挥发性有机废气处理技术及前景

　　有机废气处理问题，是当前工业废气处理的难点、热点问题。本文介绍了目前国内外处理有机废气的几种技术方法：包括氧化法、生物法、冷凝法、吸附法、膜分离法等，并对有机废气发展趋势进行了展望。

　　《工业设计》杂志是目前国内唯一专业报道工业设计的综合性期刊。《工业设计》杂志为月刊，国内外公开发行，内页128P国内统一刊号：CN23-1516/T，国际标准刊号：ISSN1672-7053，全彩精印。

　　有机废气是石油化工、喷漆、制药、印刷所排放的最常见的污染物。挥发性有机废气(VOCS)是指沸点在50～260℃、室温下饱和蒸气压超过133.3 Pa 的易挥发性有机化合物，其主要成分为烃类、硫化物、氨等。这些有机废气会造成大气污染，危害人体健康多数具有毒性，对人类的健康和环境均具有危害。部分有机物被列为致癌物，如苯、多环芳烃、氯乙烯、乙腈等。由于VOCs的危险性，很多国家均颁布法令对VOCs排放进行控制，我国的《大气污染防治法》也要求对工业产生的VOCs气体进行回收利用，这些均促使VOCs处理技术的发展和进步。

　　目前国内外对治理挥发性有机废气开展了大量的研究和应用，下面将对这些处理技术加以介绍。

　　1. 处理技术现状

　　要想从根本上避免或者减少有机废气的排放，首先要不断改进生产的工艺和设备，包括改进原材料、操作的工艺条件，从源头上减少VOCs的生成和挥发。

　　目前国内外VOCs的处理方法主要有两类：一类是破坏法，另一类是回收法。破坏法主要有热氧化、催化燃烧、生物氧化及集成技术。该类方法主要是通过化学或者生物反应，用热、催化剂和微生物将有机物转变成为CO2和水。回收法主要有：冷凝法、吸收法、膜分离法和吸附法。

　　2. 破坏法技术

　　2.1. 热氧化法

　　热氧化系统也称为微粒污染物焚烧炉，可以去除95%~99%的VOCs。系统的处理能力为1500~800000m3/hr，VOCs的浓度范围为100~2000ppm。一般的停留时间为0.5~1s。热氧化的操作温度为700~1000℃[1]。为了操作的安全起见，进气中VOCs的浓度最好不要超过其爆炸下限的25%。在燃烧氯代烃以及含硫化合物时，由于有酸性物质生产，需要对燃烧尾气进行进一步处理。

　　2.2. 催化燃烧法

　　催化燃烧系统采用贵金属铂、钯催化剂，使得有机气体中的碳氢化合物在较低的温度下(500～700℃)，通过催化剂的作用被氧化分解成无害气体并释放热量。这种高浓度的有机气体在催化燃烧时所放出的热量足以维持其催化反应时所需要的温度,无需外加热源[2]。在催化燃烧过程中，燃烧反应温度低,一般比热焚烧要低300～500℃，由于燃烧完全不会产生CO 和剩余可燃气体，不易生成高温下的二次污染物如二恶英、氮氧化物等，而且脱除污染物效率高，还可以回收热量节约能源，最终有机气体在催化剂的作用下于一定温度下转化为水和二氧化碳,并排向大气。此处理方法的关键问题是开发与研制一种起燃点低、催化活性高、稳定和价廉的催化剂，提高催化剂对有毒气体和污染气体的消除率。

　　2.3. 生物技术

　　生物技术最初是用于降低废气中的恶臭，随着技术的发展证明生物法是高效、低价的VOCs脱除方法[3]。其实质就是在适宜的环境条件下，附着在滤料介质中的微生物利用废气中的有机成分作为碳源和能源，维持生命活动并将有机物分解成为CO2 和H2O 的过程，有机氮被转化为氨气，继而转化为硝酸，硫化物先转化为硫化氢，继而氧化为硫酸。对VOCs的脱除率的顺序为硫化氢>芳烃>醛类和酮类>卤代烃。除含氯较多的有机物分子难以降解外,一般的气态污染物在生物过滤器中的降解速度为10～100 g/ m3·h ，生物过滤器对挥发性有机物的去除率可达95 % ，对恶臭物质达99 %。用于净化有机废气的生物膜处理装置，有生物滤池、生物滴滤池和生物洗涤塔三种形式。

　　3. 回收法技术

　　3.1. 冷凝法

　　通过降低气体的温度或者增加气体的压力，使得VOCs处于过饱和状态，将VOCs组分冷凝下来。该方法适用于气量小、高沸点和高浓度VOCs的回收。由于处理的VOCs浓度较高，其浓度往往处于爆炸上限，这样在后续的冷凝过程中，气体会进入爆炸范围，存在爆炸的危险，在系统的设计上需要增加惰性气体保护等措施。冷凝法处理后的VOCs的浓度偏高，往往通过结合其它的过程，如吸附、吸收、膜分离法等，使得VOCs的浓度能够达到排放标准。

　　3.2. 吸收法

　　一般采用物理吸收，根据有机物相似相溶的原理，常采用沸点较高、蒸汽压较低的柴油、煤油作为溶剂，使VOCs从气相转移到液相，然后对吸收液进行解析处理，回收其中的VOCs，同时使溶剂得以再生。即将废气引入吸收液进行净化，待吸收液饱和后经加热、解析、冷凝回收;本法适用于大气量、低温度、低浓度的废气，VOCs的脱除率在95~98%。

　　3.3. 膜分离法

　　膜分离是选用人工合成的或天然的膜材料为分离介质，根据VOCs和空气在膜内渗透速率的差异，来实现两者的分离[4]。传递过程的推动力为气体组分在膜两侧的分压差。该法是一种新的高效分离方法。用膜分离法可回收的有机物包括脂肪族和芳香族化合物，卤代烃、醛、酮、腈、酚、醇、胺、酯等。该法最适合处理有机物浓度较高的废气回收效率可以达到97 %以上。膜分离技术的传统工艺如图2所示。

　　有机废气进入压缩机增压后进入冷凝器中冷凝,，其中冷凝下来的有机物可以回收，余下未冷凝的部分通过膜分离单元分成两股，一部分为低压富集VOCs的渗透气流，返回至压缩机入口，另一部分为贫VOCs气流，直接从系统中排出。膜分离法回收有机气体最早使用于汽油回收方面。目前在国内的加油站和油库已经安装了200多套的装置[5]。

　　3.4. 吸附法

　　根据吸附质和吸附剂的作用原理可以分成物理吸附和化学吸附，VOCs处理过程大多是物理吸附。按照操作模式，物理吸附又分成变温吸附和变压吸附。目前使用的吸附剂为活性碳。

　　活性碳多是粉末状或颗粒状，经过特殊的工艺处理后，能产生丰富的微孔结构，这些人眼看不到的微孔能够依靠分子力，吸附各种VOCs，从而达到净化的目的。活性炭变温吸附过程包括吸附净化和热脱再生。吸附净化过程是将有机废气由排气风机送入吸附床，有机废气在吸附床被吸附剂吸附而使气体得到净化，热脱再生过程是当吸附床内吸附剂所吸附的有机物达到允许的吸附量时，该吸附床已经不能再进行吸附操作，而转入脱附再生。脱附再生即用热空气吹扫吸附剂，使吸附的有机物脱附出来达到使吸附剂的吸附能力再生的目的。

　　变压吸附PSA 技术是利用气体组分在固体吸附材料上吸特性的差异，通过周期性的压力变化过程实现气体的分离与净化。在常温及一定压力条下,可把有机废气中吸附在活性炭上，没有被吸附的气体进入下一个工段。吸附有机废气以后的吸附剂，通过降压抽真空把有机物解吸，使吸附剂再生。再生后的吸附剂重新去吸附废气中的有机物，以此循环往复。生产过程中采用4 个相同的吸附塔在一台计算机的控制下，通过调节阀变向不断改变气流的流向改变各塔的工作阶段，来实现各塔的吸附与再生交替进行。PSA 装置采用四塔二均式工艺,该工艺的每个吸附塔必须经过吸附、一均降、顺向放压、二均降、逆向放压、冲洗、二均升、一均升和终充九个步骤;四个塔步骤相互错开,组成一个吸附- 解吸循环[6]。

　　活性碳吸附法适用于大风量、低浓度、温度不高的有机废气治理。在工业吸附过程中,活性炭是使用得最为广泛的一种吸附剂。但它也存在不耐高温、在湿润的条件下不能保持很好的吸附能力、易燃的缺点。憎水性沸石吸附剂具有优异的热稳定性，不易燃，作为一种很好的替代吸附剂, 已被逐步开发应用。

　　4. 前景展望

　　在有机废气治理技术中，吸收和吸附技术虽然较为成熟和成型，但由于其处理设备容量有限，吸附剂需要再生等问题使得应用受到限制。光催化氧化技术作为近年发展起来的新研究领域，由于存在设备成本较高和处理对象较单一等问题，尚处于实验室研究阶段，但通过不断的技术创新和开发，该技术也将会走进有机废气处理的实用化行列。催化燃烧技术不仅可以处理低、高浓度的有机废气，而且设备简单，投资少，操作方便，净化彻底，因此是目前应用最广泛的、经济有效的处理技术。目前该技术正以研制新型催化剂，如何防止催化剂因非VOCs 物质造成的失活和重金属造成的中毒作为研究方向。生物处理技术因其耗能低、运转费用便宜，较少形成二次污染，适用于不同规模的各类中、低浓度有机废气的处理，目前正受到各国的重视，工业应用实例和应用领域也在不断地扩大，是一种很有应用前景的技术。膜吸收净化技术有它的特点和优势，但在优势膜和吸收液的选择上还要进行潜心研究，而且操作压力的控制也是此技术的关键所在，目前该技术的研究也仅限于实验室阶段。工业废气的成分一般都比较复杂,往往一种方法很难达到处理效果，因此需要加快联合工艺的研究，重点开发不同单元处理工艺的组合技术，以达到提高去除效率，降低投资运行费用，减少二次污染的目的。如吸附一氧化法、生物一吸附法、吸收一吸附一氧化法等。

　　总之， 实际中采用何种技术来处理有机废气，主要考虑诸多因素，如VOCs的浓度、气体流量以及排放要求、回收的可能性、爆炸和火灾的危险等，不同技术的比较见下表1：

　　5. 结语

　　对于有机废气的净化处理，无论是广泛采用的传统处理方法，还是新开发的处理技术，由于其适用范围、去除性能、投资运行费用等多方面因素，皆制约了单元处理技术的应用。目前，除了推广有机物的单元处理工艺外，重点开发不同单元处理工艺的组合技术，以达到提高去除效率，降低投资运行费用，减少二次污染的目的。随着有机产品的大量使用，有机物污染已引起世界的高度重视，控制这类污染已成为各国的一项义不容辞且刻不容缓的任务。我国是一个发展中国家,面临经济发展和环境保护的双重任务。为促使经济、社会、环境的协调发展，开发经济有效的有机物的净化处理技术已成为我国解决有机污染的重要课题。

　　参考文献

　　[1] 周玉昆. 挥发性有机化合物的污染控制技术[J]化工环保, 1993, (04) .

　　[2] 李志松,蔡复礼. 催化焚烧处理挥发性有机物技术进展[J]工业催化, 1998, (05) .

　　[3] 李琳,刘俊新. 挥发性有机污染物与恶臭的生物处理技术及其工艺选择[J]. 环境污染治理技术与设备, 2001, (05)

　　[4] 黄冬琳, 柳丽芬, 杨凤林, 张兴文. 应用膜技术分离回收挥发性有机物[A]. 中国环境保护优秀论文精选[C], 2006

　　[5] 肖友根,黄坤,雷霞,刘苏,吴晓南. 油气回收技术及其在油库中的应用[J]. 石油天然气学报, 2009, (02) .

　　[6]高招.VOCs的吸附和变压吸附法净化回收研究[D]. 中国优秀硕士学位论文全文数据库,2007,(05)

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