化工行業(yè) VOCs治理技術(shù)研究

吳曉東(廣東臻致科技有限公司，廣東 茂名 525000)

0 引言

化工行業(yè)的進(jìn)步有助于國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但該行業(yè)的生產(chǎn)工序較為繁雜，不僅需依托于先進(jìn)技術(shù)，還需保證生產(chǎn)安全。實(shí)際生產(chǎn)過程中，會生成大量揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)，不僅造成嚴(yán)重的大氣環(huán)境污染，而且不利于作業(yè)人員身體健康。因此，需重視對VOCs的治理，加強(qiáng)多樣化、實(shí)用性治理技術(shù)的運(yùn)用，為作業(yè)人員乃至國民的健康提供保障。

1 揮發(fā)性有機(jī)物定義及危害

揮發(fā)性有機(jī)物是一種沸點(diǎn)不高于260 ℃，室溫下飽和蒸氣壓不小于133.32 Pa的可揮發(fā)性氣態(tài)分子有機(jī)化合物，當(dāng)其揮發(fā)時(shí)，產(chǎn)生的物質(zhì)不僅會污染生態(tài)環(huán)境，還會對大眾的身體健康構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。若在環(huán)境監(jiān)測的角度對VOCs的含義加以分析，其主要是指借助氫火焰離子檢測器檢測出的非甲烷烴類的總稱。

當(dāng)前，通過對化工行業(yè)產(chǎn)生的VOCs種類進(jìn)行記錄，發(fā)現(xiàn)共有300余種，絕大部分的VOCs會威脅生態(tài)環(huán)境與人身健康。對于生態(tài)環(huán)境的污染主要體現(xiàn)在三方面：其一，當(dāng)VOCs在強(qiáng)烈光照與熱的共同作用下，其本身會與空氣中的氧氣進(jìn)行反應(yīng)，最終形成臭氧，而且VOCs是光化學(xué)煙霧、城市霧霾的主要成分，致使空氣環(huán)境指標(biāo)大幅度下降，影響空氣質(zhì)量。其二，VOCs是形成PM2.5和臭氧的前提，經(jīng)過多數(shù)次的測量，發(fā)現(xiàn)大氣中PM2.5各物質(zhì)含量有20%～40%為VOCs，還有一些成分由VOCs轉(zhuǎn)化而來。其三，當(dāng)VOCs揮發(fā)時(shí)，會生成溫室效應(yīng)氣體，致使大范圍內(nèi)的溫度持續(xù)上升[1]。

對于人身健康的危害主要有三點(diǎn)：其一，當(dāng)VOCs的濃度大于標(biāo)準(zhǔn)濃度時(shí)，會刺激人的眼睛與呼吸道，導(dǎo)致其咽痛、乏力，還會引發(fā)皮膚過敏現(xiàn)象；其二，大腦無法完全將VOCs隔離在外，當(dāng)部分化合物在血液的驅(qū)使下流入大腦后，會對中樞神經(jīng)造成嚴(yán)重的影響甚至損害；其三，增加人類患癌概率，若孕婦吸入過多VOCs，不利于胎兒的健康發(fā)育，極易出現(xiàn)胎兒畸形的風(fēng)險(xiǎn)，與此同時(shí)，還會使生殖系統(tǒng)生成較大毒性。

2 化工行業(yè)VOCs產(chǎn)污環(huán)節(jié)

化工行業(yè)VOCs排放主要來自物料生產(chǎn)、運(yùn)輸、裝載和廢物處理等過程：(1)化學(xué)合成、分離等工藝過程中有組織地排放；(2)各種工藝管線和設(shè)備密封點(diǎn)的密封失效致使內(nèi)部蘊(yùn)含VOCs物料逸散；(3)有機(jī)液體儲存過程中蒸發(fā)靜置損失和接受物料過程中產(chǎn)生的工作損失；(4)有機(jī)液體物料在裝載過程中，收料容器內(nèi)的有機(jī)液體蒸汽被物料置換產(chǎn)生；(5)含有VOCs的廢水在廢水集輸、儲存、處理處置過程中VOCs逸散等多個環(huán)節(jié)。

3 化工行業(yè)VOCs治理技術(shù)探討

3.1 生物處理技術(shù)

此技術(shù)是近年來新研制而成的一種VOCs治理技術(shù)，相較于傳統(tǒng)工藝，更具簡單性、成本節(jié)約性、應(yīng)用范圍廣的優(yōu)勢，若加以進(jìn)一步優(yōu)化，能夠替代燃燒治理技術(shù)與吸附治理技術(shù)。生物處理技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理是使用生物處理的方法，對化工行業(yè)運(yùn)作時(shí)產(chǎn)生的有機(jī)廢氣進(jìn)行處理，處理原則是將有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化為不具環(huán)境危害性的無機(jī)物如CO2、H2O等。通常來說，完整的生物治理有機(jī)廢氣的流程包括三個步驟：首先，讓廢氣中的有機(jī)污染物與水充分融合，達(dá)到有機(jī)物溶解的目的；其次，調(diào)整液態(tài)形式下的有機(jī)物濃度，促使其滲透到生物膜中，被生物膜上的微生物盡數(shù)吸收；最后，被吸收后的有機(jī)廢氣會在微生物自身代謝下被降解，從而轉(zhuǎn)化成為不會對環(huán)境構(gòu)成污染的化合物質(zhì)。

生物處理技術(shù)主要是依托于微生物生命活動轉(zhuǎn)變廢氣中的有害物質(zhì)，并再次組合，構(gòu)成結(jié)構(gòu)簡單且不會污染環(huán)境的無機(jī)物，實(shí)際處理過程中，會應(yīng)用到多種操作工藝，比如生物洗滌法、過濾法、滴濾法等。若氣態(tài)污染物的成分與濃度不同，則意味著生物凈化系統(tǒng)也不同。生物洗滌塔主要處理的是氣量小、濃度大、易溶解的廢氣，而生物過濾床處理的廢氣與其剛好相反，若廢氣的負(fù)荷較高，且當(dāng)內(nèi)部含有的污染物被降解后會生成酸性物質(zhì)，則可以使用生物滴濾床加以處理。

3.2 燃燒處理技術(shù)

燃燒處理技術(shù)是通過氧化燃燒有機(jī)物實(shí)現(xiàn)VOCs的降解，這一技術(shù)極具破壞性，能夠治理可燃或高溫分解的有害物質(zhì)。該技術(shù)是現(xiàn)階段化工行業(yè)最為常用的有機(jī)廢氣治理技術(shù)之一，燃燒過程中，會產(chǎn)生大量熱能，可以采取科學(xué)的手段將熱能盡數(shù)回收，重復(fù)利用的同時(shí)減少能源損耗。燃燒處理技術(shù)又可細(xì)化為直接燃燒技術(shù)、蓄熱燃燒技術(shù)以及催化燃燒技術(shù)。

首先，直接燃燒治理技術(shù)。將VOCs視為燃料，或?qū)⑵淇醋鞒芍驾o料，置于1 100 ℃高溫環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢氣治理的目的。此方法對于設(shè)備的依賴程度不高，且操作簡便，能夠使VOCs完全、快速燃燒，治理效率可達(dá)到99%，主要治理的廢氣為高濃度、高熱值、不具備回收重復(fù)利用價(jià)值的氣體。但與其他廢氣治理技術(shù)而言，直接燃燒處理技術(shù)會消耗大量的能源，在運(yùn)行成本方面也遠(yuǎn)高于蓄熱燃燒與催化燃燒治理技術(shù)。如果揮發(fā)性有機(jī)物廢氣中含有S、N、Cl等元素，使用此技術(shù)極易造成生態(tài)環(huán)境的二次污染，因此盡可能少使用或不使用直接燃燒法對VOCs廢氣進(jìn)行處理[2]。

其次，蓄熱燃燒治理技術(shù)。利用燃燒后產(chǎn)生的高溫余熱，將適量燃料加入燃燒場所中助其再次燃燒。蓄能燃燒需在500～900 ℃下進(jìn)行，熱力燃燒的影響因素主要有三方面:即溫度、停留時(shí)間與湍流混合程度，廢氣中可燃燒成分的濃度、熱值越高，燃料的消耗量便越少。蓄熱燃燒通常處理可燃有機(jī)物含量少的廢氣，熱效率超過95%，治理效率高于99%。

3.3 等離子體技術(shù)

等離子體技術(shù)通常被用于放電反應(yīng)中，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，便會生成活性粒子，比如臭氧、自由基、高能電子等，在多樣化粒子的共同作用下，將VOCs轉(zhuǎn)化成為無污染物質(zhì)如CO2、H2O等。對于濃度低、氣量小的有機(jī)廢氣而言，便可以應(yīng)用等離子體治理技術(shù)，其處理效率較高，一般會達(dá)到90%左右，體現(xiàn)出低能耗、操作簡單的特點(diǎn)，同時(shí)，處理設(shè)備在長時(shí)間運(yùn)作后仍可以穩(wěn)定且連續(xù)運(yùn)行。但該技術(shù)消耗的費(fèi)用較高，目前仍有待完善與進(jìn)一步推廣。

3.4 膜分離治理技術(shù)

膜分離治理技術(shù)需借助VOCs中含有的不同組分所具有的壓力實(shí)現(xiàn)膜的穿透，組分與壓力不同，透過膜的傳遞速率也會存在較大的差異，依托于差異性，從根本上實(shí)現(xiàn)膜分離的目的。通常該技術(shù)被用于天然氣分離提純操作中，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要使用膜接觸器，同時(shí)還涉及到蒸汽滲透技術(shù)與氣體膜分離技術(shù)的運(yùn)用。采用該技術(shù)回收VOCs的操作流程較為簡單且便捷，不僅可以減少能源的損耗，還能規(guī)避二次污染的風(fēng)險(xiǎn)，回收率為95%～99%，一般治理的廢氣為中高濃度、小流量氣體。盡管膜分離技術(shù)具有多方面的優(yōu)勢，但同樣體現(xiàn)出多種不足,即工藝設(shè)備資金消耗較多，尤其是膜元件，需大量的資金作為支持，且很多構(gòu)件的維護(hù)與保養(yǎng)費(fèi)用較高，以此同時(shí)，在維護(hù)方面的難度大，極易出現(xiàn)進(jìn)出口堵塞、構(gòu)件污染等問題，若不能全方位清洗，將嚴(yán)重影響設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，對于VOCs的治理也達(dá)不到預(yù)期效果?，F(xiàn)階段，將新型膜材料研發(fā)、分離系統(tǒng)集成以及吸附劑優(yōu)化等作為膜分離技術(shù)主要研究方向，以保證該技術(shù)的治理水平得到進(jìn)一步提升。

3.5 吸附與吸收技術(shù)

吸附治理技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理是借助極具吸附性能的物質(zhì)如活性炭，并在VOCs中烴分子親和性的作用下，將油氣中的烴類物質(zhì)盡數(shù)吸附，當(dāng)吸附劑飽和后，采取加熱手段達(dá)到解吸的效果，實(shí)現(xiàn)烴類物質(zhì)再生與重復(fù)利用。該技術(shù)通常被用于治理成分單一、氣流穩(wěn)定、濃度較低的有機(jī)廢氣。一般情況下，吸附劑性質(zhì)、VOCs組成成分以及作業(yè)條件等均會影響吸附效果，此技術(shù)的治理效率在90%～95%左右。吸附治理技術(shù)具有耗能低、效率高、工藝成熟等優(yōu)勢，與此同時(shí)也體現(xiàn)出多種問題，即運(yùn)行成本高、吸附劑飽和后需進(jìn)行再生，在此過程中，極易造成生態(tài)環(huán)境二次污染[3]。

吸收治理技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需依托于低揮發(fā)或不揮發(fā)溶劑吸收VOCs，屬于借助有機(jī)分子與吸收劑物理性質(zhì)之間存在的差異性而展開的一種分離技術(shù)，一般會應(yīng)用于石油煉制、化工生產(chǎn)等環(huán)節(jié)中，以此回收烴類氣體，在適當(dāng)加工后重新利用。此技術(shù)主要治理的VOCs為高濃度、低溫低、高壓力的類型，治理效率高達(dá)98%。吸收效果受吸收劑性能與吸收設(shè)備結(jié)構(gòu)的影響，采用的吸附劑為煤油、柴油等。吸收治理技術(shù)體現(xiàn)出節(jié)約成本、操作簡單的優(yōu)勢，但在吸收容量方面較為有限，同時(shí)，還需定期更換吸收劑，增加治理總時(shí)長。

3.6 冷凝法

冷凝法是依托于物質(zhì)在不同溫度下具有的不同飽和蒸汽壓性質(zhì)，降低系統(tǒng)溫度或提高系統(tǒng)壓力，使處于蒸汽狀態(tài)的污染物從廢氣中冷凝分離出來的一種VOCs治理方法。此方法適用于高濃度、成分簡單且回收價(jià)值高的VOCs，但冷凝處理成本較高，單一冷凝處理難實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，常需搭配其他技術(shù)，如冷凝-吸附提高處理效率。

4 結(jié)語

化工行業(yè)產(chǎn)污環(huán)節(jié)較多，且各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的VOCs組成成分、濃度、廢氣量均不同，采用單一的治理技術(shù)難以保證VOCs的達(dá)標(biāo)排放。因此，需根據(jù)各環(huán)節(jié)廢氣特點(diǎn)，結(jié)合技術(shù)的適用條件、處理效率、運(yùn)行成本等因素，合理選擇治理技術(shù)或采用組合技術(shù)減少VOCs的排放，實(shí)現(xiàn)化工行業(yè)綠色、環(huán)保、健康經(jīng)營與發(fā)展。