典型化工園區VOCs排放控制技術的評價

李佳羽，劉利民，韓建華，紀紅兵，（中山大學惠州研究院，廣東 惠州5608；中山大學化學與化學工程學院，廣東 廣州5075）

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典型化工園區VOCs排放控制技術的評價

李佳羽1，劉利民1，韓建華2，紀紅兵1，2
（1中山大學惠州研究院，廣東 惠州516081；2中山大學化學與化學工程學院，廣東 廣州510275）

第一作者：李佳羽（1993—），女，學士。聯系人：紀紅兵，教授，博士生導師，研究方向為綠色化工技術和化工園區管理。E-mail jihb@mail. sysu.edu.cn。

摘要：隨著化工園區揮發性有機物（VOCs）排放問題越來越受關注，化工園區VOCs排放控制技術的選擇需要科學合理、客觀公正的評價指標體系和評價方法。本文基于層次分析法研究VOCs排放控制技術評價指標體系的構建以及評價的方法，針對石油化工型這類典型化工園區分析了行業分布及VOCs排放特點，闡述篩選備選評價技術的方法以及評價指標權重確定的步驟，最后結合實例驗證了方法。典型化工園區VOCs控制技術評價指標體系涉及技術、經濟和環境影響三方面共8個指標，普遍適用于典型化工園區內企業；評價指標權重的確定需要構建各層次判斷矩陣計算特征根和特征向量，一致性檢驗等步驟，進行層次間指標總排序得出所有指標因素對目標層的指標權重；以惠州大亞灣石化區某企業為例實施評價，結果表明，沸石轉輪濃縮燃燒＞活性炭濃縮燃燒＞蓄熱式燃燒，沸石轉輪濃縮燃燒綜合評價值較高，為最優控制技術。

關鍵詞：化工園區；揮發性有機物；排放控制技術；評價指標體系；層次分析法

化工園區在國際上通常是指在符合一定的自然資源和環境條件要求的特定區域內，依靠主要消費區和資源來源地，占有充足的水源保證或有較強自凈能力的納污水域，且交通條件便利、物流發達、配套產業比較完善的地區，以石化化工產業為紐帶形成的加工體系匹配、產業聯系緊密、原料互供、物流成熟完善、公用工程專用、環境污染統一治理、管理統一規范、資源利用高效的產業聚集地[1]。隨著我國化工園區數目的迅速增加，化工園區環境生態問題日益凸顯，園區內企業排放揮發性有機物（VOCs）引起的環境問題越來越受人們的關注。

我國對VOCs可以定義為參與大氣光化學反應的有機化合物或者根據規定的方法測量或核算確定的有機化合物，是大氣復合污染物的重要前體和參與物。化工園區內企業大都屬石油化工、生物化工、精細化工行業[2]，生產工藝復雜導致VOCs排放污染物種類多、成分復雜；同時由于缺乏嚴謹的管理體系，基礎工作和監管能力不足，導致VOCs污染防治困難重重。

目前隨著社會各界對有機廢氣污染的關注程度日益提高，VOCs治理技術也得到迅速發展。吸附技術、催化燃燒技術和熱力焚燒技術是傳統的有機廢氣治理技術，也是目前應用最為廣泛的VOCs治理技術。吸收技術由于存在二次污染和安全性差等缺點，目前在有機廢氣治理中已經較少使用。冷凝技術只是在極高濃度下直接使用才有意義，通常作為吸附技術或催化燃燒技術等的輔助手段使用。生物法凈化技術較早被應用于有機廢氣的凈化，目前技術上比較成熟，可應用于低濃度有機廢氣和惡臭治理。等離子體破壞技術近年來已經相對發展成熟，并在低濃度有機廢氣治理中得到了應用；光催化技術和膜分離技術在大氣量的有機廢氣治理中尚沒有實際應用。吸附濃縮-燃燒技術、吸附濃縮-冷凝回收技術、等離子體加光催化復合凈化技術等組合工藝得到迅速發展[3]。各種技術有不同的特點和有效適用范圍，如何評價并選擇最佳的排放控制技術是亟待解決的問題。

對比歐盟按照《綜合污染預防與控制第96/61/EC號指令》來確定最佳可行技術（BAT），美國對創新技術采用環境技術認證（ETV）評價系統，我國污染物排放控制技術評價存在以下問題：缺乏科學客觀、合理公正的評價標準和評價指標體系，大部分的污染物排放控制技術指標體系是針對煙氣脫硫脫銷技術和水污染防治的，評價指標體系不完整、系統性不強。而且截止目前為止，我國尚未開展針對各類VOCs的控制技術應用和運行情況的系統調查，也缺乏關于VOCs控制技術評價方法和評價指標的研究[4]。故本文針對典型化工園區探索一種科學合理的VOCs排放控制技術評價方法，結合實例綜合考慮技術、經濟以及環境影響對備選控制技術開展評價工作，為化工園區企業選擇經濟可行、技術可靠的VOCs排放控制技術提供依據，對我國建立VOCs排放控制管理體系具有重要意義。

1　評價方法和評價步驟

層次分析法將一個復雜的多目標決策問題作為一個系統，將目標分解為多個目標或準則，進一步分解為多指標（或準則）的若干層次，這個過程稱為構造遞階層次結構。對兩兩指標之間的重要程度作出比較判斷，建立判斷矩陣，通過計算判斷矩陣的最大特征值以及對應特征向量，求得各元素對上一層次元素的權重系數，最后再加權和的方法算出各備選方案重要性程度的權重即為綜合評價值，最終綜合評價值最大者即為最優方案[5]。有n項評價指標的綜合模型如式(1)。

式中，yi為第i（i=1，2，3…，n）個備選方案的綜合評價值；wj是評價指標 xj的權重系數（wj≥0，Σwj=1）；xij為第i個備選方案的第j項指標值。

層次分析法要求建立遞階層次結構，反映了各因素之間相互關系及對目標的影響關系，量化了每個因素對目標的影響程度，使分析決策更清晰有條理，具有系統性；簡單實用，通過各元素之間兩兩比較、倍數關系，直觀簡單地判斷元素之間的優劣，進一步通過成對比較矩陣判斷多個因素之間的關系。層次分析法是定量與定性相結合的決策分析方法，可以綜合考慮各方面的因素，逐層分析后綜合評價判斷，從而得到一個既定量化又較符合實際的評價結果，故選擇層次分析法作為VOCs排放控制技術評價的方法。

為了使評價過程科學客觀，首先要對化工園區VOCs排放現狀進行調查研究，針對行業VOCs污染物排放特征和理化性質篩選符合應用背景條件的排放控制技術進行評價。客觀構建評價指標體系還要充分了解不同相關人員（如決策者、運營者、公眾）對各指標的關注程度，按照層次分析法排出各備選評價技術的優劣順序，選出最佳控制技術，具體評價步驟如圖1所示。

圖1　VOCs排放控制技術評價步驟

2　典型化工園區VOCs排放分析

2.1主要行業分布及VOCs排放特征

目前全國重點化工園區或以石油和化工為主導產業的工業園區共有381家，其中國家級38家，省級221家，市級118家，產值達5萬億元，占全行業產值的44％。以惠州大亞灣石化區為例，其產業鏈現狀是以煉油、乙烯為龍頭，以C2、C3、C4及芳烴鏈為主線的石油化工產業鏈。規劃到2020年，經過一系列規劃項目的實施和開發建設，總體規模達到煉油4000萬噸/年、乙烯350萬噸/年、芳烴200萬噸/年，將惠州大亞灣石化區建設成為以煉油、石化深加工為主，精細化工為輔，物流及公用工程配套齊全的生態工業園區。惠州大亞灣石化區企業涉及的行業以煉油和石化為主，并涵蓋化學倉儲、噴涂、印刷等行業。此外，上海市現有石化、化工基地涵蓋了石油化工、煤化工、精細化工、化工原料等行業；南京化工園區重點發展石油與天然氣化工、基本有機化工原料、精細化工、高分子材料、生命醫藥、新型化工材料等六大領域產品。這類以大規模煉油、乙烯裝置為龍頭，以產業和產品鏈的銜接為紐帶的典型化工園區，行業分布集中在石油煉制、石油化工、化學原料生產、制藥、包裝印刷、涂料油墨工業。分析典型化工園區行業分布及VOCs排放特征，有利于對園區內企業具體實施評價時，篩選可行的備選評價技術及構建涵蓋化工園區共性的評價指標體系。表1是國內學者目前研究的各行業VOCs排放特征[6]。

2.2備選評價技術篩選

表1　行業VOCs排放特征

VOCs的濃度及成分是影響控制技術選擇的重要因素，根據環保部發布的VOCs污染防治技術政策，不同濃度及成分VOCs排放控制技術的選擇如表2所示。典型化工園區內企業實施評價篩選備選評價技術，要針對行業分析不同生產工藝過程的排放環節及成分、濃度等參數。

石化區VOCs排放具有污染源分布廣、成分復雜、排放量大的特點，其主要排放環節有工藝尾氣、裝置設備泄漏、儲罐排放、污水處理廠等散發的惡臭氣體以及輕質油品及揮發性化學藥劑和溶劑貯存過程中的逸散等[7]。現有的排放控制技術有吸附、吸收、冷凝、膜分離油氣回收、催化燃燒、熱力焚燒、泄漏檢測與修復（LDAR）。在石化行業VOCs排放控制技術評價篩選備選技術時，針對不同的生產工藝過程了解廢氣成分和濃度等信息，對現有排放控制技術進行篩選，例如沒有回收價值或低濃度廢氣，不宜考慮冷凝、膜分離等回收方法，篩選后備選評價技術應為吸附、吸收、催化燃燒、熱力焚燒等。

表2　VOCs不同濃度及成分末端治理技術的選擇表

3　基于層次分析法構建評價指標體系

3.1構建原則

①科學性原則，VOCs排放控制技術指標體系要以科學理論為依據，選取具有合理典型的具體指標；全面性原則，VOCs排放控制技術評價指標體系不僅要考慮技術和經濟兩方面的因素，也要考慮對環境產生影響的環境影響因素。②獨立性原則，在構建評價指標體系過程中，各指標不應有包含、換算或替代的關系。③層次性原則，根據影響類別設置分層級次，層次之間關系明確，權重合理。④可操作性原則，在基本滿足給出決策所需信息求和評價要的前提下，挑選易于計算、容易獲取、具有普適性、代表性的指標，盡量減少指標個數，使指標體系具有較高的可操作性和使用價值。⑤定性與定量相結合原則，目前許多評價指標體系使用過程中主要通過專家學者打分進行定性評價，往往不能客觀反映真實情況，應增加能夠較為全面評價的量化指標。

3.2構建內容

評價指標體系既要體現技術選擇的合理性，又要體現技術應用的經濟性以及對環境的影響，同時既要有定性評估的指標，也要有定量評估的指標。基于目前污染物排放控制技術評價的研究[4，8-10]，可選擇技術性、經濟性和環境影響作為一級指標，并從評價的可操作性角度選擇了去除率、排放控制水平、技術成熟度等二級指標。對化工園區內不同行業不同生產工藝過程評價，建立二級、三級及更下一級評價指標時，可參考相關標準或根據工作需要進行適當增減。

典型化工園區VOCs排放控制技術評價指標體系層次結構見圖2。

評價指標體系中各指標名稱的定義和性質見表3。

4　評價指標權重的確定

通過專家學者打分的形式，采用1～9及其倒數的倍數方法，判斷各指標因素相對重要性（或優劣、偏好、強度等），按照表4定義的比例標度對相對重要性賦值形成矩陣，計算特征根和特征向量。

根據專家打分結果構建各層的判斷矩陣見式(2)。

可采用方根法計算判斷矩陣B的最大特征根lmax，以及對應的經歸一化后的特征向量W=(w1,w2…wn)T，單層次排序及一致性檢驗具體計算過程如下。

① 判斷矩陣各元素按行相乘

圖2　典型化工園區VOCs排放控制技術評價指標體系

表3　評價指標名稱、定義

表4　標度的含義

③將方根向量歸一化的所求特征向量

可見，例中矩陣B具有滿意的一致性。故所求得特征向量W=[0.105，0.637，0.258]即為該層次各指標因素的權重。對于多層次的決策問題還需要對各層次進行層次總排序及一致性檢驗，獲得最底層因素對目標層的組合權重，如表6所示。

表5　R.I.取值

表6　層次總排序表

為評價總排序的計算結果的一致性，需要計算與單排序類似的檢驗：

5　評價案例

以大亞灣石化區某企業為例，進行VOCs排放控制技術評價。某企業隸屬于化工原料生產行業，廢氣特點是中低濃度、大風量（20000m3/h），廢氣成分無回收價值，根據其生產工藝和污染物排放環節（圖3），擬定活性炭濃縮燃燒、沸石轉輪濃縮燃燒及蓄熱式燃燒為備選評價技術。某企業有機廢氣處理要求達到排放標準，在保證凈化要求的前提下做到節省投資，選擇的控制技術既有合理性又具有先進性以保證運行管理簡便靈活。

目前對VOCs排放控制技術無統一的評價標準，通過大量文獻資料的查閱并參考實際工程實施應用情況，針對某企業廢氣排放情況，各備選評價技術指標對比情況見表7。

評價指標體系如圖2建立，借助于1～9標度，參考專家打分賦值結果，其中評價指標權重的確定，按照層次分析法構建判斷矩陣并進行一致性檢驗結果見表8，層次總排序得到最終權重結果見表9，各備選評價技術對應各個具體評價指標的權重見表10。

圖3　某企業生產工藝及污染物排放環節

表7　針對某企業各備選評價技術指標對比

表8　判斷矩陣的構建及一致性檢驗結果

表9　VOCs排放控制技術評價指標權重

表10　備選評價技術對應子準則層指標值

層次總排序一致性檢驗：C.I=0.0236，R.I=0.48，C.R.=0.0492<0.1，結果具有滿意一致性。

按式（1）計算各個備選評價技術的綜合評價值，最終結果如表11所示。

由表11可知，根據綜合評價結果，某企業3 種VOCs排放控制技術的排序是沸石轉輪濃縮燃燒＞活性炭濃縮燃燒＞蓄熱式燃燒，與該企業實際選擇的VOCs排放控制技術相符。從表9指標權重的結果可見影響較大的指標是工程投資、運行成本、去除率，可見該評價指標體系更看重經濟性和去除率對技術選擇的影響，如果企業資金不足，則可以考慮工程投資和運行成本較低的次優技術——活性炭濃縮燃燒。總而言之，控制技術的選擇可參考評價結果考慮各個因素，根據側重因素的不同，選擇最適合實施應用的技術。

表11　VOCs排放控制技術綜合評價結果

6　結語

本文針對典型化工園區VOCs排放背景，通過文獻調研結合了水污染防治技術、煙氣脫硫脫銷技術等評價指標體系構建和評價方法的研究成果，考慮了技術、經濟和環境因素，基于層次分析法系統地構建了典型化工園區VOCs排放控制技術評價指標體系，為典型化工園區VOCs排放控制技術的評價、篩選和應用推廣提供了直觀有效的科學方法，通過實例也驗證了本文方法的可行性。同時，本文的評價指標體系有適應性和擴展性，可以結合實際情況對評價指標體系進行調整，具有較強的可操作性。實際工程中對VOCs的排放控制還有其他復雜的因素，比如源頭及過程控制措施、收集裝置的改進等，評價結果可作為參考來對比不同控制技術的不足之處，結合其他過程控制做出最適合應用的VOCs排放控制技術。

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產品與市場

Evaluation of VOCs emission control technologies in typical chemical industry park

LI Jiayu1，LIU Limin1，HAN Jianhua2，JI Hongbing1，2
（1Huizhou Research Institute of Sun Yat-sen University，Huizhou 516081，Guangdong，China；2School of Chemistry and Chemical Engineering，Sun Yat-sen University，Guangzhou 510275，Guangdong，China）

Abstract：As volatile organic compounds(VOCs) emission problems of chemical industry park has attracted more and more attention，the choice of VOCs emission control technology in chemical industry park needs scientific，rational，objective and fair evaluation index system and assessment methods. An evaluation index system for VOCs emission control technology based on analytic hierarchy process was developed. For a typical chemical industry park，such as petrochemical industry，the industry distribution and VOCs emission characteristics were analyzed，and screening method of alternative technologies and determination of evaluation index weight were presented. An example to verify the method was also given. Evaluation index system of VOCs emission control technologies in a typical chemical industry park involving eight indexes could be applicable to enterprises in the typical chemical industrial park. The evaluation index system was comprehensive，qualitative and quantitative. A judgment matrix was constructed to calculate the eigenvalues of the matrix and vector features，consistency check was made，and then overall ranking of inter-level indicators was made to determine the weights of all index factors relative to the objective level. Finally，Huizhou Daya Bay Petrochemical Zone was taken as an example. The preferred selection was in the following order：Rotary zeolite adsorption-concentration and combustion＞Granular carbon adsorption-concentration and combustion＞Regenerative combustion. Rotary zeolite adsorption-concentration and combustion was selected as the best available technology due to its highest weight among those technologies.

Key words：chemical industry park；volatile organic compounds(VOCs)；emission control technology; evaluation index system；analytic hierarchy process

收稿日期：2016-01-07。

基金項目：廣東省自然科學基金重大基礎研究培育項目（2014A030308012）。

中圖分類號：X 51

文獻標志碼：A

文章編號：1000–6613（2016）04–1250–07

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.04.045