VOC廢氣治理方法及優(yōu)缺點

一、有機廢氣治理技術

　　工業(yè)在生產過程中會生產大量對大氣環(huán)境有危害的氣體VOC。VOC是指在常溫下飽和蒸氣壓大于70Pa、常壓下沸點在260℃以內的有機化合物，包括烴類、氧烴類、含鹵烴類、氮烴及硫烴類化合物。VOCs種類繁多來源廣泛，分布面廣，治理難度大，總體而言，按照廢氣處理的方法，有機廢氣處理的方法主要有兩類：一類是回收法，另一類是消除法。回收法主要有炭吸附、變壓吸附、冷凝法及膜分離技術，回收法是通過物理方法，用溫度、壓力、選擇性吸附劑和選擇性滲透膜等方法來分離VOC的。消除法有熱氧化、催化燃燒、生物氧化及集成技術；消除法主要是通過化學或生化反應，用熱、催化劑和微生物將有機物轉變成為CO2和H2O。

　　1.回收技術

　　(1)活性炭吸附法

　　活性炭吸附是目前廣泛使用的回收技術，其原理是利用吸附劑(粒狀活性炭和活性炭纖維)的多孔結構，將廢氣中的VOC捕獲。將含VOC的有機廢氣通過活性炭床，其中的VOC被吸附劑吸附，廢氣得到凈化，而排入大氣。當活性炭吸附達到飽和后，對飽和的活性炭床進行脫附再生；通入水蒸汽加熱炭層，VOC被吹脫放出，并與水蒸汽形成蒸汽混合物，一起離開活性炭吸附床，用冷凝器冷卻蒸汽混合物，使蒸汽冷凝為液體。若VOC為水溶性的，則用精餾將液體混合物提純；若為水不溶性，則用沉析器直接回收VOC。因涂料中所用的“三苯”與水互不相溶，故可以直接回收。活性炭吸附技術主要用于廢氣中組分比較簡單、有機物回收利用價值較高的情況，其廢氣處理設備的尺寸和費用正比于氣體中VOC的數量，卻相對獨立于廢氣流量；因此，活性炭吸附床更傾向于低濃度大氣量，一般用于VOC濃度小于5000PPM的情況。適用于噴漆、印刷和粘合劑等溫度不高，濕度不大，排氣量較大的場所，尤其對含鹵化物的凈化回收更為有效。

　　(2)冷凝法

　　冷凝法是簡單的回收技術，將廢氣冷卻使其溫度低于有機物的露點溫度，使有機物冷凝變成液滴，從廢氣中分離出來，直接回收。但這種情況下，離開冷凝器的排放氣中仍含有相當高濃度的VOC，不能滿足環(huán)境排放標準。要獲得高的回收率，系統(tǒng)需要很高的壓力和很低的溫度，設備費用顯著地增加。冷凝法主要用于高沸點和高濃度的VOC回收，適用的濃度范圍為>5%(體積)。

　　(3)膜分離技術

　　膜分離系統(tǒng)是一種高效的新型分離技術，其流程簡單、回收率高、能耗低、無二次污染。膜分離技術的基礎就是使用對有機物具有選擇滲透性的聚合物膜，該膜對有機蒸氣較空氣更易于滲透10-100倍，從而實現(xiàn)有機物的分離。簡單的膜分離為單級膜分離系統(tǒng)，直接使壓縮氣體通過膜表面，實現(xiàn)VOC的分離，但單級膜因分離程度很低，難以達到分離要求，而多級膜分離系統(tǒng)則會大大增加設備投資。

　　(4)變壓吸附技術

　　該技術利用吸附劑在一定壓力下，先吸附有機物。當吸附劑吸附飽和后，進行吸附劑的再生。再生不是利用蒸汽，而是通過壓力變換來將有機物脫附。當壓力降低時，有機物從吸附劑表面脫附放出。其特點是無污染物，回收效率高，可以回收反應性有機物。但是該技術操作費用較高，吸附需要加壓，脫附需要減壓，環(huán)保中應用較少。

　　回收技術的適用范圍

　　粒狀活性炭主要用于脂肪和芳香族碳氫化合物、大部分含氯溶劑、常用醇類、部分酮類和酯類等的回收。常見的有：苯、甲苯、二甲苯、己烷、庚烷、甲基乙基酮、丙酮、四氯化碳、醋酸乙酯等，活性炭纖維吸附則可回收苯乙烯和丙烯晴等反應性單體，但費用較粒狀活性炭吸附要高的多。吸附法已廣泛用在噴漆行業(yè)的“三苯”、 醋酸乙酯、制鞋行業(yè)的“三苯”，印刷行業(yè)的甲苯、醋酸乙酯、電子行業(yè)的二氯甲烷和三氯乙烷的回收。活性炭吸附法要求廢氣中的VOC不能超過5000PPM，并且濕度不能>50%；當濃度>5000PPM時，則需在吸附前稀釋，對部分酮、醛、酯等含活性的物質不適用，該類VOC會與活性炭或在活性炭表面發(fā)生反應，堵塞炭孔，使活性炭失活。

　　冷凝法對高沸點的有機物效果較好，對中等和高揮發(fā)的有機物回收效果不好，該法適合VOC濃度>5%的情況，回收率不高。而大部分廢氣中均存在水分，溫度低于0℃時會結冰，降低系統(tǒng)的可靠性，故很少單獨使用。

　　膜分離方法適合于處理較濃的物流，隨著新高效膜的出現(xiàn)和系統(tǒng)造價的降低，它會成為一種重要的回收手段。

　　2.消除技術

　　(1)熱氧化

　　熱氧化系統(tǒng)就是火焰氧化器，通過燃燒來消除有機物的，其操作溫度高達700℃-1000℃。這樣不可避免地具有高的燃料費用，為降低燃料費用，需要回收離開氧化器的排放氣中的熱量。回收熱量有兩種方式，傳統(tǒng)的間壁式換熱和新的非穩(wěn)態(tài)蓄熱換熱技術。

　　間壁式熱氧化是用列管或板式間壁換熱器來捕獲凈化排放氣的熱量，它可以回收40%-70%的熱能，并用回收的熱量來預熱進入氧化系統(tǒng)的有機廢氣。預熱后的廢氣再通過火焰來達到氧化溫度，進行凈化，間壁換熱的缺點是熱回收效率不高。

　　蓄熱式熱氧化(簡稱RTO)回收熱量采用一種新的非穩(wěn)態(tài)熱傳遞方式。主要原理是：有機廢氣和凈化后的排放氣交替循環(huán)，通過多次不斷地改變流向，來大限度地捕獲熱量，蓄熱系統(tǒng)提供了極高的熱能回收。

　　VOC的有機廢氣進入RTO系統(tǒng)，首先進入耐火蓄熱床層1(該床層已被前一個循環(huán)的凈化氣加熱)，廢氣從床層1吸收熱能使溫度升高，然后進入氧化室；VOC在氧化室內被氧化成CO2和H2O，廢氣得到凈化；氧化后的高溫凈化氣體離開燃燒室，進入另一個冷的蓄熱床層2，該床從凈化排放氣中吸收熱量，并儲存起來(用來預熱下一個循環(huán)的進入系統(tǒng)的有機廢氣)，并使凈化排放氣體的溫度降低。此過程進行到一定時間，氣體流動方向被逆轉、有機廢氣從床層 2進入系統(tǒng)。此循環(huán)不斷地吸收和放出熱量，作為熱阱的蓄熱床也不斷地以進口和出口的操作方式改變，產生了高效熱能回收，熱回收率可高達95%，VOC的消除率可達到99%。

　　(2)催化燃燒

　　催化燃燒是一種類似熱氧化的方式來處理VOC的，它凈化有機物是用鉑、鈀等貴金屬催化劑及過渡金屬氧化物催化劑來代替火焰，操作溫度較熱氧化低一半，通常為 250℃-500℃。由于溫度降低，允許使用標準材料來代替昂貴的特殊材料，大大地降低設備費用和操作費用。與熱氧化相似，系統(tǒng)仍可分為間壁式和蓄熱式兩類熱量回收方式。

　　間壁式催化燃燒是在催化床后設一個換熱器，該換熱器在降低排放氣溫度的同時，也預熱含VOC的有機廢氣，其熱回收達60%—75%。該類氧化器早已用于工業(yè)過程。

　　蓄熱催化燃燒(簡稱為RCO)是一種新的催化技術。它具有RTO高效回收能量的特點和催化反應的低溫操作及能量有效性的優(yōu)點，將催化劑置于蓄熱材料的頂部，來使凈化達到優(yōu)，其熱回收率高達95%-98%。

　　RCO系統(tǒng)性能的關鍵是使用專用的催化劑，浸漬在鞍狀或是蜂窩狀陶瓷上的貴金屬或過渡金屬催化劑，允許氧化發(fā)生在RTO系統(tǒng)溫度的一半，既降低了燃料消耗，又降低了設備造價。現(xiàn)在，國內已經開始使用RCO技術進行有機廢氣的消除處理，很多RTO設備已開始轉變成RCO，這樣可以削減操作費用達33%-75%，并增加排放氣流量達20%-40%。

　　(3)集成技術(活性炭吸附+催化氧化)

　　對于大流量、低濃度的有機廢氣，單一使用上述方法處理費用太高，不經濟。利用炭吸附具有處理低濃度和大氣量的優(yōu)勢，先用活性炭捕獲廢氣中的有機物，然后用小 得多流量的熱空氣來脫附，這樣可使VOC富集10—15倍，大大地減少了處理廢氣的體積，使后處理設備的規(guī)模也大幅度地降低。把濃縮后的氣體送到催化燃燒 裝置中，利用催化燃燒適于處理較高濃度的特點來消除VOC。催化燃燒放出的熱量可以通過間壁換熱器，來預熱進入炭吸附床的脫附氣，降低系統(tǒng)的能量需要量。該技術利用活性炭吸附處理低濃度和大氣量的持點，又利用催化床處理適中氣量、高濃度的優(yōu)勢，形成一種非常有效的集成技術。國內也已開始利用此技術，用于噴漆、印刷和制鞋等排放大氣量、低濃度有機廢氣行業(yè)的治理。

　　消除技術的使用范圍

　　(1)熱氧化熱氧化系統(tǒng)在700℃-1000℃下操作，適于流量為2000-50000m3/h，VOC濃度為100-2000PPM的情況。

　　間壁式較蓄熱式的優(yōu)點是，用簡單的金屬換熱器來捕獲熱量，僅在幾分鐘即達到所需的操作條件，適于循環(huán)操作。

　　蓄熱熱氧化具有非常高的氧化溫度，可以處理難以熱分解的有機物，該系統(tǒng)98%-99%的VOC消除率是很常見的。熱回收效率為85%-95%。僅需少量或不需燃料即可運行，特別是對具有相對低VOC含量的氣體，它們比間壁熱氧化費用更低。

　　熱氧化的缺點是：①在高溫燃燒中產生了NOx，它也為危險排放物，需要進一步治理；②較慢的熱反應；③不能滿意地處理鹵化物，必需加后處理裝置洗滌塔，來處理酸性氣體；④進氣濃度不能>25%LEL；⑤高的設備投資費用。

　　(2)催化氧化

　　催化氧化是在比熱氧化低的溫度下進行，通常為250℃-500℃，其處理能力為2000-20000m3/h，適于VOC濃度為100-2000 PPM，其消除效率高達95%以上。低的操作溫度結合間壁換熱器，可以降低啟動所需的燃料。

　　催化燃燒較熱氧化有幾個優(yōu)點：①反應溫度較熱氧化低一半，節(jié)省了燃料;②停留時間短，降低了設備尺寸;③由于燃料減少，生成的CO也少，CO和VOC一起被 轉換;④較熱氧化系統(tǒng)需更少的啟動和冷卻時間;⑤低的操作溫度，排除了NOx的生成;⑥因溫度降低，允許使用標準材料來代替昂貴的特殊材料，RCO系統(tǒng)的 整個機械壽命將增加。

　　催化氧化也有不足：①催化劑易被重金屬或顆粒覆蓋而失活;②處理鹵化物和硫化物時，會產生酸性氣體，需用洗滌塔進一步處理;③廢催化劑如不能循環(huán)使用，也要處理;④進氣濃度不能>25%。

　　(3)集成技術(活性炭吸附+催化燃燒)

　　活性炭吸附進行VOC回收已廣泛用于噴漆、印刷和電子工業(yè)等行業(yè)，消除率可達90%-95%，但對低濃度廢氣，從經濟上考慮，回收不經濟，故采用消除技術。

　　集成技術的優(yōu)點就是用較低的費用來處理低濃度、大氣量的廢氣，通過濃縮廢氣，降低了需處理廢氣的體積，用較小體積的催化燃燒氧化器來處理大流量的廢氣，降低設備費用和操作費用。

　　該法也有不足，此技術均不適合廢氣中含有高活性、易反應的VOC和相對濕度大于50%的情況，對含鹵化合物的廢氣仍需使用后處理設備。

　　由此可見，上述各種方法各有其優(yōu)缺點和適用對象，現(xiàn)對其中幾種常用方法的優(yōu)缺點匯總比較如下。

　　熱力燃燒法TO優(yōu)點和缺點

　　優(yōu)點：①凈化效率高；②可凈化各種有機廢氣，不需要預處理，不穩(wěn)定因素少，可靠性高；③在廢氣濃度高、設計合理的條件下，可回用熱能。

　　缺點：①處理溫度高，能耗大；② 存在二次污染；③燃燒裝置、燃燒室、熱回收裝置造價高，維修較難；④處理大流量、低濃度廢氣能耗過大，運行費用高。

　　RTO優(yōu)點和缺點

　　優(yōu)點：①具有TO的各項優(yōu)點，但對復雜的有機廢氣需要預處理；②能耗遠低于TO，可處理大氣量低濃度廢氣。

　　缺點：①處理溫度比TO低，但仍較高，因而仍有少量二次污染；②造價較高；③占地面積大。

　　催化燃燒法 CO優(yōu)點和缺點

　　優(yōu)點：①凈化效率高，無二次污染；②能耗較低，在相同條件下約比TO低50%，因而運行費用低。

　　缺點：①用電能預熱時，不能處理低濃度廢氣；②催化劑成本高，且有使用壽命限制；③復雜廢氣需預處理。

　　RCO優(yōu)點和缺點

　　優(yōu)點：①凈化效率高，無二次污染；②在各種燃燒法中能耗低，廢氣濃度在1-1.5g/m3時即能無耗運行；③能處理各種有機廢氣。

　　缺點：① 整體式占地面積小，但維修困難；②分體式占地面積大；③ 整體式不宜用于高濃度(4g/m3)，否則催化床會超溫；④復雜廢氣需預處理。

　　吸附法優(yōu)點和缺點

　　優(yōu)點：①可凈化大流量低濃度廢氣；②對單一品種廢氣可回收溶劑；③運行費用較低。

　　缺點：①吸附劑需補充和再生；②對溫度較高廢氣需先行冷卻；③復雜廢氣需預處理；④管理不便；⑤ 存在二次污染；⑥安全性差。

　　吸收法優(yōu)點和缺點

　　優(yōu)點：①對親水性溶劑蒸汽用水作吸附劑時，設備費用低，運行費低，安全；②可用油、酯等吸收苯類廢氣，凈化率高；適用于大流量低濃度廢氣。

　　缺點：① 用水作吸附劑時，需要對產生的廢水進行處理；②吸收、脫吸控制管理復雜。

　　(二)低濃度、大風量有機廢氣的治理技術

　　在使用有機溶劑的行業(yè)中，像汽車涂裝、印刷等工業(yè)排放的有機廢氣，其特點是有機溶劑濃度低、風量大，若采用上述方法都將使用龐大的設備，耗用高。目前世界上對這類低濃度、大風量的有機廢氣，主要采用下面幾種方法進行治理。

　　(1) 蜂窩輪式濃縮系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)采用蜂窩輪，連續(xù)不斷地將低濃度、大風量的排氣中的有機溶劑吸附、分 離。然后，再用小風量的熱風脫附得到高濃度、小風量的含有機溶劑氣體。濃縮后的氣體再與小型的催化燃燒或活性炭回收裝置組合，構成經濟的處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)的關鍵部件是一圓筒形吸附輪，其是由活性炭或疏水性沸石加工成波紋狀，再卷制形成蜂窩構造。整個蜂窩輪分為吸附區(qū)和再生區(qū)，工作中以非常低的速度連續(xù)轉動，含有機溶劑的廢氣通過吸附區(qū)時有機溶劑被吸附，凈化氣體排出。輪子吸附的有機溶劑，隨著輪的轉動被送到再生區(qū)，由120-140℃的熱風加熱脫附，隨熱風排出。由于脫附風量遠小于吸附風量，因此脫附后氣體中的有機溶劑濃度可以增加10-20倍。脫附后的排氣只要用吸附風量十幾分之一的裝置就可以進行處理了。該系統(tǒng)體積小，費用低，在國外已成為治理低濃度、大風量有機廢氣的主要方法，并得到廣泛應用。但其引進價格昂貴，在我國市場推廣經濟上難以承受。國內有的研究單位取其凈化工藝的優(yōu)點，將主要設備進行改造使之適用我國。如研究采取了以數個填充了蜂窩狀活性炭的固定吸附濃縮裝置，取代蜂窩輪濃縮裝置的辦法， 通過數個固定床之間的吸附，脫附過程切換，完成蜂窩輪轉動所起的作用。因這種方法沒有轉動部件，不存在動密封問題，所以設備制造簡單，維修方便，價格便宜并發(fā)揮了原工藝中濃縮作用的優(yōu)點。

　　(2)液體吸收法

　　該法是通過有機廢氣與液體吸收劑接觸，使其中的有機溶劑被吸收劑所吸收，再經解吸，將有機溶劑除去或回收，井使吸收劑獲得再生重復利用。由于工藝中可選用比吸附，催化燃燒裝置處理氣體能力大數倍的塔式吸收設備，因而設備的體積可做得小很多，設備費也低。但很難找到理想吸收劑，原因是有機溶劑一般都屬非極性物質，它們與極性的水分子之間將產生互相排斥作用而難以溶解，而對有機溶劑溶解度較大的油類或芳烴萃取劑，一般價格較高，有些還有異味。同時由于液體吸收尚存在諸多問題有待解決，使其應用受到限制。

　　(3)生物處理法

　　生物脫臭從20世紀40—50年代開始就在德國和美國開發(fā)成功。在日本也在1970年左右開始進行土壤脫臭法和活性污泥脫臭法的研究，并已開發(fā)出各種裝置， 得到實際應用。

　　該方法是由微生物將有機溶劑分解。因耗能非常低，運轉費也很便宜而受到人們重視。其缺點是對各種有機溶劑具有選擇性，使其應用領域受到限制。目前，已在污水處理廠、飼料加工廠、垃圾場等場所，用于硫化氫、低分子醛類、乙醇及有機酸等極性物質的脫臭。用于彩色膠卷乳劑涂布干燥過程中產生的甲醇、乙酸乙酯的治理也取得很好效果。該方法與其它方法相比，占地面積大是其另—缺點。

　　（3）光催化氧化技術（UV光解技術）

　　利用高能UV紫外線光束分解空氣中的氧分子產生游離氧（即活性氧），因游離氧所攜帶正負電子不平衡所以需與氧分子結合，進而產生臭氧，臭氧具有很強的氧化性，通過臭氧對有機廢氣、惡臭氣體進行協(xié)同光解氧化作用，使有機廢氣、惡臭氣體物質降解轉化成低分子化合物、水和二氧化碳。光催化氧化反應同活性炭吸附、催化燃燒法等技術相比，具有經濟潛力。治理低濃度、大風量有機廢氣，無論采用哪種方法，耗用資金都較高。光催化技術處理效率高，效率可達到95%以上，適應性強，可適應中低濃度，大氣量，不同惡臭氣體物質的脫臭凈化處理；產品性能穩(wěn)定，運行穩(wěn)定可靠，每天可24小時連續(xù)工作；運行成本低本，設備耗能低，無需專人管理與維護，只需作定期檢查。適用于印刷廠、噴涂廠、印染廠、電子廠、塑料廠、涂料廠、家具廠、煉油廠、橡膠廠、化工廠、造紙廠、皮革廠、化纖廠、農藥廠、制藥廠、食品加工廠、香精香料廠、飼料廠、屠宰廠、污水處理廠、垃圾中轉站等惡臭氣體、工業(yè)廢氣的凈化處理。