某工業區VOCs典型末端治理方法應用狀況分析

上海市環境科學研究院 費波，楊超

當前，我國以細顆粒物（PM2.5）和臭氧（O3）為特征污染物的大氣復合污染形勢依然嚴峻[1-2]。揮發性有機物（volatile organic compounds，VOCs）作為形成O3和PM2.5的重要前體物，是導致大氣復合污染形勢日益嚴峻的主要誘因之一[3-4]。VOCs的來源，主要包括人為源和自然源[5]。其中，工業源是人為源中環境空氣VOCs的主要貢獻源之一[6]。研究[7]表明，我國工業源VOCs排放對人為源的貢獻高達50%以上，工業源VOCs還具有涉及行業多、生產工藝繁、原輔料種類多樣、廢氣排放組分不一、大氣光化學反應活性強等特點[8]。工業源VOCs排放貢獻較大的區域主要集中在京津冀、珠三角、長三角等發達地區[9]。《2020年揮發性有機物治理攻堅方案》等文件中均提出了綜合整治重點行業高VOCs排放問題，并要求持續推進工業源VOCs管控與治理工作。

安裝VOCs末端治理設施，對各排放環節VOCs進行收集處理、達標排放，是當前管控工業源VOCs排放的主要方法之一。目前應用較為廣泛的VOCs治理技術主要包括吸附、吸收、熱氧化、燃燒、冷凝及以上技術的優化組合等。近些年，國內較多研究[10]根據VOCs管控技術特點、治理技術應用情況、VOCs排放特征及治理現狀等因素。探討了不同治理技術對VOCs的治理效果。為進一步研究各類VOCs治理技術的實際去除效果及應用現狀，綜合考慮行業企業生產過程中VOCs排放組分復雜、排放濃度變化劇烈等因素。對企業正常生產情況下開展VOCs治理技術效果實測研究，應掌握當前主流VOCs治理技術應用現狀尤為重要。研究聚焦某工業區，基于區內行業VOCs治理技術應用情況調研數據。聚焦區內涂料油墨制造、汽車及零部件制造、機械制造及包裝印刷4大行業，選取13家企業6種典型VOCs治理技術處理效果開展現場實測，對比各類技術對VOCs的處理效果，且分析技術適用性，并從經濟性、適用性等方面進行分析評估，以期為工業源VOCs污染管控技術的選擇提供參考借鑒。

一、材料與方法

（一）研究對象

對某工業區進行實地調研發現，區內所有企業VOCs末端治理設施安裝率達100%。應用較為廣泛的技術包括，活性炭吸附、活性炭吸附+催化氧化（CO）、蓄熱式熱力氧化技術（RTO）、沸石轉輪+RTO及沸石轉輪+CO等。為進一步調查研究，區內涂料油墨制造、汽車及零部件制造、機械制造及包裝印刷4大行業企業數量合計占比75%、排放貢獻率高達80%以上，因此，主要選擇區內以上4個行業作為研究對象。選取安裝活性炭吸附、活性炭吸附+CO、RTO、沸石轉輪+RTO、沸石轉輪+CO及低溫冷凝等治理技術的多家企業末端治理裝置。在其治理設施前后采樣口進行現場測試分析。

（二）檢測儀器及方法

VOCs治理裝置排口濃度連續檢測使用德國JUM3-900 109A非甲烷總烴分析儀，風向風速的測定選用三杯風速儀。現場實測行業企業具體信息如表1所示。

表1 VOCs治理設施現場檢測基礎信息

（三）質量控制和質量保證

為確保企業數據的可靠性，檢測在企業生產負荷不低于75%的條件下進行。另一方面，為保證德國JUM3-900 109A非甲烷總烴分析儀檢測的規范性及數據的有效性，檢測工作開始前需對儀器進行校準。并采用99.9%高純度氮氣對儀器進行零點標定，選用100ppm甲烷對儀器進行標氣標定。

二、結果與討論

（一）典型行業VOCs排放特征及治理技術應用現狀

涂料油墨制造、機械制造、汽車及零部件制造及包裝印刷4個行業VOCs主要排放特征如下表2所示。除涂料油墨制造行業外，其余3個行業屬于典型的溶劑使用行業。由下表可知，不同行業VOCs排放環節、排放特點差異較大。這主要由行業生產工藝過程決定。不同行業排放廢氣主要組分也有所差異。但主要都包含苯系物、醇類、酮類、醛類、酯類等，這可能與行業原輔材料類別及生產的產品有關。基于調研的4個重點行業，有13家典型企業VOCs治理應用不同治理技術的現狀如圖1所示。這其中，沸石轉輪+RTO治理技術應用最廣，占比46%；其次為活性炭吸附+CO技術，應用占比15%；活性炭吸附技術、RTO技術、沸石轉輪+CO技術、活性炭吸附+低溫冷凝技術應用占比相當，均為8%；旋轉式RTO應用占比7%。

圖1 VOCs典型治理技術應用現狀

表2 典型行業VOCs排放特征及主流治理技術

（二）VOCs治理技術效果實測及分析

研究選取涂料油墨制造、機械制造、汽車及零部件制造，及包裝印刷4個行業典型企業。在末端治理裝置排放進出口開展VOCs處理效果現場測試，其結果如圖2所示。RTO、沸石轉輪+RTO、活性炭吸附+氮氣脫附+低溫冷凝及沸石轉輪+CO技術，對VOCs廢氣治理極為高效且處理效果穩定，處理效率可穩定達90%以上。

圖2 不同VOCs治理技術處理效率

6種VOCs治理技術平均處理效率如下圖3所示。在現場實測條件下，6種VOCs治理技術的平均處理效率，在42.5%～99.5%之間，熱氧化技術處理效率普遍較高，而單一技術處理效率相較于其組合技術處理效率普遍較低。其中，RTO對VOCs的平均處理效率為95.7%，而沸石轉輪+RTO組合技術對VOCs的平均處理效率最高達99.5%；沸石轉輪+CO的平均處理效率達94.8%；活性炭吸附的平均處理效率為42.5%；活性炭吸附+CO的平均處理效率達89.7%；活性炭吸附+低溫冷凝治理技術的平均處理效率可達91.3%。由下圖可見，而多種處理技術優化組合對VOCs的去除效果要優于單一處理技術。

（三）VOCs治理技術應用討論與建議

現場調研及實測情況表明，RTO、沸石轉輪+RTO裝置對廢氣具有較好地且穩定的處理效果，并對廢氣濃度波動有很強的適應性。活性炭吸附+CO裝置對廢氣處理效果受活性炭的影響較大。根據現場調研及實測數據發現顆粒活性炭碘值較高時對VOCs吸附效果較好。活性炭吸附+氮氣脫附+冷凝技術對有機廢氣處理效果極佳，氮氣對活性炭脫附具有很好的效果。

使用物理方法，對含VOCs物料進行回收利用是最佳的控制方式。其中，吸附法和吸收法的應用較為廣泛。吸附法包括顆粒活性炭吸附、碳纖維吸附、沸石分子篩吸附等；吸收法主要以低溫冷凝為主，其也是高濃度、低風量VOCs廢氣預處理常用的方法之一。但其處理后的廢氣常常難以達標排放，因此常采用活性炭吸附+低溫冷凝相結合的方法進行處理。

使用銷毀方法將VOCs氧化分解成CO2和H2O是VOCs處理最常用的方法，通常還會將VOCs廢氣分解的熱量進行回收利用。RTO是最常用的方法之一，其對廢氣的處理效率可高達99%以上。在高效處理廢氣的同時還能減少能源消耗；采用CO技術通過催化劑的使用可大幅降低廢氣熱氧化溫度，顯著降低能源消耗。此外，通常利用沸石轉輪等濃縮裝置，并針對風量大、濃度低的廢氣，將其濃縮后再采用熱氧化方式進行處理。

三、結論

（1）研究選取的4個典型行業中，沸石轉輪+RTO技術處理VOCs廢氣應用最廣，其占比為46%；其次為活性炭吸附+CO技術，應用占比為15%；活性炭吸附技術、RTO技術、沸石轉輪+CO技術、活性炭吸附+低溫冷凝技術應用占比相當，均為8%；旋轉式RTO應用占比7%。（2）現場實測的6種VOCs主流治理技術中，沸石轉輪+RTO技術處理效率最高，可達99.5%。而活性炭吸附對VOCs的平均處理效率最低，為42.5%。RTO裝置對VOCs的平均處理效率為95.7%。活性炭吸附+CO裝置對VOCs的平均處理效率達89.7%，活性炭吸附+低溫冷凝治理技術的平均處理效率達91.3%，沸石轉輪+CO處理裝置對VOCs的平均處理效率可達94.8%。多種處理技術的優化組合，對VOCs的去除效果要優于單一處理技術。（3）篩選VOCs可行治理技術時，應充分了解行業企業VOCs排放特征。對治理手段開展技術適用性、運行穩定性、經濟效益性等方面綜合考量評估。在VOCs高效治理的同時，應考慮到政府監管能力、企業運營成本及區域大氣污染物排放政策，從而兼顧社會、環保、經濟三重效益。