技術(shù)（RCO）為重點(diǎn)推薦技術(shù)；2015年已基本建立起重點(diǎn)區(qū)域重點(diǎn)行業(yè)VOCs污染防治體系，并期許到2020年，實(shí)現(xiàn)VOCs從原料、工藝到產(chǎn)品的全過程減排。

我國VOCs主要排放行業(yè)工業(yè)源的排放量大約占總排放量的55.5%，主要集中在涂裝、溶劑使用、化工、石化以及儲(chǔ)運(yùn)等行業(yè)；其次是移動(dòng)源，排放量大約占21.5%；生活源排放量大約占19.6%；其他源排放量大約占3.4%。

1 VOCs治理技術(shù)綜述

國內(nèi)外VOCs污染控制方法主要有吸附吸收法、生物降解處理技術(shù)、分離技術(shù)、直接燃燒法和催化燃燒法等[1-9]。在實(shí)際工程應(yīng)用中，采用單一的治理方法并不能達(dá)到治理目的，往往采用多種治理技術(shù)組合實(shí)施。同時(shí)，治理技術(shù)的選擇要綜合考慮到有機(jī)污染物的回收價(jià)值、污染物的性質(zhì)以及排放方式等。

1.1 UV紫外光解-等離子法組合技術(shù)

該方法廣泛應(yīng)用于小風(fēng)量、低濃度、不含塵、干燥的常溫VOCs廢氣治理。原理是利用高能紫外線的光能和高壓電極發(fā)射的等離子體，對有機(jī)物進(jìn)行裂解和氧化，使其轉(zhuǎn)化成無害化的物質(zhì)[4-5]。該技術(shù)應(yīng)用時(shí)，VOCs去除效率一般在60%～70%；在設(shè)計(jì)過程中，可以根據(jù)廢氣種類，設(shè)計(jì)催化劑催化光解，能進(jìn)一步提高去除效率至80%左右。該技術(shù)具有投資低、使用壽命長、運(yùn)行成本低等特點(diǎn)。

1.2 活性炭吸附法

活性炭吸附法適用于小風(fēng)量、低濃度、不含塵、干燥的常溫VOCs廢氣治理。原理是利用活性炭內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積大的特點(diǎn)，對各種有機(jī)物實(shí)現(xiàn)物理吸附[6]。初期去除效率可達(dá)85%，隨著時(shí)間的延長，去除效率下降，需要周期性更換活性炭。該技術(shù)投資最低，但是運(yùn)行成本高。

1.3 直接燃燒法（RTO）

直接燃燒法是適用性最廣的治理技術(shù)，原則上所有VOCs廢氣治理均可采用此技術(shù)。該技術(shù)原理是利用天然氣燃燒，制造一個(gè)900℃以上的高溫環(huán)境，利用有機(jī)物在高溫條件下的可燃燒性，通過化學(xué)氧化反應(yīng)將其凈化[7]。一般大風(fēng)量、高濃度、廢氣性質(zhì)能導(dǎo)致催化劑中毒的均采用此方法，該方法去除效率可達(dá)95%，無二次污染。缺點(diǎn)是固定投資非常高，運(yùn)行能源費(fèi)用非常高。

1.4 吸附濃縮-催化燃燒組合技術(shù)

催化燃燒法原理是利用催化劑使有機(jī)廢氣在較低的溫度條件下充分燃燒，一般控制溫度在300～350℃[1-4]。相對于直接燃燒法處理技術(shù)的高溫度和高天然氣能源消耗，催化燃燒法具有起燃溫度低、能耗少、處理效率高等顯著優(yōu)點(diǎn)，成為目前最有前景的VOCs處理方法之一[8-9]。

吸附濃縮-催化燃燒組合技術(shù)適用于大風(fēng)量、低濃度、不含塵干燥的常溫廢氣。原理是利用活性炭或沸石轉(zhuǎn)輪等吸附材料對低濃度廢氣進(jìn)行吸附，脫附后形成高濃度的廢氣，再通過催化燃燒法對廢氣進(jìn)行催化燃燒降解。去除效率能穩(wěn)定在90%以上，整體運(yùn)行費(fèi)用低，不會(huì)造成二次污染。缺點(diǎn)是催化劑、吸附材料需要周期性更換。

2 催化燃燒技術(shù)催化劑研究進(jìn)展

VOCs催化燃燒技術(shù)不同于直接燃燒法的800℃以上的高溫環(huán)境，其核心催化劑的催化作用能在較低溫度（300℃左右）分解有機(jī)化合物。VOCs催化燃燒催化劑的研究主要集中在貴金屬催化劑（Pt、Pd和Au）和金屬氧化物催化劑[9]。貴金屬催化劑是應(yīng)用最為廣泛的催化劑，已成熟應(yīng)用于各種工業(yè)處理VOCs排放中，具有活性高、起燃溫度低、使用壽命長等特點(diǎn)。最重要的是，其催化過程中不產(chǎn)生中間產(chǎn)物，只生成CO2和水，避免了二次污染。其中，Pd催化劑是最成熟、工業(yè)應(yīng)用最廣泛的燃燒催化劑，目前市場上80%～90%的產(chǎn)品均為Pd催化劑。為了降低貴金屬的使用量，進(jìn)而降低催化劑使用成本，人們可以選用金屬氧化物載體，在載體上負(fù)載貴金屬催化劑，催化劑載體的選擇、負(fù)載貴金屬的工藝、催化劑燒結(jié)工藝均是研究熱點(diǎn)。

除貴金屬催化劑外，金屬氧化物催化劑也是研究發(fā)展方向，可分為單一金屬氧化物和金屬復(fù)合氧化物。單一金屬氧化物的催化性能均不太理想，Co、Cr、Mn、Cu、Ni、Mo、V、Ti等金屬氧化物均有催化活性[9-10]。復(fù)合金屬氧化物較單一金屬氧化物催化性能有了很大的提高，其中Co-Mn-Cu、Cu-Mn-O、V2O5、Ce-Mn-O等氧化物是報(bào)道最多的過渡金屬氧化物燃燒催化劑，主要特點(diǎn)為成本低、制備簡單、具有較高活性，是現(xiàn)階段國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。另外，貴金屬摻雜非金屬、稀土元素降低催化劑成本及提高催化活性或選擇性等研究也是主流的研究方向。相關(guān)研究表明，在同類稀土鈣鈦礦型氧化物中，La0.8Sr0.2MnO3和La0.8Sr0.2CoO3具有優(yōu)良的性能，完全轉(zhuǎn)化溫度只有 250℃[10-13]。

VOCs催化劑同所有催化劑，催化劑活性成分需要負(fù)載在催化劑載體上。催化劑載體應(yīng)具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，根據(jù)不同的構(gòu)造，骨架基體主要有蜂窩型、泡沫型和交叉流動(dòng)型；根據(jù)載體材質(zhì)，主要有陶瓷載體、金屬載體和其他材料載體。陶瓷載體材料有青石、剛玉、TiO2等；金屬載體有不銹鋼、不銹鋼合金、金屬合金材料等；其他材料載體有碳（硅）纖維載體、金屬絲網(wǎng)和金屬泡沫冶金多孔材料等整體載體[3]。

3 結(jié)論

國家要加大VOCs廢氣治理和監(jiān)管相關(guān)法律、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的制定，為VOCs廢氣治理提供政策和治理技術(shù)引導(dǎo)及支持。VOCs重點(diǎn)企業(yè)、重點(diǎn)行業(yè)應(yīng)統(tǒng)一規(guī)劃，工業(yè)園集中設(shè)計(jì)，并根據(jù)產(chǎn)生污染的原料、生產(chǎn)工藝以及VOCs排放特征不同，選用最佳的控制技術(shù)。

VOCs廢氣可以采取區(qū)域集中治理模式。依靠單一企業(yè)建設(shè)VOCs廢氣回收、治理設(shè)施，固定投資太高，同時(shí)會(huì)造成重復(fù)投資建設(shè)，當(dāng)前可以采取政府引導(dǎo)、第三方建設(shè)管理的模式，建立集中治理中心。企業(yè)只需要對VOCs廢氣進(jìn)行收集或者濃縮處理，再統(tǒng)一交予第三方單位集中處理。這樣既能達(dá)到VOCs治理的目的，又能減少企業(yè)的固定資產(chǎn)投資。該模式的實(shí)施需要政府部門的參與，統(tǒng)一協(xié)調(diào)，統(tǒng)一管理。國家應(yīng)提倡建設(shè)VOCs在線排放監(jiān)測系統(tǒng)，加強(qiáng)環(huán)境政策引導(dǎo)與環(huán)境執(zhí)法的結(jié)合?？傊?，提高清潔生產(chǎn)水平，從源頭上減少VOCs的排放量，是解決VOCs排放的根本途徑。