簡析工業(yè)廢氣（VOCs）處理工藝設計與運行管理

劉克忠

（鶴山柏威皮革制品有限公司，廣東 江門 529700）

引言

VOCs處理工藝的設計及其運行管理，對于高效、經(jīng)濟、環(huán)保地處理工業(yè)廢氣具有至關重要的意義。其工藝設計旨在選擇合適的處理技術，以最大程度地去除VOCs污染物，并將其轉(zhuǎn)化為對環(huán)境影響較小的物質(zhì)。在設計過程中，相關人員需要綜合考慮廢氣組成、濃度、流量等因素，結(jié)合各種技術如吸附、催化氧化、生物處理等來實現(xiàn)高效凈化。而運行管理則包括設備維護、監(jiān)測系統(tǒng)建設、安全防護等方面，旨在保證處理系統(tǒng)的平穩(wěn)運行和安全運營。

1 我國工業(yè)廢氣現(xiàn)狀概述

1.1 我國工業(yè)廢氣研究現(xiàn)狀

揮發(fā)性有機物（Volatile Organic Compounds，VOCs）是僅次于顆粒物污染物的第二大類空氣污染物。VOCs是石油化工、印刷、制藥、橡膠和噴漆等工業(yè)領域常見的污染物。目前已檢測出的VOCs有300多種，依據(jù)化學結(jié)構分為烷烴、苯系物、烯烴、炔烴、醇類、醚類、鹵代烴等化合物共12類。

隨著各省市相關政策的出臺，相關人員逐漸加強了對典型行業(yè)VOCs污染特征和工業(yè)源治理的精細化研究，對VOCs排放限值和收費標準的管理也有不少研究。研究領域更加多樣化，使得對VOCs的研究到達了新階段。

1.2 VOCs的危害

VOCs主要來源是工業(yè)制造及化工燃燒、涂料的使用，VOCs具有一定揮發(fā)性、刺激性、毒性、致癌性。目前，VOCs的危害主要集中在以下幾方面。

1.2.1 對身體健康的影響

目前檢測出的300多種VOCs，有近20種為高致癌物質(zhì)及有毒物質(zhì)。如果人們長期生活在含有大量VOCs廢氣的環(huán)境中，可能導致人體中毒，輕者可能出現(xiàn)頭暈、惡心、嘔吐等癥狀；嚴重者會出現(xiàn)肝臟中毒，危及生命健康。

1.2.2 對生態(tài)環(huán)境的影響

VOCs能夠參與大氣中二次氣溶膠的形成，導致出現(xiàn)霧霾天氣。同時，在紫外線作用下，VOCs中的碳氫化合物和空氣中的氮氧化物發(fā)生反應，產(chǎn)生大量煙氣，引發(fā)大氣光化學煙霧事件發(fā)生。同時，反應生成的其他顆粒物在光線散射作用下，降低了空氣能見度，長此以往會破環(huán)生態(tài)平衡[1]。

2 VOCs的處理工藝

2.1 VOCs處理工藝概述

發(fā)展高效、節(jié)能、綠色環(huán)保的VOCs降解技術，對社會發(fā)展具有十分重要的意義。工業(yè)廢氣VOCs處理工藝包括吸收法、吸附法、氧化法、低溫等離子法、生物法等[2]。根據(jù)我國國情，燃燒氧化法和吸附法最符合企業(yè)的經(jīng)濟效益；生物法和低溫等離子法是近幾年VOCs廢氣處理的技術熱點。

2.1.1 吸收法

吸收法利用不同氣體在一定溶劑中溶解度的不同，對氣體混合物進行分離和回收。在實際應用中，VOCs吸收器一般采用填料洗滌吸收塔，以柴油、碳酸丙烯酯等材料作為VOCs吸收劑。吸收法的優(yōu)點是操作簡單、成本低廉，但是缺點也比較明顯，其治理效率不高且容易對治理設備造成損害。

此外，水噴淋法也是吸收法的一種。水噴淋法是指廢氣經(jīng)收集之后，部分較重的組分受重力作用溶解于水中，其他廢氣則繼續(xù)通過水噴淋和抽風系統(tǒng)超微霧化；較輕組分在上升過程中與水充分接觸，廢氣中的細小顆粒與水混合并附著，其余組分繼續(xù)上升，最后被收集，以達到凈化廢氣的效果。

2.1.2 吸附法

吸附法需要先將VOCs吸附富集，然后再高溫高壓解吸回收，吸附法具有操作簡便、工藝成熟、能耗低、治理效率高的特點，但是其吸附劑需要具備高吸附容量和高速率、化學性質(zhì)穩(wěn)定、容易再生等特點。

當VOCs具有濃度低、風量大的特點時，采用分子篩吸附濃縮法可以達到良好效果，VOCs廢氣被凈化后從濃縮裝置的處理間達標排放。吸附劑能夠提供大量的接觸表面積，同時裝置旋轉(zhuǎn)能夠?qū)⑽胶蟮奈絼┺D(zhuǎn)至脫附區(qū)脫附再生，而冷卻后的廢氣，經(jīng)加熱后可以作為再生廢氣使用。

2.1.3 氧化法

氧化法處理VOCs廢氣需要外界條件的支持，因此根據(jù)條件工藝不同，又分為燃燒氧化法、催化燃燒法和光催化氧化法。

2.1.3.1 燃燒氧化法

在實際應用中，燃燒氧化法又分為直接燃燒和熱力燃燒。（1）直接燃燒是指將VOCs廢氣、空氣和助燃料直接在爐膛燃燒處理，此方法適用于VOCs濃度較高的廢氣。（2）熱力燃燒是在對VOCs廢氣進行處理時，先利用燃料燃燒的熱量預熱，減少輔助燃料的使用，以達到較好的VOCs廢氣凈化處理效果。這種方法對燃料燃燒的熱量利用率較高，經(jīng)濟效益較好，在國外應用廣泛。

2.1.3.2 催化燃燒法

催化燃燒技術是將VOCs廢氣預熱，等溫度到達起燃溫度后，會在催化劑表面氧化分解，以此徹底凈化VOCs廢氣。該法目前使用的催化劑有貴金屬催化劑、非貴金屬催化劑和復合催化劑。貴金屬催化劑中的Pd和Pt由于起燃溫度高、耐熱性好、催化效率高等優(yōu)點而被廣泛應用，但價格昂貴、資源稀缺；非貴金屬催化中，Mn和Ce的氧化物使用壽命長且成本低廉，是較理想的催化材料，但受制于催化劑的制備和載體的選擇而沒有得到廣泛應用。

催化燃燒技術具有安全性高、能量消耗低、沒有二次污染等優(yōu)點，而且操作工藝簡單，對VOCs的濃度和熱量值限制較小，但缺點也比較明顯，比如其工藝條件較為嚴格。

2.1.3.3 光催化氧化法

光催化氧化技術的原理是在光照條件下，催化劑導帶電子發(fā)生躍遷，產(chǎn)生空電子對。躍遷電子和空穴分別與氧氣和水分子結(jié)合，產(chǎn)生具有強氧化性的自由基，從而氧化分解空氣中的有機物分子。光催化氧化技術的優(yōu)點是節(jié)能安全，成本低、條件溫和且礦化率高。但是在實際應用中，催化劑在高濃度VOCs廢氣中容易失去活性，因此光催化氧化技術受催化劑材料比表面積和催化劑與VOCs接觸面積的限制。在目前的應用中，光催化氧化技術只適用于處理VOCs濃度較低的廢氣。

目前經(jīng)常使用的催化材料是TiO2和ZnO，其具有安全無毒、來源廣泛的優(yōu)點。在降解VOCs的工藝中，催化劑的應用一是作為空氣凈化設備的填料；二是作為功能圖層應用于光催化表面。有研究表明，TiO2在作為功能圖層方面取得了良好進展，并在多個場合得以應用。

2.1.4 低溫等離子法

低溫等離子技術是利用自由基和高能電子將廢氣在短時間內(nèi)分解，同時引發(fā)后續(xù)反應。通過低溫等離子技術處理VOCs廢氣，在實際應用中優(yōu)勢顯著：（1）處理工藝在常溫常壓條件下完成；（2）自動化水平較高，可縮短反應流程且不受外界干擾；（3）設備簡單；（4）對高分子污染物處理效果明顯。但是其缺點也很明顯，就是運維成本較高。

2.1.5 生物法

生物法的原理是利用聚集在有孔且潮濕介質(zhì)上的微生物的生命活動，將廢氣中的有害物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐远趸己退疄橹鞯臒o機物。通常認為生物凈化廢氣需要三步：首先，廢氣和水需要進行接觸并溶于水；其次，在具有濃度差的條件下，溶于水的有機廢氣擴散至生物膜附近并被生物膜捕捉；最后，微生物利用自身代謝將捕捉到的有機廢氣轉(zhuǎn)化為無害無機物。生物法處理較低濃度的VOCs效果良好。

2.2 幾種工藝的優(yōu)缺點比較

幾種工藝優(yōu)缺點的比較見表1。

表1 幾種工藝的優(yōu)缺點比較

2.3 VOCs處理工藝的選擇

2.3.1 利用工藝特點選擇工藝

2.3.1.1 吸收法

吸收法常用吸收劑的特點是飽和吸收量大、沸點高、化學穩(wěn)定性好、蒸汽壓低且不容易起泡、成本低廉。吸收法能夠有效減少廢氣中的有機物，工藝簡單、適應性廣、吸收劑能再生，能有效回收有機物。同時吸收法回收效率低，且吸收劑耗能高，需不斷補充吸收劑。

2.3.1.2 吸附法

吸附法需要利用吸附劑對有機廢氣進行富集，常見的吸附劑有活性炭、硅膠、沸石、礦物黏土、活性氧化鋁、聚合物等。活性炭因為孔徑分布廣，吸附過程快等優(yōu)勢是使用最廣泛的吸附劑。但是活性炭處理高沸點廢氣時，活性炭微孔容易堵塞，難以恢復，且在處理過程中，隨著廢氣濃度的升高，容易引發(fā)自燃，因此活性炭的處理成本和工藝安全成為其不足之處。

2.3.1.3 冷凝法

冷凝法優(yōu)勢比較明顯，即工藝簡單、自動化程度高、回收純度高，但其對制冷系統(tǒng)要求也較高，能耗大。對高沸點有機物，尤其是價值高的油氣處理多采用冷凝技術。鄭新等[3]基于對冷凝系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化，設計出甲苯冷凝回收系統(tǒng)，測試結(jié)果顯示，冷級負荷降低了69.6%，能耗降低了38.9%.

2.3.1.4 生物法

生物法在歐洲得到廣泛應用，我國自上世紀90年代開始研究生物法處理VOCs廢氣，取得了很大進步。蔡岐峰等[4]利用生物膜處理低濃度甲苯廢氣，當甲苯濃度在0.183～1.803 mg/L，氣體流量在86.4～190.8 L/h時，增加甲苯流量和濃度，甲苯生化去除量最大值為157.13 mg/L。生物法在實際應用中，受到VOCs廢氣種類、濃度、溫度等不穩(wěn)定條件的影響，增大了試驗難度，因而這是生物法研究的方向之一。

2.3.2 利用廢氣濃度選擇工藝

當VOCs濃度較高時，即高于1%（10 000 ppm）時，通常需要對廢氣中的有機物進行回收。因此，可采用冷凝技術對廢氣中的有機物進行回收處理，經(jīng)過處理后的廢氣再采用其他技術進行處理，最后使尾氣達標后排空。

對中等濃度的VOCs（即1 000～10 000 ppm）進行處理時，若廢氣中不含可回收有機物，采用催化燃燒和高溫焚燒技術在經(jīng)濟性和安全性上更為合理。因此，催化燃燒和高溫焚燒技術近年來得到了廣泛應用。若廢氣中存在具有回收價值的有機物時，通常采用活性炭/活性炭纖維吸附+水蒸氣/高溫氮氣再生+冷凝工藝對廢氣中的有機物進行回收。如果廢氣中存在的有機物具有較高回收價值，吸附回收法也可用于低濃度廢氣中有機物的回收。

對于小于1 000 ppm的低濃度VOCs，目前的治理技術有很多選擇，如濃縮后處理技術、吸收技術、生物技術等，很多企業(yè)采用組合技術進行深度凈化。近年來，吸附濃縮技術在低濃度VOCs治理中應用比較廣泛。

3 VOCs污染防控與治理

3.1 VOCs治理中存在的問題

陸建海等[5]調(diào)查了浙江省工業(yè)涂裝VOCs的治理現(xiàn)狀，結(jié)果顯示：工業(yè)涂裝準入門檻較低，生產(chǎn)裝置低端，產(chǎn)生的廢氣收集效率低。調(diào)查的中小型企業(yè)半數(shù)未安裝VOCs處理設施，治理措施覆蓋率低，而低端、低效率技術使用廣泛。被調(diào)查企業(yè)吸附劑、吸收液等處理設施沒有及時更換，治理效果有限，管理形同虛設。

3.2 對策與建議

針對存在的問題和工藝改進，本文提出以下幾點建議：（1）優(yōu)化有機廢氣處理管控系統(tǒng)；（2）合理應用處理技術與設備；（3）提升業(yè)務人員的綜合素養(yǎng)。

4 水噴淋-活性炭吸附工藝的應用

4.1 水噴淋-活性炭吸附工藝流程

含有有機物的廢氣在抽風機的作用下從噴淋塔底高速進入，和向下流動被霧化的液體充分接觸，液體將廢氣中的顆粒物去除，凈化后的廢氣繼續(xù)上升后進入活性炭吸附層，廢氣中的污染物被表面多孔性活性炭吸附，從而凈化廢氣。由于噴淋塔內(nèi)有充分的氣液接觸條件，因此廢氣中的污染物能夠?qū)崿F(xiàn)最大化的分離效果。

生產(chǎn)原料在氣壓作用下形成有害物質(zhì)，這些物質(zhì)具有濃度高、粒徑?。ù蟛糠至皆?0 μm以下）的特點，如不經(jīng)過處理或堵塞活性炭孔徑，將導致活性炭在短時間內(nèi)失活。廢氣經(jīng)過噴淋，起到了清洗降解作用，然后再進入活性炭吸附層吸附。使用比表面積大（500～1 500 m2/g）、穩(wěn)定性好的活性炭能吸附大流量、低濃度的有機廢氣，被噴淋凈化的氣體經(jīng)活性炭吸附處理后由排風管達標排放。

4.2 水噴淋塔

水噴淋塔是結(jié)合國內(nèi)外廢氣處理技術設計，借助噴淋和旋流技術研發(fā)的一套不銹鋼旋流塔廢氣處理設備，如圖1所示。

圖1 不銹鋼旋流塔廢氣處理設備

旋流廢氣處理設備由旋流層、循環(huán)水箱、塔體、進風口、出風口、噴淋層、除霧層、出風錐筒、填料、水泵、水管、觀察檢修口等部分組成，采用不銹鋼材質(zhì)，具有安裝維護方便的優(yōu)勢。

經(jīng)過收集的有機廢氣在重力作用下，部分較重的廢氣下沉進入水中，其他廢氣在抽風機作用下向上運動，經(jīng)過旋流層與水霧接觸，大部分廢氣在水霧作用下進入水箱；其余廢氣繼續(xù)向上運動，在噴淋和吸附作用下，廢氣得到凈化。凈化后的廢氣在脫水層去除水分，經(jīng)出風口排空。

4.3 水噴淋-活性炭吸附工藝的特點

將液體通過霧化器細化后，能夠提高氣液接觸面積。經(jīng)噴淋后，廢氣中的水溶性組分或大顆粒成分隨液體下沉，達到凈化效果。水噴淋-活性炭吸附工藝多應用在水溶性廢氣的治理中（如噴漆、烘漆等含苯、甲苯、二甲苯等的VOC治理工藝），具有操作簡單、易于管理，造價低廉的優(yōu)點。

水噴淋-活性炭吸附工藝的設備優(yōu)勢：（1）能耗小，水源易得，經(jīng)處理后能回收利用；（2）應用范圍廣，對多種成分廢氣都具有良好的處理效果；（3）凈化效率高，二次污染少，適用于大風量、低濃度有機廢氣的處理；（4）活性炭能重復利用，操作方便，運行穩(wěn)定。

5 結(jié)語

VOCs廢氣直接排放不僅會對人們的健康和生活造成嚴重影響，也會嚴重損害生態(tài)環(huán)境，直接或間接地造成人們生活質(zhì)量下降。因此，VOCs處理是至關重要的問題，我們應從各個行業(yè)角度出發(fā)，選擇合適的處理技術，推進現(xiàn)有技術革新，制定合理的標準和政策，提升VOCs治理能力，從而提高人們的生活質(zhì)量。