各類voc處理方案優(yōu)缺點

各類VOC治理方案及其優(yōu)缺點

一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

有機廢氣種類繁多，來源廣泛，治理難度大，一次性投資和操作費用高，基本上無回收利用價值。成分復(fù)雜的有機廢氣則更加難以凈化、分離和回收。

揮發(fā)性有機化合物(VOCs)作為有機化合物主要分支，是指在常溫下飽和蒸氣壓大于70Pa、常壓下沸點在260℃以內(nèi)的有機化合物。從環(huán)境監(jiān)測角度來講，指以氫焰離子檢測器測出的非甲烷烴類檢出物的總稱，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，分布面廣，根據(jù)部分國外主要環(huán)境優(yōu)先污染物名錄，VOCs占80％以上。日本1974－l985年環(huán)境普查表明，在檢出的化學(xué)毒物中，鹵代烴類最多共52種，一般烴類次之共43種，含氮有機物（主要是硝基苯和苯胺類化合物）共40種，以上三類占總檢出毒物的70％。VOCs污染嚴重，與NOx、CnHm在陽光作用下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，吸收地表紅外輻射引起溫室效應(yīng)；破壞臭氧層形成臭氧空洞，引起人體致癌和動植物中毒。

隨著VOCs污染范圍的不斷擴大和人們對其危害的逐步認識，1979年聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會在日內(nèi)瓦召開跨國大氣污染會議，重點討論了VOCs控制問題，1991年11月通過了《VOCs跨國大氣污染議定書》，要求簽字國以1988年VOCs排放量為基準，到1999年每年削減30％；1990年，美國修訂了清潔空氣法（CAA），要求到2000年將VOCs的排放量減少70％。為此，開發(fā)VOCs替代產(chǎn)品，尋找VOCs控制最優(yōu)技術(shù)已成為解決VOCs污染的必由之路。

隨著世界各國對VOC污染的日益重視和環(huán)保法規(guī)不斷嚴格VOC的排放標準，其治理技術(shù)亦在逐漸改進和完善。

（一）有機廢氣治理技術(shù)

早在1925年歐洲就開發(fā)出固定床活性碳吸附裝置，1958年日本也開始使用該項技術(shù)。這是一種非常經(jīng)典、成熟的方法，可用于治理任何濃度的常溫有機廢氣，但處理低濃度、大風(fēng)量有機廢氣時，設(shè)備龐大，不經(jīng)濟。對于排氣溫度較高的高濃度有機廢氣的治理，首先由美國于1950年開發(fā)成功以天然氣為燃料的直接燃燒技術(shù)。1965年日本與美國合作，將該項技術(shù)引入日本。該法需將有機廢氣加熱到760℃，方可將有機溶劑氧化分解為無害的CO2和H2O，其缺點是燃料費高，故在歐美等天然氣便宜的地區(qū)應(yīng)用廣泛。后來人們開發(fā)出催化燃燒技術(shù)，由于催化劑的作用可在300—350℃的低溫下將有機溶劑氧化分解，因此大大降低了燃料費并且產(chǎn)生的NOx量非常少。其缺點是需對廢氣中易引起催化劑中毒的物質(zhì)和粉塵進行前處理，另外，在催化燃燒裝置中使用的熱交換器換熱效率較低，約在50％。為了提高熱效率，降低運行成本，美國于1975年開發(fā)出換熱效率在90％以上的蓄熱式燃燒裝置。由于其運行費用的降低，因此，可用于治理中等濃度有機廢氣。隨后歐洲也開展了該項技術(shù)的開發(fā)。日本針對美國蓄熱燃燒方式又開發(fā)出催化燃燒裝置的改良型——蓄熱催化氧化方法，并于1977年由日鐵化工機首先售出產(chǎn)品。該產(chǎn)品可較經(jīng)濟地對高、中濃度的、溫度較高的有機廢氣進行治理。

總體而言，按照處理的方法，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?；厥辗ㄖ饕刑课?、變壓吸附、冷凝法及膜分離技術(shù)，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(shù)；消除法主要是通過化學(xué)或生化反應(yīng)，用熱、催化劑和微生物將有機物轉(zhuǎn)變成為CO2和水。

1、回收技術(shù)

（1）炭吸附法

炭吸附是目前最廣泛使用的回收技術(shù)，其原理是利用吸附劑（粒狀活性炭和活性炭纖維）的多孔結(jié)構(gòu)，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。

當炭吸附達到飽和后，對飽和的炭床進行脫附再生；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。

炭吸附技術(shù)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(shè)備的尺寸和費用正比于氣體中VOC的數(shù)量，卻相對獨立于廢氣流量；因此，炭吸附床更傾向于稀的大氣量物流，一般用于VOC濃度小于5000PPM的情況。適于噴漆、印刷和粘合劑等溫度不高，濕度不大，排氣量較大的場合，尤其對含鹵化物的凈化回收更為有效。

（2）冷凝法

冷凝法是最簡單的回收技術(shù)，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(shè)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(shù)

膜分離系統(tǒng)是一種高效的新型分離技術(shù)，其流程簡單、回收率高、能耗低、無二次污染。

膜分離技術(shù)的基礎(chǔ)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。

最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(shè)備投資。

MTR開發(fā)了一種新型的集成膜系統(tǒng)，僅使用單級膜，就可以大大提高回收率，并降低系統(tǒng)的費用。

該技術(shù)結(jié)合壓縮冷凝和膜分離兩種技術(shù)的特點，來集成實現(xiàn)分離。用壓縮機先將進料氣提高到一定壓力，然后將進料氣送到冷卻器冷凝，使部分VOC冷凝下來，冷凝液直接放入儲罐。離開冷凝器的非凝氣體仍含相當數(shù)量的有機物，并具有很高的壓力，可以作為膜滲透的驅(qū)動力，使的情況。

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，最適于循環(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(chǎn)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(yīng)；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(shè)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2000－20,000m3/h，適于VOC濃度為100－2000PPM，其消除效率高達95％以上。低的操作溫度結(jié)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(yīng)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(shè)備尺寸；③由于燃料減少，生成的CO也少，CO和VOC一起被轉(zhuǎn)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(chǎn)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(shù)（炭吸附＋催化燃燒）

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(jīng)濟上考慮，回收不經(jīng)濟，故采用消除技術(shù)。

集成技術(shù)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(shè)備費用和操作費用。

該法也有不足，此技術(shù)均不適合廢氣中含有高活性、易反應(yīng)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(shè)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

1.凈化效率高

2.可凈化各種有機廢氣，不需要預(yù)處理，不穩(wěn)定因素少，可靠性高

3.在廢氣濃度高、設(shè)計合理的條件下，可回用熱能

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

1.具有TO的各項優(yōu)點，但對復(fù)雜的有機廢氣需要預(yù)處理

2.能耗遠低于TO，可處理大流量低濃度廢氣

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

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

1.用電能預(yù)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(fù)雜廢氣需預(yù)處理

RCO

1.凈化效率高，無二次污染

2.在各種燃燒法中能耗最低，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

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(fù)雜廢氣需預(yù)處理

吸附法

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

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(fù)雜廢氣需預(yù)處理

4.管理不便

5.存在二次污染

6.安全性差

吸收法

1.對親水性溶劑蒸汽用水作吸附劑時，設(shè)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

3.適用于大流量低濃度廢氣

1.用水作吸附劑時，需要對產(chǎn)生的廢水進行處理

2.吸收、脫吸控制管理復(fù)雜

（二）低濃度、大風(fēng)量有機廢氣的治理技術(shù)

在使用有機溶劑的行業(yè)中，象汽車涂裝、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(fēng)量大，若采用上述方法都將使用龐大的設(shè)備，耗用大量經(jīng)費。目前世界上對這類低濃度、大風(fēng)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)

這種系統(tǒng)于1977－1979年由日本開發(fā)成功，瑞典的Munter、Zeol公司也于1985－1986年開發(fā)成功并銷售。1990年左右隨著對有機溶劑排放實行更嚴格的總量控制后，歐美地區(qū)也從日本引進該技術(shù)，其市場急劇擴大。該系統(tǒng)采用蜂窩輪，連續(xù)不斷地將低濃度、大風(fēng)量的排氣中的有機溶劑吸附、分離。然后，再用小風(fēng)量的熱風(fēng)脫附得到高濃度、小風(fēng)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(gòu)成經(jīng)濟的處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)的關(guān)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(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動被送到再生區(qū)，由120－140℃的熱風(fēng)加熱脫附，隨熱風(fēng)排出。由于脫附風(fēng)量遠小于吸附風(fēng)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(fēng)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(fēng)量有機廢氣的首選方法，并得到廣泛應(yīng)用。但其引進價格昂貴，在我國推廣經(jīng)濟上難以承受。國內(nèi)有的研究單位取其凈化工藝的優(yōu)點，將主要設(shè)備進行改造使之適用我國。如研究采取了以數(shù)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(shù)個固定床之間的吸附，脫附過程切換，完成蜂窩輪轉(zhuǎn)動所起的作用。因這種方法沒有轉(zhuǎn)動部件，不存在動密封問題，所以設(shè)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。在郵電部郵票印制局引進法國六色印刷機廢氣治理中，采用該工藝設(shè)備完成了處理風(fēng)量21000—30000m3／h規(guī)模的微機全自動控制工業(yè)試驗，通過2年的運行考驗，取得滿意結(jié)果。為我國治理低濃度、大風(fēng)量有機廢氣提供了一種適用的方法。

（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(jīng)解吸，將有機溶劑除去或回收，井使吸收劑獲得再生重復(fù)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(shù)倍的塔式吸收設(shè)備，因而設(shè)備的體積可做得小很多，設(shè)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(zhì)，它們與極性的水分子之間將產(chǎn)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。國內(nèi)曾有人研究在水中添加表面活性劑等活性組分的辦法，來提高對有機溶劑的溶解度。研究表明，以這種吸收劑來處理含苯噴漆尾氣是可行的，但這一實驗室研究結(jié)果未得到推廣應(yīng)用，這可能與吸收容量很有限的吸收劑的再生問題尚未解決有關(guān)。國內(nèi)前些年使用以柴油等油類及芳烴萃取劑為吸收液的有機廢氣吸收裝置，曾在工業(yè)上有些應(yīng)用實例，但都因吸收劑本身損耗大造成運行成本高或飽和后的吸收劑無法處理而下馬。液體吸收法在國外使用也很少，報導(dǎo)亦不多。曾見有關(guān)日本印刷廠使用液體吸收法的報導(dǎo)，使用的吸收劑是含有催化劑的液體，使用結(jié)果運轉(zhuǎn)費用較低，但有待進一步提高效率。由于液體吸收尚存在諸多問題有待解決，使其應(yīng)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(yīng)用。該方法是由微生物將有機溶劑分解。因耗能非常低，運轉(zhuǎn)費也很便宜而受到人們重視，特別是在歐洲，以德國為中心進行技術(shù)開發(fā)，應(yīng)用實例逐漸增多。其缺點是對各種有機溶劑具有選擇性，使其應(yīng)用領(lǐng)域受到限制。目前，已在廢水處理廠、飼料加工廠等場合，用于硫化氫、低分子醛類、乙醇及有機酸等極性物質(zhì)的脫臭。用于彩色膠卷乳劑涂布干燥過程中產(chǎn)生的甲醇、乙酸乙酯的治理也取得很好效果。用于處理非親水性的甲苯、二甲苯等芳香族化合物的生物處理技術(shù)也已開發(fā)成功。該方法與其它方法相比，占地面積大是其另—缺點。

（4）其它方法

除上述3種已經(jīng)工業(yè)化的方法外，還有2種尚處于實驗室研究階段。

a)固體膜分離凈化法

該法是用膜分離來凈化有機廢氣，氣體的膜分離過