有機廢氣處理工藝選擇

蔡炳良

（浙江環耀環境建設有限公司，杭州 310012）

有機廢氣處理工藝選擇

蔡炳良

（浙江環耀環境建設有限公司，杭州 310012）

介紹了揮發性有機化合物的定義，分析了不同行業的有機廢氣主要污染物，對目前主要有機廢氣處理工藝進行了概括性描述，重點分析了根據有機廢氣不同的工況條件如何選擇一個安全、有效、穩定、經濟、合理的處理工藝。

有機廢氣；揮發性有機化合物；非甲烷總烴

1 引言

有機廢氣主要代表污染物

揮發性有機化合物，通常是指在環境條件下容易蒸發或揮發的有機化合物。目前，對揮發性有機化合物的定義尚無統一的定義，許多國家或地區的定義是按沸點和一定溫度下的蒸氣壓數據來限定，如澳大利亞、瑞士、德國、歐盟等。還有一些國家按是否發生光化學反應來限定，如美國[1]。

從我國近幾年發布的相關國家標準看，傾向于定義揮發性有機化合物是指參與大氣光化學反應的有機化合物，或根據規定的方法測量或核算確定的有機化合物，簡稱VOCs[2]。1）用于核算或備案的VOCs指20℃時蒸氣壓不小于10Pa或者101.325kPa標準大氣壓下，沸點不高于260℃的有機化合物或實際生產條件下具有以上相應揮發性的有機化合物（甲烷除外）的統稱；2）以非甲烷總烴（NMHC）作為排氣筒、廠界大氣污染物監控、廠區內大氣污染物監控點以及污染物控制設施去除效率的揮發性有機化合物的綜合性控制指標[3]。

VOCs的種類有很多，如脂肪烴、芳香烴、鹵代烴、醇、醛、酮、酯等（見下表）。主要來源于石油化工、制藥、印刷、噴漆等行業生產過程中所排放的廢氣[4]。VOCs中的許多物質對人體和各種感官有刺激作用，且具有一定的毒性，有些會產生致癌、致畸、致突變的“三致”效應。對環境安全和人類生存產生極大的危害[5]。

石化、涂布、噴漆、合成革、包裝印刷和制藥等行業都是有機廢氣的主要來源。在不同行業的生產過程中：生產裝置，儲罐呼吸，原料、產品裝卸，有機液體、氣體采樣放空，法蘭、閥門、設備密封泄漏，廢水集輸和處理系統等都有可能產生含有有機物的氣體。不同行業主要污染物如下：

涂布行業污染物主要來自涂層劑，溶劑型涂層在進行涂層加工時要采用乙酸乙酯、二甲基甲酰胺（DMF）、丁酮、甲苯、異丙醇等有機溶劑作為介質。

噴漆行業主要污染物是甲苯、二甲苯、乙酸丁酯、丁醇等。

合成革行業的污染物主要是DMF、甲苯、丙酮、丁酮、乙酸甲酯、乙酸丁酯、環己酮等，尾氣風量大、高含濕、含有大量不溶于水的甲苯、丁酮等VOCs；另外，廢氣經噴淋塔吸收后水中含有相當量的DMF，這些廢水最后經DMF精制回收系統處理，產生的尾氣中含有大量二甲胺，具有強烈的腥臭味，對環境造成二次污染。

包裝印刷溶劑型油墨一般由染料、連接料溶劑、填充料和輔助劑組成，油墨的主要污染物有：異丙醇、苯、二甲苯、乙酸乙酯、丙烯酸、丙酮等；紙箱行業的氣體主要污染物有：乙酸正丙酯、甲苯、乙酸乙酯及丁酮等；復合食品包裝膜的氣體主要污染物有：乙酸乙酯等；聚乙烯吹塑袋的氣體主要污染物有：乙酸正丙酯、甲苯、乙酸乙酯及丁酮等。

化學合成制藥行業在反應體系溶解、分離提純等過程廣泛使用二氯甲烷、二氯乙烷、丙酮、甲醇、乙腈、苯等易揮發有機溶劑 。

橡膠制品是指以橡膠為原材料加工制得的成品，為建筑、機械、電子、醫藥、汽車等行業提供需要橡膠產品，橡膠制品生產中主要污染物為苯、甲苯、二甲苯、甲酚等。

2 有機廢氣工況特征

由于有機廢氣來源廣泛，成分復雜，條件多樣，導致有機廢氣工況情況差別也很大，主要工況特征如下：

1）組分種類多樣：常見的有機化合物有100多種，在不同生產過程中都可能存在，并且各個化合物的物理和化學性質差異較大；2）多組分復雜體系：在大多數情況下，污染物是以多組分混合物的形式排放，部分組分之間還可能存在協同作用；3）排放行業眾多：涉及的行業有上百個，主要行業也有幾十個；4）排放條件復雜：溫度、濕度、壓力、顆粒物等情況各不相同；5）排放點多樣：排放點源多而分散，無組織排放情況嚴重。

3 常用廢氣處理工藝

VOCs控制技術主要通過生產過程控制、產品替代、末端控制，同時結合檢測技術，實現全面的控制（如圖1）。其中生產過程控制和產品替代與行業和工藝生產過程密切相關。本文主要介紹末端控制工藝。

由于有機廢氣污染物種類繁多，特性各異，因此相應采用的末端控制工藝也各不相同，目前常用的有：吸收法、吸附法、冷凝法、生物法、燃燒法等；近年來，國外也發展出一些新的工藝技術如光催化、低溫等離子法等。

圖1 有機廢氣處理工藝分類

3.1 吸收法

吸收法可分為化學吸收和物理吸收，化學吸收是利用化學反應而實現吸收的過程，目前采用最多的是酸/堿吸收。物理吸收要求吸收劑應具有與吸收組分有較高的親和力，低揮發性，如要吸收劑回用，需對飽和的吸收液進行解析或精餾，目前采用最多的是以水為吸收劑，吸收廢氣中水溶性物質，廢水排至污水處理裝置。該方法常作為廢氣的預處理過程，用于除去廢氣中部分水溶性或部分酸性/堿性物質。吸收噴淋塔結構如圖2。

圖2 吸收噴淋塔結構示意圖

3.2 吸附法

吸附法是通過多孔活性炭或活性碳纖維吸附有機物，飽和后可采用水蒸汽/熱氮氣等對吸附飽和的活性炭進行再生，再生時排出溶劑和水蒸汽/凝結水的混合物，經冷凝水分離后回收溶劑，適合VOCs有回收價值的場合，但運行費用較高，需要使用蒸汽/氮氣且會產生一定量的廢水。吸附裝置結構布置如圖3。

圖3 吸附裝置結構布置

3.3 冷凝法

冷凝法是將廢氣直接導入冷凝器冷凝，冷凝液經分離可回收有價值的有機物。采用冷凝法要求廢氣中有機物濃度高，一般有機物濃度要達到幾萬甚至幾十萬ppm，對于低濃度有機廢氣此法不適用。目前，此方法主要應用于油庫、加油站和碼頭。冷凝裝置三維圖如圖4，冷凝裝置實物圖如圖5。

3.4 生物法

生物法是基于成熟的生物處理污水技術上發展起來的，具有能耗低、運行費用少等特點，此法在國內外都有一定規模的應用。其缺點是污染物在傳質和消解過程中需要有足夠的停留時間，從而增大了設備的占地，同時，由于微生物具有一定的耐沖擊負荷限值，增加了整個處理系統在停啟時的控制。為了彌補以上缺點，基于傳統生物法，衍生出生物洗滌法和生物滴濾法。該法目前在國內污水處理站的廢氣除臭中有不少應用，對工業廢氣治理的應用較少。

3.5 燃燒法

燃燒法又稱為熱氧化法、熱力燃燒法，是利用燃氣或燃油等輔助燃料燃燒放出的熱量將混合氣體加熱到一定溫度，駐留一定的時間，使可燃的有害物質進行高溫分解變為無害物質。常用的燃燒工藝又可分為催化燃燒、直接燃燒和蓄熱燃燒。工藝的特點：工藝簡單、去除率高，尤其對于一些復雜組分的廢氣處理效果較好，但一次性投資較高，適合處理中等濃度廢氣。蓄熱式燃燒（RTO）工藝流程如圖6。

圖4 冷凝裝置三維圖

圖6 蓄熱式燃燒（RTO）工藝流程

圖5 冷凝裝置實物圖

4 有機廢氣處理工藝選擇

由于有機廢氣工況復雜，處理方法也多種多樣，導致根據不同的工況選用最為合適的處理工藝（單一或組合工藝）成為重要并困難的事情。本文從不同角度對有機廢氣處理工藝選擇進行分析。

4.1 按風量選擇

一般情況下，風量在1000Nm3/h以內的可采用吸附或冷凝回收法；風量在1000~100,000Nm3/h的可采用吸附法、生物法或燃燒法；風量在100,000Nm3/h以上的建議采用轉輪或活性炭濃縮后處理。風量與處理工藝的關系見圖7。

圖7 風量與處理工藝的關系

4.2 按濃度選擇

根據有機廢氣濃度分為低濃度、中等濃度和高濃度，低濃度適合采用生物法、低溫等離子、光催化等工藝，因為此幾種工藝在濃度較高時處理效率會下降；中等濃度廢氣適合采用活性炭吸附回收、熱力燃燒法，進入處理裝置的廢氣濃度必須低于爆炸下限25%；高濃度能采用冷凝或直接燃燒（TO）。濃度與處理工藝的關系見圖8。

圖8 濃度與處理工藝的關系

4.3 按組分選擇

以水溶性組分為主可采用吸收法，但后端需設置分離或廢水處理設備；廢氣組分具有一定的經濟回收價值，易采用碳纖維或炭顆粒吸附-脫附回收法；組分沸點高，容易通過降低溫度冷凝回收的可考慮通過泠凝法回收部分組分；硫化氫、硫醇、硫醚等含硫化合物在濃度較低的情況下也存在較大的臭味，特別適合采用生物法；在廢氣組分特別復雜且去除率均要求較高時適宜采用熱力氧化法。

組分中含有高沸點難脫附組分不易選用吸附-脫附回收法，會導致吸附劑難以再生，吸附效率下降很快，更換頻繁；含有高濃度的可轉化有機酸的物質（如氯、氟、硫和鹵素）時不能采用RTO、RCO或CO等熱力燃燒法，會有產生二英問題，且對設備會造成嚴重的腐蝕或令催化劑中毒。當有機廢氣中含有微小顆粒或油霧時，需要在處理裝置前設置預處理設備，同時要對預處理設備經常維護和更換。

4.4 按溫度選擇

由于溫度越高越不利于吸收或吸附（一般需低于40℃），高溫不適合采用吸收法或吸附法，如要采用，需經過降溫處理。

冷凝法是采用壓縮機制冷降溫，能耗較高，來氣溫度越低，越有利于后端制冷機組的節能，所以，來氣建議采用冷卻水或冷凍水降溫后進入后端制冷機組。

生物法對廢氣的溫度十分敏感，溫度變化可能會導致大量生物死亡，故在溫度過高或溫度不穩定的情況下，不建議采用生物法。

適當的溫度對熱力燃燒工藝是有利的，能降低整體的能耗。但待處理有機廢氣的溫度在300℃以上時，是不適合采用蓄熱式系統（RTO）的，這是因為高溫的待處理有機廢氣會大大降低換向閥的可靠性和壽命。另外，在高溫時, 建造RTO的高成本也不足以抵消在節省燃料和電力消耗所帶來的好處。如果待處理有機廢氣的溫度超過500℃，采用蓄熱式系統（RTO）不如采用直燃式焚燒系統，因為在燃料消耗的差距太小，不足以抵消增加的熱回收器帶來的投資成本。

4.5 按濕度選擇

廢氣濕度越大越不利于吸附過程，所有進入炭顆粒、碳纖維或轉輪的廢氣濕度需在控制范圍內，進入轉輪的相對濕度一般需要控制在90%內。過大的濕度對采用熱力燃燒的能耗控制不利，故在濕度特別大的情況下，在選用吸附或熱力燃燒工藝時需特別注意。

4.6 按排放方式選擇

廢氣排放方式主要有兩種：連續排放和間歇排放。一般吸收法、吸附法、生物法、冷凝法均比較適合在連續狀態下運行，但短時間停止運行不會有太大影響。燃燒法最好連續運行，間歇運行的能耗高，不經濟。

4.7 其他

除了考慮以上因素外，還需結合設備運行安全性、可布置面積、公用條件（水、電、蒸氣、氮氣等）、投資、運行費用等情況綜合考慮。

5 結論

對于有機廢氣處理，合理的工藝選擇必須是能滿足裝置穩定運行和長期達標排放的條件，同時，也應該從一次性投資、運行費用、操作的難易程度等方面為客戶考慮。應根據有機廢氣不同的工況條件，選擇一個兼具安全性、有效性、穩定性、經濟性、合理性的處理工藝。

[1] 陸震維.有機廢氣凈化技術[M].北京：化工工業出版社，2011，3.

[2] 環境保護部，國家質量監督檢驗檢疫總局.石油煉制工業污染物排放標準[S].2015.

[3] 上海環境保護局，上海市質量技術監督局.大氣污染物綜合排放標準（上海市）[S]. 2015.

[4] 白燁，毛鶴群.淺談有機廢氣的危害及治理方法[J].資源節約與環保，2015（6）：123.

[5] 趙琳，張英鋒，李榮煥，馬子川.VOC的危害及回收與處理技術[J].化學與社會，2015（1）.

Selection of Treatment Process for Organic Waste Gas

CAI Bing-liang

(Zhejiang Huanyao Environmental Construction Co., Ltd, Hangzhou 310012, China)

The paper introduces the definition of volatile organic compounds, analyzes the main pollutants of organic waste gases in different industries, and gives a general description of the main treatment processes of organic waste gases.The paper also puts emphasis upon how to select a safe, effective, stable, economical and reasonable treatment process in accordance with the different working conditions of organic waste gas.

organic waste gas; volatile organic compounds (VOCs); NMHC

X701

A

1006-5377（2017）10-0057-05