VOCs治理之撥云見日
——DH強效水分子簇吸收技術(shù)

在我國工業(yè)與制造業(yè)發(fā)展的進程中，日益嚴(yán)峻的生態(tài)環(huán)境保護問題廣泛受到社會的關(guān)注，為堅決執(zhí)行“堅持人與自然和諧共生，建設(shè)生態(tài)文明是中華民族永續(xù)發(fā)展的千年大計”的發(fā)展戰(zhàn)略。各級政府也把環(huán)境治理和污染控制列為政府的工作重點之一，全國掀起了生態(tài)環(huán)境保護的熱潮。治理揮發(fā)性有機廢氣（簡稱：VOCs）的排放亦成為環(huán)保的一項重大實施工作，為此，有關(guān)部門不惜關(guān)停一些涉污生產(chǎn)企業(yè)。促進生產(chǎn)企業(yè)加大了VOCs達標(biāo)排放的環(huán)保設(shè)施建設(shè)，但目前VOCs達標(biāo)排放處理（簡稱：VOCs處理）的現(xiàn)狀卻仍亂象叢生，這就造成了企業(yè)花錢買“手銬”的悲慘后果。

主要原因是部分VOCs處理在缺乏量化分析、無針對污染物處理方案的前提下，采取天下文章一大抄之法，買幾個設(shè)備組裝一下就完成了VOCs處理，可想而知，其結(jié)果就是非但沒有將有害物質(zhì)進行有效處理，還向大氣中排放了新增的污染物。如廣東VOCs治理普及率較高的某市，在空氣污染（臭氧）檢測中竟然多次超標(biāo)，追溯其主要原因是許多生產(chǎn)企業(yè)的VOCs處理設(shè)備非但未能將污染物消除，卻產(chǎn)生了新的污染物，如“地上魔鬼”的臭氧。

VOCs主要包括碳烴化合物、苯及苯系物、醇類、酮類、酚類、醛類、酯類、胺類、腈類、氰類等有機化合物。源于電子、化工、石油化工、涂料、印刷、涂裝、家具、皮革等行業(yè)生產(chǎn)過程。

VOCs是大氣污染源之一，是引發(fā)灰霾、光化學(xué)煙霧等大氣環(huán)境污染問題的元兇之一，是以PM2．5為特征的區(qū)域性復(fù)合型大氣污染物的元兇之一。VOCs通過呼吸道和皮膚進入人體后，可能給人的呼吸、血液、肝臟等系統(tǒng)和器官造成暫時性和永久性病變，尤其是苯并芘類多環(huán)芳烴能使人體直接致癌，VOCs對人體健康危害極大。

現(xiàn)就部分生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)用的VOCs處理技術(shù)及其效果進行相關(guān)的分析。

活性炭吸附法

1．處污原理

活性炭吸附法由于前期投資較低，是目前應(yīng)用最多的VOCs處理辦法，是通過活性炭的自然吸附能力吸附VOCs，當(dāng)吸附飽和后，活性炭脫附再生或交給專業(yè)危廢公司處理。

圖1 活性炭工藝現(xiàn)場示意圖

2．實際應(yīng)用情況

運用活性炭吸附法進行VOCs處理的環(huán)保公司對其設(shè)備的除污參數(shù)，基本上都會提到此類設(shè)備的除污效率達到90%以上，但在實際除污應(yīng)用過程中，除污效率達到90%以上只是理論值。而且在不同的工作環(huán)境下，其除污效率遠比這個理論數(shù)值低。主要原因包括溫度、工作環(huán)境濕度、水霧、酸度、灰塵及被吸附氣體之間的相互作用等。例如我國南方全年濕度較大，氣溫較高，其活性炭實際吸附量不足實驗室的50%。

3．主要問題

使用活性炭吸附法處理VOCs達標(biāo)排放實際運維費用是十分高昂的，同時自然吸、脫附管理難、適用性受多種因素影響，不適合含粉塵、水汽、乳狀物等廢氣處理，難穩(wěn)定環(huán)保達標(biāo)。且大量飽和后的活性炭處理更耗費巨大，該方法僅是將污染物吸附轉(zhuǎn)移，如對飽和后活性炭轉(zhuǎn)移過程無嚴(yán)格把關(guān)跟蹤，則極易造成二次污染。但因前期投資少，企業(yè)自然選用較多，現(xiàn)雖監(jiān)管難（炭箱內(nèi)沒有活性炭，活性炭設(shè)施過于簡陋、幾乎不換炭，活性炭選用與實際設(shè)計不符，使用量過少等），但環(huán)保部門終會有所行動的，存在著巨大環(huán)保風(fēng)險。而且容易造假應(yīng)付環(huán)保管理。（如：炭箱內(nèi)沒有活性炭，活性炭設(shè)施過于簡陋、幾乎不換炭，活性炭實際工程與設(shè)計不符，使用量過少等。）

圖2 廣東某企業(yè)僅放少許活性炭并長期不更換、造假！

低溫等離子體技術(shù)

1．處污原理

低溫等離子廢氣處理設(shè)備里的介質(zhì)阻擋放電過程中，等離子體內(nèi)部產(chǎn)生富含極高化學(xué)活性的粒子，如電子、離子、臭氧和激發(fā)態(tài)分子等。理論上有機廢氣與這些具有較高能量的活性基團發(fā)生反應(yīng)，部分會被裂解，最終轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水等物質(zhì)，從而達到凈化廢氣的目的。

圖3 低溫等離子工藝現(xiàn)場示意圖

2．實際應(yīng)用情況

國內(nèi)生產(chǎn)的運用低溫等離子體技術(shù)的治污設(shè)備，制造的環(huán)保公司對設(shè)備的除污參數(shù)，基本上都會提到這類設(shè)備的除污效率達到80%以上。大量可用于VOCs處理的低能量等離子體設(shè)備僅可用于治理油煙污染，在實際處理工業(yè)VOCs過程中，這種低溫等離子體技術(shù)設(shè)備對有機廢氣的降解基本無效和會生成污染副產(chǎn)物，其降解效率較低，而VOCs的易燃性令其安全性備受關(guān)注。

3．主要問題

現(xiàn)在大量使用的小功率低溫等離子體是過去餐廚行業(yè)用于油煙處理的，其不適合VOCs處理，且生成副產(chǎn)物和大量的臭氧，會拉弧引燃VOCs等問題。

因為等離子體技術(shù)在短時間內(nèi)對包括芳香類化合物的有機廢氣處理效率是很低的，主要是生成中間產(chǎn)物。如采用大功率等離子體在穩(wěn)定的有機廢氣中，也要在一定的時間內(nèi)才有處理效果。而對于工廠源源不斷高速排出的VOCs廢氣，其處理效率很低并會次生很多中間副產(chǎn)物，導(dǎo)致VOCs成分更復(fù)雜（這些副產(chǎn)物的危害性可能更大），同時設(shè)備運行時會產(chǎn)生大量無用臭氧。且有機廢氣絕大部分是易燃、易爆的化合物。等離子體運行時的拉弧極易引爆VOCs，天津爆炸事件已令社會對其的安全性質(zhì)疑，故該技術(shù)在各地被禁用已日逐增加。

圖4 某企業(yè)低溫等離子設(shè)備爆炸事故現(xiàn)場

光催化氧化

1．處污原理

光催化廢氣處理設(shè)備的技術(shù)是利用特種紫外線波段，在催化劑的作用下，將氧氣催化生成臭氧和羥基自由基及負氧離子，再將VOCs分子氧化還原的一種處理方式。

圖5 光催化氧化現(xiàn)場示意圖

2．實際應(yīng)用情況

大部分應(yīng)用于VOCs處理的UV光催化處理設(shè)備是引用過去除臭殺菌的技術(shù)原理，通常采用雙波長紫外光管，將能量主要用于轉(zhuǎn)換臭氧，用普通二氧化鈦材料作為催化劑，雖除污效率號稱達到80%以上。實際現(xiàn)在使用的UV光催化處理VOCs設(shè)備的效率均較低，在無計算技術(shù)的控制下，會大量生成臭氧和中間副產(chǎn)物。

3．主要問題

在UV光催化氧化技術(shù)應(yīng)用中，包括UV管的波長、光催化材料、反應(yīng)時間、相對濕度、灰塵顆粒物等都是處理VOCs成敗的瓶頸要素。目前普遍認(rèn)為光催化氧化法能夠?qū)OCs完全降解生成無毒無害的CO2和H2O等，但是在使用中由于反應(yīng)時間太短，揮發(fā)性有機物在光催化氧化反應(yīng)下會生成酮、醛等更惡毒的中間產(chǎn)物和大量的臭氧。

近年來工業(yè)城鎮(zhèn)造成臭氧超標(biāo)的其中因素就是濫用等離子體和產(chǎn)臭氧的UV光催化氧化設(shè)備。由于這兩類設(shè)備都是試圖通過將空氣中的氧轉(zhuǎn)變成臭氧后通過化學(xué)反應(yīng)消解工業(yè)廢氣的技術(shù)，但因反應(yīng)條件的制約，使產(chǎn)生的臭氧轉(zhuǎn)換成自由基和負氧離子的效率極低，同時因反應(yīng)時間過短，導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生的大部分臭氧未能實現(xiàn)對VOCs處理而直接排放。

圖6 某企業(yè)光催化氧化法處理工藝形同擺設(shè)燈管損壞無更換

生物處理法

1．處污原理

利用微生物對廢氣中的污染物進行消化代謝，實質(zhì)上是一種生化分解過程，它通過附著在介質(zhì)上的活性微生物來吸收有機廢氣，將污染物轉(zhuǎn)化為無害的水、二氧化碳及其它無機鹽類。

圖7 生物處理法現(xiàn)場示意圖

2．實際應(yīng)用情況

以污染物為微生物的食物來源，生物處理法包括：碳氫氧組成的各類有機物、簡單有機硫化物、有機氮化物、硫化氫及氨氣等無機類。要求小氣量、低濃度、排氣連續(xù)、廢氣處理容器大，雖處理過程比較環(huán)保，但運維復(fù)雜、生物補養(yǎng)繁瑣等原因，使生物處理法形同虛設(shè)，因其監(jiān)管難，故仍比比皆是。

3．主要問題

適用性較差：僅適用于特定的污染物，且生物細菌易死亡，對易溶物和易降解污染物進行處理時，會受到一定的限制；生物因新陳代謝易堵塞；生物法所用填料的比表面積、孔隙率等直接影響反應(yīng)器的生物量以及整個填充床的壓降及填充床是否易堵塞問題；難實現(xiàn)自動控制；難以提高對各運行參數(shù)的控制能力，維護費用高和難管控故障；菌種培育困難：難篩選出高效降解各種VOCs氣體的優(yōu)勢菌種；反應(yīng)場地約束：反應(yīng)裝置占地面積大、反應(yīng)時間較長。故生物法在應(yīng)用中不乏擺設(shè)的情況。

圖8 廣東某企業(yè)生物處理法處理現(xiàn)場圖

燃燒法

1．處污原理

燃燒法分為蓄熱式燃燒技術(shù)（RTO）和催化燃燒技術(shù)（RCO）。其原理是通過直接燃燒或者添加催化劑進行低溫燃燒，利用“燒”將有機廢氣徹底降解為水和二氧化碳。

圖9 燃燒法現(xiàn)場示意圖

2．實際應(yīng)用

燃燒法作為目前處理效率和效果相對理想的工藝，雖然它的價格相對昂貴且運行費用不低，但已被大部分專家和部分地市環(huán)境主管部門認(rèn)可，甚至制定為主要治理工藝。

3．存在的主要問題

因蓄熱燃燒（RTO）方式的燃燒室內(nèi)溫度一般不低于750℃，甚至高達1000℃，因此，會產(chǎn)生燃料型氮氧化物。氮氧化物按生成機理的不同分為三類：熱力型、快速型和燃料型，其中燃料型占60%-95%。在生成燃料型NOx過程中，首先是含有氮的有機化合物或空氣中的氮氣經(jīng)過熱裂解產(chǎn)生N、CN、HCN等中間產(chǎn)物基團，然后再氧化成NOx。經(jīng)粗算，一套20萬m3/h處理量的蓄熱燃燒設(shè)備，其氮氧化物排放量約等于一臺35t/h的燃煤流化床鍋爐。

在有機廢氣的催化燃燒（RCO）工藝中，由于采用自來水作為水噴淋進行預(yù)處理，水中的氯離子及有機物質(zhì)自帶的氯離子在催化燃燒室內(nèi)（200-500℃）極易生成二噁英。而VOCs處理設(shè)備上均無高溫裝置用于促使二噁英的分解，因此，氣體在燃燒過程中產(chǎn)生的二噁英將直接排放到大氣。

表1 二噁英的產(chǎn)生途徑(單位：g,TEQ/yearTEQ為毒性當(dāng)量)

難道VOCs的處理真的“無計可施”嗎？其實不然，國內(nèi)已有前衛(wèi)的環(huán)保企業(yè)正聯(lián)合國內(nèi)外專家學(xué)者將有機化學(xué)研究的理論應(yīng)用到可持續(xù)的綠色發(fā)展中，其中成果就有把有機化學(xué)與環(huán)保科學(xué)進行交叉滲透，在全社會關(guān)注的有機廢氣處理中通過“小分子活化惰性化學(xué)鍵的有機化學(xué)反應(yīng)機理”、“有機化學(xué)原子經(jīng)濟性的高效率、高選擇性合成方法學(xué)中的不對稱催化反應(yīng)機理”、“有機化學(xué)的自由基化學(xué)反應(yīng)機理”、“綠色有機化學(xué)反應(yīng)及過程化學(xué)反應(yīng)機理的研究”、“計算化學(xué)機理的研究”等理論應(yīng)用到VOCs處理設(shè)備上，實現(xiàn)了從根本上把VOCs處理設(shè)備推向節(jié)能、可靠、便宜、人工智能的高度上來，為《中國制造2025》提交了一份合格的鋪墊報告。

DH強效水分子簇吸收技術(shù)

1．技術(shù)介紹

北京大河環(huán)球科技發(fā)展有限公司引進的DH強效水分子簇吸收技術(shù)就是利用小水分子團簇的活性對VOCs分子的強效捕捉和包裹從廢氣中分離進而凈化空氣。其具體原理是在DH強效水分子簇吸收塔內(nèi)引入廢氣和富含小水分子簇的循環(huán)水，通常狀態(tài)下，構(gòu)成水的水分子是以較穩(wěn)定的大水分子團簇的形式存在。通過水分子簇發(fā)生器的磁力切割，系統(tǒng)循環(huán)水的大分子團簇裂解為更有活性的小分子團簇。循環(huán)水進入DH強效水分子簇吸收塔通過填料層上部的超細水霧噴嘴向下噴射形成直徑1μm左右的水霧，與從吸收塔底端進入后向上的廢氣充分接觸并捕捉包裹VOCs分子。水霧下落的過程落到填料層附著在獨有的特種NPP填料表面形成水膜，廢氣在上升穿過填料層的時候與水膜接觸，VOCs分子被小水分子簇捕捉包裹，進一步去除VOCs。原理示意見下圖：

圖10 原理示意圖

DH強效水分子簇吸收塔內(nèi)布置三層填料層，可單塔或多塔串聯(lián)使用，使用液體介質(zhì)為水。對大風(fēng)量、中低濃度單位VOCs的去除率可達95%，廣泛應(yīng)用于石化、涂裝、噴漆、印刷、電子、電鍍、制藥、木材加工、化纖、油漆涂料生產(chǎn)等行業(yè)。在工程應(yīng)用中常與活性炭吸附聯(lián)用，在DH強效水分子簇吸收塔后連接活性炭吸附箱作為保安設(shè)施，在進氣發(fā)生異常的情況下保證VOCs排放穩(wěn)定達標(biāo)。具體工藝流程見下圖：

圖11 工藝流程圖

經(jīng)過工程實踐證明，DH強效水分子簇吸收技術(shù)VOCs廢氣去除率高、運行費用低、工序簡單，占地面積小、操作方便，安全穩(wěn)定。

2．技術(shù)比較

整理VOCs處理市場常用的處理技術(shù)與DH強效水分子簇吸收技術(shù)比較見下表：

表2 常用的處理技術(shù)與DH強效水分子簇吸收技術(shù)比較表

3．技術(shù)創(chuàng)新點

(1)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新點

DH強效水分子簇吸收技術(shù)配備首次使用獨有的水分子簇發(fā)生器和特種NPP填料，兩者共同作用實現(xiàn)DH強效水分子簇吸收技術(shù)的處理效果。

(2)理論創(chuàng)新點

DH強效水分子簇吸收技術(shù)首次提出利用水分子簇性能特點去除廢氣中VOCs污染物和利用填料的大比表面積提高小水分子簇與VOCs的接觸傳質(zhì)反應(yīng)，這兩項理論技術(shù)的結(jié)合保證了DH強效水分子簇吸收技術(shù)利用液體水對VOCs的去除可行性和有效性。

(3)性能創(chuàng)新點

獨有的水分子簇發(fā)生器把大水分子簇分解性能和特種NPP填料的大比表面積性能特點共同作用，實現(xiàn)DH強效水分子簇吸收技術(shù)，首次利用液體水吸收塔去除90%以上VOCs分子的性能。

4．應(yīng)用案例介紹

(1)噴漆廢氣VOCs處理

應(yīng)用單位 DONGSUNG金屬（金屬配件噴漆廠）VOCs廢氣主要成分 丙酮、丁醇、二甲苯、甲苯、乙酸乙酯、乙酸丁酯等施工時間 2015年5月小時處理風(fēng)量 66000m3/h處理前氣體VOCs濃度 250mg/m3排放標(biāo)準(zhǔn) 苯化合物C6H6排放濃度30ppm酚化合物C6H6OH排放濃度10ppm

本項目廢氣產(chǎn)生源生產(chǎn)工藝：前處理→噴涂→干燥或固化。噴漆所采用的是有機溶劑型涂料。涂裝廢氣主要來自于前處理、噴漆、干燥過程，排放的污染物主要為：前處理過程中產(chǎn)生的粉塵，噴漆時產(chǎn)生的漆霧和有機溶劑，干燥揮發(fā)時產(chǎn)生的有機溶劑。廢氣主要集中在噴漆生產(chǎn)線上，其中噴漆室、晾干室、烘干室是廢氣主要發(fā)生源。

(2)印刷VOCs處理

應(yīng)用單位 Prangel印刷公司VOCs廢氣主要成分 異丙醇、乙醇、丁醇、丁酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯、甲苯、二甲苯等施工時間 2015年8月小時處理風(fēng)量 56700m3/h處理前氣體VOCs濃度 400mg/m3排放標(biāo)準(zhǔn) 苯化合物C6H6排放濃度30ppm酚化合物C6H6OH排放濃度10ppm

本項目中主要為印刷時產(chǎn)生的油墨廢氣和清理油墨棒所用汽油揮發(fā)的廢氣，溶劑型油墨和稀釋劑中揮發(fā)性組分占污染物的比例為70%-80%。VOCs廢氣成分有苯、甲苯、二甲苯、丙酮、丁酮、脂類、醚類等氣體及氣溶膠。本項目中生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的有機廢氣主要是由于印刷油墨的使用造成的，特別是印品干燥過程中。

(3)國內(nèi)某巖棉保溫材料VOCs處理檢測報告

VOCs污染是大氣污染的關(guān)鍵原因，VOCs污染治理刻不容緩，處理技術(shù)要求安全有效，易操作，無二次污染。VOCs處理的研發(fā)和應(yīng)用創(chuàng)新必須順應(yīng)“發(fā)展是第一要務(wù)，人才是第一資源，創(chuàng)新是第一動力”的時代發(fā)展步伐!