噴淋吸收-活性炭吸附工藝在化工行業(yè)VOCs廢氣治理與控制中的應(yīng)用

摘 要：噴淋吸收-活性炭吸附工藝是一種有效的揮發(fā)性有機(jī)化合物VOCs（Volatile Organic Compounds）治理技術(shù)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于化工行業(yè)VOCs廢氣治理和控制。鑒于此，在介紹各種VOCs末端處理技術(shù)工藝原理的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了噴淋吸收-活性炭吸附工藝流程和優(yōu)化，結(jié)合某化工企業(yè)罐區(qū)和裝車區(qū)廢氣特點(diǎn)和成分，分析了廢氣入口工況、工藝選擇，研究了工藝流程設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、運(yùn)行參數(shù)及安全自控保障措施，探討了該工藝在化工行業(yè)VOCs廢氣治理與控制中的應(yīng)用前景和發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：VOCs；噴淋吸收-活性炭吸附工藝；化工行業(yè)；廢氣治理與控制

中圖分類號：X511? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）13-0085-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.13.022

1? ? VOCs的定義、產(chǎn)生原因與危害

1.1? ? VOCs的定義

揮發(fā)性有機(jī)化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）是指室溫下飽和蒸汽壓超過133.32 Pa的有機(jī)化合物，它可以從固體或液體表面揮發(fā)出來，且易于在空氣中傳播。VOCs包括多種不同的化學(xué)物質(zhì)，如烴類、醇類、酮類、醛類、酯類、苯系化合物等[1]。

1.2? ? VOCs的產(chǎn)生原因

VOCs產(chǎn)生的源頭非常廣泛，主要表現(xiàn)在：1）工業(yè)過程，許多工業(yè)過程中會產(chǎn)生大量的VOCs，尤其是化學(xué)品制造、印刷、金屬加工、油漆和涂料等行業(yè)；2）在交通運(yùn)輸方面，汽車、貨車、船舶和飛機(jī)等交通工具都會排放VOCs，其中尤以汽車為主，在交通堵塞區(qū)域，排放的VOCs占總排放量的比例更高；3）農(nóng)業(yè)活動(dòng)也是一種重要的VOCs來源，如肥料和農(nóng)藥的使用、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)作物的生長和收獲等，此外，農(nóng)牧產(chǎn)品的后期處理，如食品加工、制藥等，也會產(chǎn)生較多的VOCs；4）日常生活中各種日用品和家居產(chǎn)品也會釋放出VOCs，例如清潔劑、化妝品、辦公用品、家具、地毯、油漆和涂料等都會釋放出一些揮發(fā)性有機(jī)物；5）現(xiàn)實(shí)中還存在大氣化學(xué)反應(yīng)，加重了大氣污染問題。

1.3? ? VOCs的危害

VOCs對人類健康和環(huán)境都有著很大的危害。VOCs對人體健康的影響包括可引起頭痛、眼部和呼吸道刺激、惡心等癥狀，甚至能誘發(fā)癌癥和神經(jīng)系統(tǒng)損傷等嚴(yán)重疾病。一些VOCs被歸類為致癌物質(zhì)，例如苯、甲醛等。大氣污染和光化學(xué)smog（煙霧和霧霾組成的空氣污染物）的形成：VOCs是光化學(xué)反應(yīng)的重要組成部分，與NOx等其他污染物反應(yīng)后，會促進(jìn)臭氧和PM2.5等有害物質(zhì)的形成。這些大氣污染物對人體健康和環(huán)境都帶來極大的威脅。VOCs對環(huán)境的影響包括會對水體和土壤造成污染，影響生態(tài)平衡和生物多樣性。例如，含有VOCs的水體可能導(dǎo)致微生物和其他生物受到毒性影響。VOCs是溫室氣體之一，它們的釋放也會加劇全球氣候變暖問題。

2? ? 現(xiàn)階段VOCs廢氣治理工藝綜述

2.1? ? 政策和標(biāo)準(zhǔn)

目前，國際上對VOCs排放控制的主要政策和標(biāo)準(zhǔn)有歐盟VOCs指令、美國EPA的VOCs排放標(biāo)準(zhǔn)、日本的VOCs排放限值等。這些政策和標(biāo)準(zhǔn)主要針對涂料、印刷、表面處理、汽車等行業(yè)。我國對VOCs排放控制的政策和標(biāo)準(zhǔn)主要有《大氣污染防治法》、《VOCs排放標(biāo)準(zhǔn)》、《VOCs治理技術(shù)政策》、GB 31571—2015《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》和HJ 656—2013《環(huán)境空氣顆粒物（PM2.5）手工監(jiān)測方法（重量法）技術(shù)規(guī)范》等。地方層面的則有各省市頒布的相關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)，如北京市的《北京市大氣污染防治條例》等。

2.2? ? VOCs治理技術(shù)分類

為減少VOCs廢氣的排放，各種廢氣治理技術(shù)被開發(fā)出來，每種技術(shù)都有其獨(dú)特的處理原理和優(yōu)缺點(diǎn)，可以根據(jù)不同的廢氣成分和排放條件選擇合適的技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)廢氣成分、排放濃度和處理要求等多種因素綜合考慮，選擇合適的廢氣治理技術(shù)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，VOCs廢氣治理技術(shù)將會變得更加高效、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保[2]。VOCs廢氣治理技術(shù)分類以及應(yīng)用對比如表1所示。

不同的技術(shù)適用于不同濃度的廢氣處理，也具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。在選擇廢氣治理技術(shù)時(shí)，需要根據(jù)廢氣的濃度大小以及實(shí)際情況綜合考慮各種因素。

3? ? 噴淋吸收-活性炭吸附工藝在化工行業(yè)VOCs廢氣治理與控制中的應(yīng)用

噴淋吸收-活性炭吸附工藝是一種常用于化工行業(yè)VOCs廢氣治理與控制的技術(shù)。該工藝通過噴淋液將有機(jī)廢氣污染物溶解于液相中，然后利用活性炭吸附劑對液相中的有機(jī)物進(jìn)行吸附，從而凈化廢氣。

3.1? ? 工藝原理

噴淋吸收：噴淋吸收一般采用水作為溶劑，將VOCs廢氣冷卻、濕潤和稀釋，使有機(jī)物質(zhì)溶解在水中，達(dá)到去除效果。噴淋吸收通過在噴淋塔內(nèi)部安裝填料，增加相界面的接觸，從而提高有機(jī)物與水之間的傳遞速率。同時(shí)，在噴淋過程中可以添加酸、堿等物質(zhì)調(diào)節(jié)pH，以便改善有機(jī)物的溶解度和吸附效果。

活性炭吸附：活性炭是一種具有高比表面積和孔隙率的固體吸附劑，可以有效吸附廢氣中的有機(jī)物質(zhì)。其原理是利用吸附劑表面的活性位點(diǎn)與有機(jī)物分子間的作用力，使有機(jī)物分子被分離出來并吸附在吸附劑表面?；钚蕴课絻?yōu)勢在于比表面積大，可提供更多的吸附位點(diǎn)，且可以重復(fù)使用，易再生。經(jīng)過噴淋吸收和活性炭吸附處理后，廢氣中的VOCs被去除，處理后的廢氣可以安全地排放到大氣中[3]。

3.2? ? 工藝應(yīng)用及優(yōu)缺點(diǎn)

該工藝廣泛應(yīng)用于化工、印染、涂裝等行業(yè)的廢氣處理和控制中，如汽車尾氣、油漆廢氣、化工生產(chǎn)中的揮發(fā)性有機(jī)物等，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）適用范圍廣：噴淋吸收-活性炭吸附工藝能夠處理多種類型的有機(jī)廢氣，具有很好的通用性。同時(shí)，該工藝還適用于處理含有水溶性有機(jī)物的廢氣。2）效率高：該工藝的廢氣去除率通常能達(dá)到90%以上，且不受溫度影響。此外，當(dāng)廢氣中的水溶性有機(jī)物較高時(shí)，其處理效果更佳。3）運(yùn)行成本低：相對于其他技術(shù)，該工藝的運(yùn)行成本較低，因?yàn)樵摴に嚥恍枰褂冒嘿F的催化劑，僅需周期性更換活性炭即可。此外，該工藝還可以回收有機(jī)物，實(shí)現(xiàn)資源化利用，降低了處理成本。4）操作簡便：此工藝采用普通設(shè)備運(yùn)作，操作方便，維護(hù)容易，而且廢水經(jīng)過初步處理后，也可以回收利用。

該技術(shù)的主要缺點(diǎn)是廢水處理難度大，需要進(jìn)一步處理才能排放。此外，若廢氣中VOCs濃度低，會導(dǎo)致活性炭使用率低，降低吸附效果。

4? ? 化工行業(yè)VOCs廢氣噴淋吸收-活性炭吸附工藝治理案例

4.1? ? 尾氣工況介紹

該案例企業(yè)主要生產(chǎn)甲醇、醋酸，在生產(chǎn)、存儲、運(yùn)輸、裝卸等過程中會產(chǎn)生大量的揮發(fā)性有機(jī)氣體，主要涉及甲醇成品儲罐、醋酸成品儲罐、甲醇及醋酸裝車等區(qū)域，目前這些區(qū)域基本還未安裝廢氣治理設(shè)備，不論是罐頂氣還是裝車過程中的揮發(fā)氣，簡單治理后排入大氣中，對空氣造成污染，無法滿足當(dāng)?shù)丨h(huán)保要求。因此，需收集甲醇、醋酸各單元產(chǎn)生的廢氣，并加裝廢氣處理裝置，使處理后的尾氣滿足GB 31570—2015《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》及相關(guān)地方標(biāo)準(zhǔn)要求，最終由排氣筒統(tǒng)一達(dá)標(biāo)排放。儲罐區(qū)及裝卸區(qū)來氣各組分源強(qiáng)統(tǒng)計(jì)如表2所示。

4.2? ? 工藝設(shè)計(jì)

本案例擬在以上廢氣設(shè)備之后建設(shè)廢氣處理裝置一套，治理儲運(yùn)車間甲醇、醋酸罐區(qū)及甲醇、醋酸裝車區(qū)產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)物。裝置擬采用吸收加吸附工藝對甲醇和醋酸的揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行混合治理，吸收廢液通過管線接至醋酸車間原有排污管線排至污水處理廠[4]。治理工藝示意圖如圖1所示。

4.3? ? 工藝原理詳細(xì)介紹

本案例工藝采用“兩級吸收+吸附”的工藝來處理甲醇和醋酸的混合廢氣，整個(gè)工藝分為廢氣收集單元、吸收單元、吸附單元和排放單元四部分。

廢氣收集單元是從灌頂呼吸閥和裝車鶴管開始，包含管道、三通、閥門等，將現(xiàn)有儲運(yùn)車間灌頂氣及裝車鶴管引出，匯合收集至廢氣母管，最終進(jìn)入廢氣處理裝置，其中管道材質(zhì)選用316L，醋酸廢氣過流管道需采用伴熱和保溫。從匯總母管收集的廢氣首先進(jìn)入吸收單元，吸收單元分為預(yù)吸收和粗吸收兩部分，其中一級塔為預(yù)吸收塔，二級塔為粗吸收塔，兩個(gè)塔底部連通。脫鹽水作為吸收劑首先進(jìn)入二級塔中，通過在填料層中的氣液充分接觸，甲醇、醋酸氣體溶于水中，變成低濃度的甲醇、醋酸水溶液，由于兩個(gè)塔塔釜連通，甲醇、醋酸水溶液通過自流進(jìn)入預(yù)吸收塔，在預(yù)吸收塔設(shè)有兩臺循環(huán)泵，將溶液通過塔頂?shù)膰娮靽姷教盍仙戏?，作為預(yù)吸收塔的吸收劑，預(yù)吸收塔的吸收劑和廢氣進(jìn)氣充分接觸，將大量的甲醇和醋酸溶于水中，得到一定濃度的廢氣，廢氣通過輸送泵輸送至甲方指定的位置。

經(jīng)過吸收單元后廢氣中甲醇及醋酸的含量已經(jīng)非常低，為保證最終環(huán)保達(dá)標(biāo)，在吸收單元后設(shè)置吸附單元，吸附單元內(nèi)裝填有活性炭，廢氣進(jìn)入吸附單元后，在范德華力作用下，部分甲醇及醋酸分子會吸附在活性炭上，進(jìn)一步減少廢氣中的甲醇、醋酸含量，使廢氣滿足環(huán)保要求，通過風(fēng)機(jī)和煙囪達(dá)標(biāo)排放。噴淋吸收-活性炭吸附工藝流程如圖2所示。

4.4? ? 主要設(shè)備選型

主要設(shè)備選型結(jié)果如表3所示。

4.5? ? 安全與控制

工藝裝置及輔助生產(chǎn)設(shè)施的壓力容器、壓力管道的設(shè)計(jì)及制造嚴(yán)格執(zhí)行GB 150—2011《壓力容器》、GB 50316—2000《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》及其他有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，所用氣動(dòng)閥、變頻風(fēng)機(jī)、循環(huán)泵、溫度測量儀表、壓力測量儀表等均為防爆產(chǎn)品，系統(tǒng)吸收單元和吸附單元之間應(yīng)設(shè)置阻火閥。裝置設(shè)計(jì)也充分考慮了冬季正常運(yùn)行及異常停車狀態(tài)下的防凍要求。

整個(gè)系統(tǒng)采用PLC全自動(dòng)控制運(yùn)行，現(xiàn)場控制柜中觸摸屏只用作觀察，控制信號傳送至車間操作室，在上位機(jī)上進(jìn)行操作和監(jiān)控，同時(shí)傳送給車間DCS系統(tǒng)。正常時(shí)全自動(dòng)控制運(yùn)行，若觸發(fā)報(bào)警或聯(lián)鎖則執(zhí)行相應(yīng)的安全措施。

4.6? ? 處理效果及經(jīng)濟(jì)效益分析

實(shí)際處理后VOCs濃度檢測數(shù)據(jù)如表4所示，可知該工藝可以實(shí)現(xiàn)95%以上VOCs的去除，去除率高。

噴淋吸收-活性炭吸附工藝操作簡便，易于維護(hù)和管理；此外，在廢氣量小、污染物濃度較低的情況下，該工藝還能直接以自然對流方式進(jìn)行處理。在經(jīng)濟(jì)效益方面，相對于其他處理技術(shù)，該工藝成本較低，具有較好的經(jīng)濟(jì)性；該工藝的能耗主要集中在風(fēng)機(jī)和泵的使用上，由于該工藝的操作壓力較低，因此能耗相對較低；此外，工藝的設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，吸收液和活性炭的更換也相對容易，因此維護(hù)成本也較低。

5? ? 結(jié)論與展望

噴淋吸收-活性炭吸附工藝在處理VOCs廢氣方面具有較好的效果和經(jīng)濟(jì)效益，它在不同類型的廢氣治理中均可采用，操作簡便，易于維護(hù)和管理，成本較低，節(jié)省能源，具有回收價(jià)值。但需要注意的是，該工藝液體吸收劑和吸附劑的選擇需根據(jù)廢氣成分和處理要求進(jìn)行調(diào)整，否則可能會導(dǎo)致處理效果下降或者產(chǎn)生新的環(huán)境問題；此外，吸附劑的再生也需要進(jìn)行專業(yè)處理，否則會產(chǎn)生二次污染。未來VOCs廢氣治理技術(shù)的發(fā)展方向主要包括以下幾個(gè)方面：一是提高VOCs廢氣治理的效率和穩(wěn)定性；二是探索新型吸附材料的開發(fā)，例如基于納米技術(shù)的新型吸附材料，可有效提高VOCs廢氣治理的效率和成本效益；三是強(qiáng)化廢氣治理技術(shù)集成和智能化，例如將多種廢氣治理技術(shù)進(jìn)行互補(bǔ)和集成，同時(shí)采用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)加強(qiáng)廢氣治理設(shè)備的監(jiān)測和管理，以提高廢氣治理的整體水平。因此，在VOCs廢氣治理技術(shù)的研究和應(yīng)用方面，還有很大的發(fā)展空間。

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收稿日期：2023-03-14

作者簡介：魏建波（1985—），男，陜西寶雞人，碩士研究生，工程師，研究方向：化學(xué)工程。