淺談VOCs燃燒法處理技術(shù)及發(fā)展

張 鳳

（渭南市生態(tài)環(huán)境局華陰分局 陜西華陰 714200）

引言

當前階段，我國仍面臨細顆粒物（PM2.5）和臭氧（O3）污染的雙重壓力。特別是在夏季（6-9 月），京津冀及周邊地區(qū)、汾渭平原、長三角地區(qū)等重點區(qū)域及蘇皖魯豫交界地區(qū)，O3超標天數(shù)占全國70%左右，O3已經(jīng)成為部分城市空氣質(zhì)量超標的首要因子。揮發(fā)性有機物（VOCs）作為PM2.5 及O3的共同前體物，因此對VOCs 的防控，工業(yè)企業(yè)源、油品揮發(fā)源、城鎮(zhèn)生活源等源頭的治理，事關(guān)PM2.5 和O3的污染聯(lián)合控制，事關(guān)藍天保衛(wèi)戰(zhàn)的最終戰(zhàn)果，事關(guān)建設(shè)美麗中國的大局。

目前環(huán)境保護正面臨新的機遇和挑戰(zhàn)。VOCs 燃燒處理法在當前較為常見，其燃燒排入環(huán)境空氣后，在大氣中的含量就由氣象條件和大氣化學轉(zhuǎn)化條件所決定，且不受人類控制，可將VOCs 作為直接一次燃料進行直接燃燒，下面本文將對VOCs 燃燒法處理技術(shù)及發(fā)展進行探討。

1 簡述VOCs 的來源及危害

1.1 VOCs的概念

VOCs 的全稱為 “Volatile Organic Compounds”，被翻譯為“易揮發(fā)性有機物”。在實際研究中會將其縮寫為VOCs，以此便于后續(xù)不同的機構(gòu)組織和管理。當前世界對VOCs 的定義尚未明確，各類特性等尚未完全統(tǒng)一，但其來源和危害已基本確認，如美國國家環(huán)保局（EPA）將VOCs 可能造成的危害進行了統(tǒng)計與確認，其中包括參加大氣光化學反應(yīng)的碳化合物，但明確了一氧化碳、二氧化碳、碳酸、金屬碳化物、金屬碳酸鹽和碳酸銨不屬于此類別；世衛(wèi)組織針對其物理熔沸點，將所有熔點低于室溫、沸點在50～260℃之間的揮發(fā)性有機物都定義為VOCs。

隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，一系列的環(huán)境污染和資源浪費問題也隨之出現(xiàn)，城市空氣污染便是較為常見的問題之一，其不僅影響著我國城市人民的生活居住環(huán)境，也在一定程度上降低了發(fā)展的速度，為避免生態(tài)環(huán)境受到污染，我國對于VOCs 的排放產(chǎn)生光化學煙霧的問題加大了關(guān)注力度，在此基礎(chǔ)上頒布了多個政策性文件，科學性、針對性和有效性不斷提升，實現(xiàn)社會經(jīng)濟和宜居生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。我國揮發(fā)性有機物的概念為在實際生產(chǎn)條件下具有以上相應(yīng)揮發(fā)性的有機化合物，且能夠參與光化學反應(yīng)的有機化合物。綜合來看，世衛(wèi)組織與本土對于VOCs 的定義不盡相同，但對其本質(zhì)進行分析，所指的都是會破壞生態(tài)環(huán)境，影響人類身體健康的揮發(fā)性有機物。對VOCs 進行處理，自然變得順理成章[1]。

1.2 VOCs的來源

VOCs 來源于自然環(huán)境當中，但隨著現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，VOCs 與污染物的排放也有著一定的關(guān)系。不同來源在本質(zhì)上有著較大的區(qū)別。首先是天然源，主要包括了森林、湖泊、海洋、沙地等區(qū)域在揮發(fā)后出現(xiàn)的有機物，其排放出的污染物質(zhì)可以定義為VOCs。其次人為源，燃料燃燒、醫(yī)療廢物、化工生產(chǎn)、家具粉刷、大型印刷活動，都會成為滋生VOCs 的溫床，也有機動車、加油站等油氣揮發(fā)，還有餐飲油煙、干洗店和美發(fā)店等有機物揮發(fā)等[2]。具體則可分為固定源和流動源兩大類，其中固定源顧名思義指的是一定會出現(xiàn)VOCs 的源頭，如石燃料和生物質(zhì)燃燒揮發(fā)、溶劑使用揮發(fā)等，且工業(yè)生產(chǎn)中也會出現(xiàn)大量的VOCs；而流動源是指所有和機動車、船、飛機等交通工具相關(guān)的排放，此類排放會隨著物體的移動而導致VOCs 隨之移動，即具有一定的不流動性，因此治理中的難度更大。

VOCs 排入環(huán)境空氣后，其在大氣中的含量就由氣象條件和大氣化學轉(zhuǎn)化條件所決定，不受人類控制。因此，人類要降低環(huán)境空氣中VOCs 的含量，只能通過減少其排放來實現(xiàn)，而空氣中的VOCs 自然源排放難以被人類控制，因此我們所能做的就是降低人為排放VOCs 的強度[3]。一是對各種含VOCs 的廢氣進行治理，以減少排放；二是對生產(chǎn)過程中的VOCs泄漏進行封堵或回收，以減少排放；三是減少化石燃料的使用，減少對各種含VOCs 物質(zhì)的使用量，從源頭控制VOCs 污染物的產(chǎn)生。

1.3 VOCs的分類

現(xiàn)代研究將VOCs 分為8 類：烷烴類、芳香烴類、烯烴類、鹵代烴類、酯類、醛類、酮類和其他化合物。這些化合物的性質(zhì)截然不同，但對于環(huán)境的影響卻不容忽視：醛類物質(zhì)能夠污染空氣，酮類物質(zhì)降解速度慢，酯類物質(zhì)分解快，容易進入到生態(tài)圈當中，從環(huán)保的角度來看，VOCs 正在破壞我們的家園。

此外，一些化學性質(zhì)較為活潑的揮發(fā)性有機物也加入到了VOCs 的大家庭當中，如三氯甲烷、三氯乙烷等。這些物質(zhì)的不穩(wěn)定，導致其容易與周邊環(huán)境中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，從而引發(fā)更為嚴重的環(huán)境污染問題。

空氣中的VOCs 受排放、輸送、化學反應(yīng)等多種因素影響。因此，不同地區(qū)可觀測到的VOCs 種類會有所不同。通常，溫暖季節(jié)在植被覆蓋較密的地區(qū)能檢測到由植物類天然源排放的、濃度較高的蒎烯和萜烯類化合物；城市地區(qū)較多地體 現(xiàn)出機動車船排放、汽油和溶劑使用等特征，VOCs 中芳香烴等含量相對較高；在城市和污染區(qū)域的下游地區(qū)能檢測到較多的烴類氧化之后的產(chǎn)物如醛、酮類等VOCs；在偏遠地區(qū)主要能檢測到一些反應(yīng)活性較弱的烷烴、炔烴類VOCs 及一些含氧VOCs 等[4]。

1.4 VOCs的危害

VOCs（揮發(fā)性有機物）是大氣中臭氧和PM2.5 的重要前體物，當VOCs 進入大氣環(huán)境后，經(jīng)過化學反應(yīng)會產(chǎn)生大量的臭氧和PM2.5，是造成大氣污染的重要污染物。

VOCs 極為復雜，部分物質(zhì)不包含生物毒性，因此對人體及動物基本無害。但環(huán)境空氣中部分VOCs 具有特殊氣味并且表現(xiàn)出刺激性、腐蝕性、器官毒性、致癌性，對人體健康造成較大的影響。以甲醛為例，在空氣中的擴散速度快，持續(xù)時間長，長時間吸入可能引發(fā)細胞癌變。芳香烴、二噁英等物質(zhì)帶有較強的生物毒性，可通過空氣、飲水等方式進入到身體當中。當空氣中揮發(fā)性有機物的含量不斷上升時，人體會出現(xiàn)頭痛、咳嗽、惡心等癥狀，如果無法及時離開有關(guān)環(huán)境并接受治療，大量的有機物沉積還有可能會引發(fā)肝中毒問題，更有甚者危及生命。

植物本身是可以產(chǎn)生并排放一些VOCs，人為排放的VOCs 對植物的毒害在通常情況下應(yīng)該也是微不足道的。但是，VOCs 經(jīng)大氣光化學反應(yīng)產(chǎn)生的一些污染物，例如O3和過氧乙酰硝酸等一些氧化性較強的氣態(tài)污染物，不但能危害人體健康，而且可傷害植物，嚴重時甚至導致其死亡。

2 VOCs 燃燒法處理技術(shù)在生態(tài)環(huán)境保護中的意義

2.1 提高生態(tài)意識

當前時代的發(fā)展建設(shè)速度較快，因此對自然界的索取不斷增加，從節(jié)制逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱丝燎?，對我國的生態(tài)環(huán)境造成了一定程度的損害，因此必須重視生態(tài)環(huán)境的保護工作，維持原有的生態(tài)平衡，以此來實現(xiàn)經(jīng)濟、環(huán)保的同步發(fā)展。由于大氣污染產(chǎn)生的原因不同，在新形勢背景下必須深入貫徹習近平生態(tài)文明思想，狠抓環(huán)境建設(shè)，加強環(huán)保力度。因此對于大氣污染的治理也需要采取不同的方案，對地區(qū)大氣中所含物質(zhì)進行測量和檢定，掌握當前地區(qū)的大氣污染情況，以此判斷地區(qū)的污染情況，確定大氣污染的治理方案，應(yīng)用VOCs 燃燒法處理技術(shù)，提高治理的有效性，方便后期治理工作的開展，最終解決VOCs 存留時間長、污染范圍大等問題，幫助地方保護生態(tài)環(huán)境。

2.2 減少對生態(tài)環(huán)境的不良影響

2021 年2 月8 日，生態(tài)環(huán)境部召開網(wǎng)絡(luò)安全和信息化領(lǐng)導小組2021 年第1 次全體會議，為了能夠減輕發(fā)展建設(shè)對環(huán)境的影響，研究部署環(huán)境監(jiān)測工作。環(huán)保相關(guān)工作需要貫徹“預防為主”的方針，突出生態(tài)環(huán)境保護的特點與性質(zhì)，加強對大自然生態(tài)環(huán)境的呵護，將自然環(huán)境修復定為可持續(xù)發(fā)展目標。

VOCs 燃燒法處理技術(shù)可以在環(huán)保方面作用明顯：借由燃燒處理，揮發(fā)性有機物轉(zhuǎn)化為無機物和無害物質(zhì)，可以通過填埋、二次加工等方式進行處理，從而降低生態(tài)環(huán)境的自我修復壓力，實現(xiàn)人與自然和諧相處。

2.3 實現(xiàn)發(fā)展建設(shè)的雙贏

經(jīng)濟的發(fā)展不能以破壞環(huán)境為代價，面對能夠在空氣、水中、固體當中長時間留存的VOCs，制定全新的發(fā)展方式刻不容緩。

為實現(xiàn)綠色科學化發(fā)展，需要提高對生態(tài)環(huán)境保護的認知，以“要金山銀山更要綠水青山”為綜合發(fā)展目標，針對VOCs 的留存問題制定處理對策，才能建立對環(huán)境友好的生態(tài)保護模式，從而以環(huán)保建設(shè)為經(jīng)濟發(fā)展夯實基礎(chǔ)，在全過程控制管理下將現(xiàn)代化建設(shè)理念落到實處。環(huán)保，實際上就是對自然資源和人類生活環(huán)境的綜合保護，是對發(fā)展中的負面問題的集中處理。

為進一步提高環(huán)保工作的執(zhí)行度，要求合理利用VOCs 燃燒法處理技術(shù)，可降低自然水資源、空氣資源所承載的修復壓力，保障自然資源的純凈、安全，控制后續(xù)的凈污染凈化成本。借助VOCs 燃燒法處理技術(shù)，揮發(fā)性有機物的留存時間被大幅縮短，環(huán)境所承受的壓力耕地，VOCs 燃燒法處理技術(shù)對于生態(tài)更為友好。

3 VOCs 燃燒法處理技術(shù)分析與研究

3.1 VOCs處理技術(shù)簡介

隨著環(huán)保政策的出臺和技術(shù)的飛速發(fā)展，我國揮發(fā)性有機化合物管理技術(shù)得到了極大的發(fā)展，VOCs 是揮發(fā)性有機化合物，工業(yè)生產(chǎn)對空氣質(zhì)量產(chǎn)生強烈、持續(xù)和深遠的影響，不同來源的VOCs 成分、濃度和毒性性質(zhì)也有所不同，為此需要通過回收法和分解法進行深度優(yōu)化，不斷完善源頭替代、過程控制、末端治理、精細管控四部分，通過吸附、吸收、冷凝和膜分離等方法對VOCs 進行處理，如活性炭吸附、沸石轉(zhuǎn)輪吸附、光催化、光氧化技術(shù)、低溫等離子體、生物法等，保證相關(guān)工作開展的有效性，針對VOCs 濃度低、處理頻繁等問題，需要在處理中以實際需求為基礎(chǔ)，避免污染物遺漏。分解法分為燃燒法和非燃燒法，可將其分為直接氧化與催化氧化和蓄熱氧化，在300～900℃的高溫下，使VOCs 燃燒分解為二氧化碳和水。

3.2 VOCs燃燒法處理技術(shù)

現(xiàn)有的VOCs 末端處理技術(shù)手段中，吸附法、冷凝法和膜分離法等比較適合于化工、制藥等企業(yè)回收有較高存在價值的高濃度VOCs 的處理技術(shù)手段，但是存在缺點是工藝成本高、維護成本高、耗材費用高等“三高”劣勢；吸收法適用于汽修企業(yè)等排出廢氣濃度較低、廢氣處理量少等，但是易造成二次污染；目前推廣較多的UV 光解法等光催化法技術(shù)手段，對光能利用率較低，處理效率受限較多，且易產(chǎn)生二次污染；以上技術(shù)，由于其自身特性特點等限制，只能適用于特定的行業(yè)或工藝。隨著環(huán)保意識的加強以及政府對大氣污染防治力度的加強，針對VOCs 出臺的相關(guān)政策法規(guī)也將會越來越完善。

3.2.1 直燃技術(shù)

VOCs 是一種熱量較高的燃料，直接氧化處理技術(shù)可以將其作為直接一次燃料進行直接燃燒，適用于VOCs 熱度值和VOCs 濃度均較高的廢氣，該處理技術(shù)手段的優(yōu)點為工藝簡單、設(shè)備投資少，缺點為技術(shù)使用范圍小、能耗大、運行成本較高、可能產(chǎn)生二次污染等。

3.2.2 蓄熱式熱氧化處理技術(shù)

蓄熱式熱氧化技術(shù)（RTO），英文名為“Regenerative Thermal Oxidizer”。RTO 蓄熱式熱氧化回收熱量采用一種新的非穩(wěn)態(tài)熱傳送方式，通過對有機廢氣的加熱，可將VOC 轉(zhuǎn)化為對環(huán)境無害的二氧化碳和水，降低環(huán)境的自我修復壓力。蓄熱式燃燒技術(shù)成本低、效率高、適用于高濃度VOCs 廢氣處理，在處理含硅有機物時，應(yīng)采用抗氧化硅蓄熱陶瓷，借助陶瓷體升溫燃燒避免蓄熱體堵塞，對于中低濃度廢氣，這種處理方式成本低、效益高，能夠避免出現(xiàn)二次污染。

3.2.3 催化燃燒技術(shù)

催化燃燒由于其在較低溫度下能夠?qū)OCs 轉(zhuǎn)化成CO2和H2O，在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。催化燃燒技術(shù)（CO）：通過貴重金屬催化劑降低有機物與氧氣反應(yīng)的活化能，保障有機物在較低溫度時便能夠充分氧化，并通過無焰燃燒產(chǎn)生分解揮發(fā)性物質(zhì)。該處理方式熱量利用率較高，在處理過程中不會產(chǎn)生高溫與廢氣，簡化了后續(xù)的環(huán)境保護流程。對于吸附劑再生脫附出來的高濃度廢氣，一般用這一方法進行處理。氧氣和VOCs 分子被吸附在催化劑中處于還原態(tài)的貴金屬活性位點上，VOCs 分子與催化劑中金屬氧化物的晶格氧發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成CO2和H2O，從催化劑表面脫附，即金屬中心被還原氧空位消失，能夠保證技術(shù)應(yīng)用實際效果。

3.2.4 蓄熱式催化燃燒法

蓄熱催化燃燒（RCO）是指利用VOCs 氧化催化劑的作用，催化氧化有機廢氣中的VOCs，同時利用蓄熱體的蓄熱能力對VOCs 氧化反應(yīng)產(chǎn)生的能量和加熱設(shè)備產(chǎn)生的熱量進行循環(huán)利用的工業(yè)有機廢氣凈化裝置。蓄熱陶瓷（或其他惰性材料床）使用壽命較長，而蓄熱熱氧化處理技術(shù)核心點為通過蓄熱陶瓷塊或其他高密度惰性材料床層中處理，該步驟的主要目的為吸收并儲存部分熱能，采用管殼式換熱器交換能量，再將該部分熱能傳遞給入口處低溫度廢氣，最長可達到10a 或者以上。為進一步提高生態(tài)環(huán)境治理的效果，需要預先進行連續(xù)自動采樣，配用污染組分連續(xù)或間歇自動監(jiān)測儀器，得到任何一段時間如1h、1d，或年、季度的代表值，可以在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)設(shè)置3-4 個采樣點，采用綜合治理方法，落實相關(guān)治理措施，為治理提供數(shù)據(jù)支持。蓄熱催化燃燒技術(shù)的總體優(yōu)點有能同時凈化多種有機廢氣、流程簡單、安全性高、運行成本低、熱回收效率高、廢氣處理效率高等，缺點有催化劑容易堵塞、催化劑堵塞時會降低催化活性進而影響最終處理效率、催化劑更換成本較高等。

結(jié)語

綜上所述，為了降低各大行業(yè)排放的VOCs 對空氣質(zhì)量造成的直接影響和對臭氧濃度高升造成的間接影響，科研單位和相關(guān)學者還要加大對VOCs 末端處理技術(shù)手段的研究。同時更要加強設(shè)備的安全性、穩(wěn)定性?？傊?，只有針對性的各個行業(yè)開發(fā)相適應(yīng)的VOCs 末端處理技術(shù)手段（或技術(shù)組合），才能確保涉VOCs 排放企業(yè)/行業(yè)廢氣末端達標排放、超低排放，甚至達到無污染排放。