石油化工裝置常見廢氣處理技術

張 俊

（中國寰球工程有限公司大慶分公司，黑龍江 大慶 163714）

隨著群眾環保意識的提高，“綠水青山就是金山銀山”的呼聲越來越高，環保部近年來也更新了一批環保相關標準，對廢氣的處理方式和各類特征污染物的排放指標都進行了更新。石油化工行業也是VOCs 排放重點關注區域，本文主要對石油化工行業的廢氣處理技術做簡單的介紹，力求能給廣大設計同行提供參考。

石油化工行業的廢氣通常成分都比較復雜，廢氣中主要成分為揮發性有機物，也就是常說的VOCs，包括低沸點的烴類、鹵代烴類、醇類、酮類、醛類、醚類、酸類和胺類等[1]，而選擇技術方案時需要考慮的問題比較多，例如占地面積、投資費用、運行費用、污染物凈化效率、二次污染處理等，因此如何對廢氣處理技術進行優化組合是一個難題。

通常來講，一套廢氣處理系統的典型工藝應包括除塵（以及其他預處理）、廢氣處理、排放3 個過程。本文主要介紹應用于石油化工行業廢氣處理的幾種主流技術。

1 廢氣處理技術分類

以是否破壞VOCs 組分的分子結構可分為兩個大類：回收類和破壞類。回收類的原理是利用廢氣中需要處理的特征污染物的物理化學性質，使用不同的方法將特征污染物分離出來，主要包括吸附法、吸收法、冷凝法和膜分離法等[2]。破壞類的原理是采用各種物理化學以及生物方法，徹底消除廢氣中的特征污染物，主要包括燃燒法、催化燃燒法、生物法等。

2 廢氣處理技術簡介

根據上述的分類，主要介紹以下幾種廢氣處理技術。

2.1 吸附法

吸附法的原理是利用不同吸附劑對不同組分的選擇性不同，達到吸附廢氣中特征污染物的目的。吸附是物理過程，且是可逆的，因此典型的吸附法由吸附和脫附兩道工序組成并循環進行。

吸附法的核心就是吸附劑，通常采用如活性炭、分子篩、活性氧化鋁和硅膠等比表面大、吸附性強、易于再生的吸附劑，在固定床或者流化床中對廢氣進行吸附，隨著吸附劑中吸收物濃度的升高，吸附劑的吸附效果會越來越弱，因此需要定期進行脫附工序使吸附劑再生。

脫附（也可稱解吸）操作可根據吸附劑以及所吸附的特征污染物的不同，采用升溫、降壓、置換、吹掃和化學轉化等脫附方式或幾種方式的組合，對吸附劑中吸附的特征污染物進行脫附濃縮。脫附的液體可根據情況確定是否要回收或者再次處理。

吸附法的主要優點：吸附劑可重復利用；可回收特征污染物進行再加工或再處理；對于廢氣來源平穩性沒有太大要求，可間斷操作；凈化效率較高，可達到90%以上。

吸附法的主要缺點：適用于廢氣中組分比較簡單，且其中有回收價值組分的廢氣，或作為其他廢氣處理技術的預處理；單位處理量小，不適合大風量的廢氣；須定期更換吸附劑，部分吸附劑更換費用較高；對廢氣中顆粒物要求較高，常規要求小于1 mg·m-3。

2.2 吸收法

吸收法的原理是利用氣體混合物中各組分在一定液體中溶解度的不同或發生化學反應而分離氣體混合物的方法。其主要適用于吸收效率和速率較高氣體組分的處理。

吸收劑就是吸收法的核心關鍵，需具備以下特點：對被吸收組分有較強的溶解能力和良好的選擇性；有利于被吸收組分的回收利用或處理；廉價易得、可重復使用、無毒或低毒。

吸收法流程比較簡單，廢氣通過風機送入吸收單元，經吸收處理后排放至大氣。常用的吸收設備有填料塔、噴淋塔、板式塔、鼓泡塔、文丘里等。

吸收法的難點在于吸收液的處理，在實際的項目中，吸收劑選擇需同時考慮吸收液的處理。可循環使用的需經過再生后循環使用，不可循環使用的需按照相關標準處理或者尋求有相關資質的單位進行處理。

吸收法的優點：流程簡單，設備結構簡單，投資低；操作彈性較大，能適應較大的流量波動，但被吸收組分的總量應在吸收劑能力范圍內；凈化效率較高，可達到90%以上。

吸附法的缺點：適用范圍比較窄，適用于成分比較單一的廢氣，且有合適的吸收劑；吸收溫度有要求，高于吸收溫度時須額外進行冷卻處理；為減少二次污染，吸收液須妥善考慮處理設施或處理單位。

2.3 冷凝法

冷凝法的原理是根據特征污染物壓力與沸點的對應關系，采用將系統降溫或者提高壓力的方法，使系統溫度低于特征污染物在系統壓力沸點或提高特征物沸點并高于系統溫度時，將特征污染物轉變為液態而分離出來。通常適用于特征污染物體積分數高于0.5%的廢氣。

對于冷凝法而言，影響污染物凈化效率的主要有冷卻溫度、污染物沸點、污染物初始濃度3 個因素。但是對于較高的凈化要求，所需冷卻的溫度低，必要時需要增大壓力，這樣就會增加處理的難度和操作費用。當VOCs 濃度超過爆炸上限時，為防止冷凝過程中濃度處于爆炸極限范圍內而造成的爆炸安全隱患，需要在廢氣中補充惰性氣體以降低濃度。冷凝法也不適用于易聚合的 VOCs 組分廢氣的治理，因為聚合物可能黏附與換熱器表面，使傳熱效果惡化。因此如用單一冷凝法去除廢氣中的污染物需冷卻到極低的溫度，能耗較高。

冷凝法主要優點：流程簡單，易于維護；在處理高濃度、污染物沸點高時凈化效率較高，可達80%～90%。

冷凝法主要缺點：不適于高揮發性的、濃度較低的廢氣；通常不單獨使用，很難達到環保排放指標。

2.4 膜分離法

膜分離法的原理是在壓力驅動下，借助氣體中各組分在高分子膜表面上的吸附能力以及在膜內溶解-擴散上的差異以及滲透速率差來實現對某種組分的濃縮和富集[3]。

膜分離法適用面較廣，可處理很多類型的污染物，尤其是特征污染物體積分數高于0.1%的廢氣，可以彌補冷凝法和吸附法效果不好的缺點，處理低沸點有機物和氯代有機物。

膜分離法的核心就是所采用的膜材料，應具備較高的透氣性、較高的機械強度及化學穩定性和良好的成膜加工性能等，主要有有機高分子膜、多孔陶瓷膜、中空纖維玻璃膜、表面改性多層多孔膜、碳分子篩膜和沸石膜等[2]。

膜分離法的主要優點：選擇適用的膜組件污染物凈化效率可高達97%；對于工況（間歇流量、溫度波動）適用率較高，污染物類型適用率較廣；其他輔助公用工程用量少，能耗低。

膜分離法的主要缺點：需針對性地選擇膜組件；膜的壽命根據使用的物系和膜材料情況長短不一，且普遍壽命較短；可能產生濃差極化，需在設計時考慮預防措施。

2.5 燃燒法

燃燒法的原理是在高溫下并補充足夠的助燃空氣，將廢氣中的有機污染物進行燃燒分解，反應生成無害的二氧化碳和水。在足夠高溫度、過量空氣、湍流的條件下，可以處理大部分類型的揮發性有機物，根據燃燒的形式又可以分為熱力燃燒、催化燃燒。

由于燃燒法的操作平穩性以及較高的污染物凈化效率，燃燒法在石油化工裝置內使用比較多。

2.5.1 熱力燃燒（含蓄熱式熱力燃燒）

熱力燃燒通常溫度較高，約720～810 ℃（如處理危廢需更高），需根據處理的廢氣中熱值補充適當的燃料（如燃料氣、燃料油、天然氣等），根據反應爐的形式又可分為多塔式熱式熱力燃燒、旋轉爐式熱力燃燒等，熱回收方式也有外部換熱器形式或者在爐膛內設置蓄熱陶瓷層等。

熱力燃燒的主要優點：流程短，易于維護；適用面廣，幾乎可去除于所有的有機污染物類型；廢氣凈化效率高，多室或旋轉式蓄熱燃燒系統凈化效率可達98%以上；可處理大流量，低濃度的廢氣；可回收熱量或蓄熱再利用，熱利用高。

熱力燃燒的主要缺點：燃燒爐屬于明火設備，在平面布置上須考慮額外的防火間距；設備運行初期需預熱，操作工序較多；廢氣濃度、流量均需盡量平穩，換向閥切換頻率高，維護率較大；由于燃燒爐內反應溫度較高，易產生NOx等二次污染物；入口有機物濃度應控制在爆炸下限的25%以下，如無法滿足需進行稀釋，保證安全性；在廢氣熱值較低（含有的有機物濃度較低）時，無法維持自熱平衡時，需補充輔助燃燒；燃燒爐反應溫度高，選用材質等需特殊考慮；對于含硫、含鹵素有機物廢氣處理效果較差。

2.5.1 催化燃燒法（含蓄熱式催化燃燒）

催化燃燒法在燃燒法的基礎上，利用催化劑降低反應溫度。不同特征污染物的反應溫度需選擇不同的催化劑，反應溫度也略有不同，其余設備方案與熱力燃燒法相似[4]。

催化燃燒法的主要優點：不產生NOx等二次污染物；特征污染物凈化效率在97%以上。

催化燃燒法的主要缺點：通常采用貴金屬催化劑，價格較高，更換周期約3～5年，整體運行費用較高；入口有機物濃度應控制在爆炸下限的25%以下，如無法滿足需進行稀釋，保證安全性；廢氣中應避免含有引起催化劑中毒的元素；對廢氣中含塵量要求較高，通常要求低于10 mg·m-3；在低濃度廢氣工況和開工初期需采用電加熱或其他形式對尾氣進行預熱。

2.6 生物法

生物法的原理是利用微生物在新陳代謝過程中將廢氣中的有機污染物分解轉化無害物質。

生物法又可細分為生物洗滌法、生物過濾法和生物滴濾法。但總的來說，微生物是生物法的核心，不同的特征污染物需要不同的微生物菌群才能降解，而對于成分比較復雜、其中有多種特征污染物的廢氣，必須用混合培養出合適的微生物菌群來完成污染物的降解任務。

生物法的主要優點：在控制適當的負荷和氣液接觸條件下，凈化率能達到90%；設備簡單，維護簡單；不形成二次污染；能處理含硫、氮的惡臭物以及苯酚等有害物質的廢氣。

生物法的主要缺點：微生物對生長環境要求高，如pH 值、溫度、溶解氧濃度、污染物濃度等均對微生物生長環境有影響；操作彈性小，廢氣的流量、濃度均應平穩；處理速度較低，需要較大的占地面積。

3 結束語

本文介紹了石油化工裝置常見的廢氣處理技術，可能還有些比較前沿的技術，例如等離子法、光催化氧化法等沒在本文中介紹，但相信隨著國家法規的越來越完善，更多實用的、新型的廢氣處理技術會被開發出來，并廣泛地應用于石油化工裝置的廢氣處理。