化工行業(yè)VOCs廢氣治理措施分析

梁長華

（沈陽綠恒環(huán)境咨詢有限公司，遼寧 沈陽 110169）

近年來，隨著我國工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，以及城市機動車保有量的持續(xù)增長，城市區(qū)域以細顆粒物（PM2.5）和臭氧（O3）為特征污染物的大氣污染現(xiàn)象日益凸顯。十三五以來，為了切實改善大氣環(huán)境質(zhì)量，從根本上解決PM2.5和O3等污染問題，協(xié)同控制溫室氣體排放，國家出臺了一系列政策標準、工作方案，并制定了揮發(fā)性有機物（VOCs）階段性減排的目標任務，旨在積極推進臭氧和霧霾生成關鍵前體物VOCs的污染防治工作，建立健全VOCs污染防治管理體系。但是，由于我國VOCs污染防治起步較晚，且VOCs物質(zhì)種類繁多、排放形式多樣、理化性質(zhì)復雜，現(xiàn)階段的治理基礎以及技術水平仍較為薄弱。化工行業(yè)作為VOCs的重點排放源是現(xiàn)階段治理的重點行業(yè)，如何結(jié)合我國化工行業(yè)發(fā)展的實際過程開展VOCs污染防治工作，選取有針對性的治理方式實現(xiàn)廢氣達標排放，是一項艱巨而復雜的任務。

1 化工行業(yè)VOCs廢氣基本概述

1.1 主要含義

揮發(fā)性有機物（又稱VOCs）通常是指常溫下，沸點在50 ℃至260 ℃的各種有機化合物的總稱，其包含的多數(shù)有機物質(zhì)均具備一定的易揮發(fā)性，并且能參加大氣光化學反應，對大氣臭氧污染、PM2.5污染具有重要的影響。

1.2 VOCs廢氣的產(chǎn)生環(huán)節(jié)

工業(yè)生產(chǎn)中諸多行業(yè)都會產(chǎn)生揮發(fā)性有機物，如在油漆、涂料、油墨、膠粘劑、溶劑、農(nóng)藥等生產(chǎn)和使用過程中，以及燃油儲存、運輸和銷售過程，都會產(chǎn)生VOCs廢氣。同時VOCs廢氣也會分布在化工行業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，其產(chǎn)生的主要環(huán)節(jié)如下：一是有機液體儲罐區(qū)，受限于儲罐“大呼吸”以及“小呼吸”會產(chǎn)生一定的揮發(fā)性氣體；二是化工生產(chǎn)環(huán)節(jié)，比如合成、蒸餾以及成型等相關生產(chǎn)環(huán)節(jié)均會產(chǎn)生VOCs廢氣；三是物料轉(zhuǎn)移環(huán)節(jié)，從一個儲存器向另一個器具轉(zhuǎn)移時，因為其中會涉及氣體的吸收及放出，因此會有VOCs廢氣的形成；四是在化工生產(chǎn)中出現(xiàn)跑冒滴漏，長時間處在運行狀態(tài)的生產(chǎn)設備會被磨損、腐蝕，加之沒有及時采取針對性的養(yǎng)護手段，易引發(fā)物料的泄露；五是事故排放，因工作人員操作不當，致使有機物無法規(guī)范排放或是出現(xiàn)泄露。

1.3 主要危害

在空氣中彌漫VOCs廢氣有很多危害，由于其理化性質(zhì)不穩(wěn)定，在日光照射下易發(fā)生化學反應而產(chǎn)生霧霾。大多數(shù)揮發(fā)性有機物是有毒且致癌的，如果人們吸入這些空氣，很容易對肺部功能造成影響，若是大量且長時間吸入，會增加細胞癌變的概率，從而引發(fā)癌癥疾病。與此同時，多數(shù)揮發(fā)性有機物為易燃易爆化學品，存在安全隱患[1]。

2 常用的揮發(fā)性有機物廢氣治理技術

2.1 “物理-化學”治理技術

2.1.1 吸收法

該方法通過利用污染物質(zhì)能夠與特定吸收劑發(fā)生化學反應的特征，不僅可以將污染物分離，還能進行廢氣凈化。目前這項技術已廣泛應用于化工行業(yè)的廢氣治理中，例如通過水和表面活性劑吸收廢氣，這種方法具有較好的凈化效果。化工企業(yè)在治理氮氧化物廢氣時，可以將尿素溶液（酸性）作為吸收液進行氮氧化廢氣的還原及吸收，且吸收效果優(yōu)良。通過吸收塔之后，氮氧化物的含量從原來的857～4 285 mg/L下降到85.7～128 mg/L，且廢氣的排放速率維持在0.299～0.45 kg/h，符合我國大氣污染物排放的規(guī)范標準。

2.1.2 吸附法

該方法通過吸附劑能夠在液相、氣相中有效吸附其中含有的有害以及有毒污染組分的特性來進行廢氣凈化。現(xiàn)階段，常見的吸附劑為具備孔狀結(jié)構(gòu)的活性炭、沸石，以及傳質(zhì)速率較強的纖維結(jié)構(gòu)合成材料。例如，利用活性炭吸附硫化氫，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)利用活性炭進行脫硫不僅性能優(yōu)良而且容量較大；用活性炭吸附碘代甲烷的去除率為98.1%；通過廢物進行高溫分解獲得活性炭，吸附煙道含有的氯代廢氣，在實驗中發(fā)現(xiàn)其去除毒物質(zhì)PCDD以及PCDF的效率分別為85%和41%。這項工藝采用的活性炭是二次產(chǎn)物，而且對二噁英等廢氣具有很好的吸附效果。沸石是硅鋁酸鹽且具備孔狀結(jié)構(gòu)，其中分布的各種電荷與離子不僅具備特殊的極化電場，并且選擇性與吸附能力較強。通過合成材料也可達到處理化工廢氣的目的，例如，通過PEBAX1657材質(zhì)纖維及其表面通過沸石所形成的合成膜，能夠有效分離廢氣當中含有的有毒氣體與二氧化碳。

2.1.3 放電等離子體法

這種方法是目前國際公認的有害氣體的高效處理方法，其依托高壓放電得到的等離子體，能夠獲得很多活性粒子以及高能電子，破壞C-H、C-C鍵，使污染物進行置換反應，從而獲得二氧化碳和水。例如，有關研究人員通過脈沖電暈法進行含苯廢氣的治理實驗，當電壓設定為140 kV并且進行混合電暈時，能有效去除82.73%的苯，這項技術一般用于濃度較低的有機廢氣治理。再比如，通過熱等離子體進行PFCs裂解實驗，這種技術破壞污染物的程度能夠達到96%。同樣在脫色過程中，使用這項技術處理約2 h之后，脫色率可以達到99%，因此，這種方法因其效率較高而獲得研究人員的高度重視。

2.1.4 焚燒氧化技術

這種方法通常用于化工行業(yè)不能回收利用且有毒的廢氣治理，既可以通過有機物質(zhì)充分燃燒最終生成水和二氧化碳，同時還可以釋放大量的熱能，將熱能回收后便可以再利用。這種治理技術凈化徹底，對部分特殊廢氣具有良好的治理效果。通過添加合適的助燃劑、催化劑，可進一步優(yōu)化這種方法的使用條件，由此提升治理效率[2]。例如PTA裝置排出的濃度較高的污染廢氣，流經(jīng)合適的處理設備將其進行高溫焚燒，可有效控制尾氣的排放，并在一定程度上降低了空氣污染程度，同時將溴化氫作為催化劑，能夠降低廢氣中溴的含量。

2.1.5 光催化氧化技術

這項技術是通過在光照環(huán)境下，使部分金屬氧化物質(zhì)產(chǎn)生一定的自由基活性物質(zhì)，受到其高氧化性的影響，VOCs污染物質(zhì)能夠在濃度較低情況下分解生成沒有毒害的簡單物質(zhì)。該項技術因其穩(wěn)定的化學性質(zhì)、較低的運行成本等優(yōu)勢得到科研工作者的廣泛關注。現(xiàn)階段，多采取半導體ZnO作為催化劑。例如，可以降解廢氣中的苯系物，將粒徑為20.7 nm的二氧化鈦作為催化劑、初始甲苯的質(zhì)量濃度為200 mg/m3、體系濕度為45%，反應時間為60 min，能夠有效去除超過46%的甲苯。例如通過這種方法進行氯甲烷的處理時，可將三氧化二鋁作為催化劑，并且在溫度為350 ℃、空速為4 800 h-1的條件下，轉(zhuǎn)化氯甲烷效率與總烴轉(zhuǎn)化效率都能超過99%。

2.2 生物治理技術

2.2.1 生物濾池技術

該技術主要是把預處理完成的廢氣送入生物濾池，通過由土壤、有機堆肥、木屑等組成的有機填料層，將污染物從氣相轉(zhuǎn)移進入生物層，填料層含有的微生物能夠?qū)τ袡C物進行氧化分解，生成一些小分子物質(zhì)，并從濾池頂端的位置排出。當前通過接種生物濾池進行苯乙烯的處理，當進氣濃度在200～800 mg/m3的情況下，其去除能力最高是66.78 g/（m3·h），具有較為理想的處理效果。據(jù)相關研究試驗表明，如果實驗溫度處在20～30 ℃范圍，二甲苯質(zhì)量濃度為200～800 mg/m3，容積負荷為6.2～24.7 mg/L·h，時間為117 s，投配液量為40 L/h，去除對二甲苯的效率為74%～100%。

2.2.2 生物吸收技術

在采用這種方法的過程中，生物懸浮液能通過壓力噴淋，使化工生產(chǎn)產(chǎn)生的廢氣進入水相，通過污泥池含有的活性物質(zhì)實現(xiàn)廢氣污染物的去除。例如某家鑄造廠，通過這一技術進行含有乙醛、酚等廢氣的處理，流經(jīng)兩段洗滌去除污染物的效率能超過95%。再比如用該方法處理含有苯酚等物質(zhì)的廢氣，在其流量為21～194 mg/h，濃度為650～850 mg/m3的情況下，去除苯酚的效率可以達到99%。

3 治理化工行業(yè)VOCs廢氣的常見技術及適用條件

3.1 回收技術

化工行業(yè)產(chǎn)生的廢氣中大部分可作為原輔材了，具有一定的回收價值，因此，回收技術可在污染物減排的同時，實現(xiàn)資源再利用。治理化工行業(yè)VOCs廢氣使用的回收技術，主要原理為轉(zhuǎn)變物自身的物理性質(zhì)，比如壓力和溫度等，與此同時還能通過質(zhì)量較高的透膜，消除廢氣中所含的有機物質(zhì)。常見回收技術能夠劃分為吸收、吸附、冷凝、以及膜分離等。例如，吸收技術。所使用的吸收劑在廢氣治理的過程中占據(jù)十分關鍵的地位，關于吸收劑的選擇，應選用沒有揮發(fā)性、較低揮發(fā)性液體用作吸收劑。具體使用時，需研究VOCs廢氣的組成成分，分析吸收劑當中廢氣溶解的程度，再利用合適的吸收裝置吸收廢氣中揮發(fā)性較強的有機物。同時吸收技術也對VOCs廢氣提出較高的要求，例如備氣量應盡可能小、壓力高以及低溫，只有滿足上述條件才可以通過吸收技術進行VOCs廢氣的治理。利用吸附技術治理VOCs廢氣時，可通過吸附劑所具備的吸附選擇性，使廢氣中所含的揮發(fā)性物質(zhì)吸附在其表面，再針對有害氣體統(tǒng)一回收和凈化。同樣該技術也會受限其適用條件，即一般適用于凈化要求較低、濃度低與大氣量的廢氣。冷凝技術在凈化與回收廢氣時，要求廢氣均具備飽和性，因物質(zhì)種類不同會存在一定差異，例如廢氣在蒸汽狀態(tài)下實施冷凝液化，可以通過兩種技術實現(xiàn)，分別是降低溫度和提高壓力，這樣能夠有效分離VOCs廢氣中含有的有害氣體。需要注意的是這項技術一般運用于單組分、高濃度與沸點高的廢氣處理。而膜分離技術首先要對廢氣進行冷凝，然后將利用透膜完成冷凝的廢氣與液體分離，從而達到凈化VOCs廢氣的目的。該技術的適用條件為小氣量、低濃度、具有較高回收價值的化工行業(yè)產(chǎn)生的VOCs廢氣[3]。

3.2 銷毀技術

治理化工行業(yè)VOCs廢氣使用的銷毀技術，重點是利用廢氣自身具備的一些化學性質(zhì)，合理運用微生物、催化劑與熱能輔助，進行生化以及常規(guī)反應，這樣可以將廢氣中所含的各種有害物質(zhì)，有效轉(zhuǎn)化成小分子無機化合物。常見的處理技術是催化燃燒以及熱力焚燒等。其中催化燃燒技術在治理過程中，主要運用具備催化屬性的相關物質(zhì)，依托其能催化廢氣進行氧化反應的特點，在這一過程中反應溫度的控制十分重要，通常應保持在250～500 ℃的范圍內(nèi)。催化燃燒法雖然不需要投入較大的使用成本，但如果成分中包含硫、鹵素等，最好不要選擇該技術。采用熱力焚燒技術治理VOCs廢氣時，應該先對廢氣進行加熱，當溫度超過700 ℃時，能夠分解有機物質(zhì)，并進一步轉(zhuǎn)化生成二氧化碳或是水，而且凈化率能夠超過九成。但是熱力焚燒的治理成本較高，如果在低濃度條件下應該補充燃料，因此通常用在治理較大危害的化工行業(yè)VOCs廢氣。采取低溫等離子體技術也可進行銷毀治理，一般在常溫條件通過高壓脈沖獲得高能量的或是活性粒子，得到的物質(zhì)能夠和廢氣互相作用，從而將其中的有害氣體變?yōu)榈秃蚴菬o害物質(zhì)，這項技術主要應用于較低濃度化工行業(yè)VOCs廢氣的治理。

以上兩大類VOCs廢氣治理技術均是相對成熟并廣泛運用在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，治理化工企業(yè)VOCs廢氣具有可觀的治理效果，各種處理技術均具備各自的優(yōu)缺點和不同的適用條件。關于集中處理方法的選擇，需結(jié)合VOCs廢氣的化學及物理性質(zhì)進行，也可以選擇不同方法的組合模式進行治理[4]。另外，在對化工行業(yè)VOCs廢氣進行防治時，主要技術體系為源頭取替、過程控制以及末端治理等，相關企業(yè)及工廠應加大在原材料使用、生產(chǎn)工藝等方面的研究力度，最大限度減少VOCs的使用及廢氣排放量。

4 未來發(fā)展方向設想

4.1 通過隔離治理提取廢氣中的有害物質(zhì)

這一技術首先會提取廢氣中含有的有害物質(zhì)，再對相關有害物質(zhì)進行隔離治理，該工藝技術不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對廢氣中所含各類有機物質(zhì)有效地回收利用，體現(xiàn)出理想的節(jié)能降耗優(yōu)勢。同時，采用該項技術治理廢氣還能避免產(chǎn)生嚴重的空氣污染問題，降低生產(chǎn)活動對附近自然環(huán)境造成的污染。但該技術成的本投入相對較高，因此不適合在小規(guī)模化工企業(yè)使用。一般運用在較大廢氣排放量，并且使用此技術所得的回收物質(zhì)具備更高使用價值的行業(yè)。該項技術雖然成本投入相對較高，但因其環(huán)保優(yōu)勢突出，因此，未來應通過技術水平的提升降低投入成本，這樣能夠?qū)⑵溥m用范圍擴大[5]。

4.2 通過生物分子轉(zhuǎn)化實現(xiàn)污染物的充分利用

我國近些年十分重視節(jié)能環(huán)保工作，并在研發(fā)廢氣治理技術方面投入了大量的物力及人力，同時獲得了相對理想的成績和成果，而生物分子轉(zhuǎn)化更獲得了行業(yè)的高度認可。一方面這項技術能夠有效轉(zhuǎn)化廢氣中含有的有害物質(zhì)，另一方面能夠?qū)崿F(xiàn)“變廢為寶”的目標。該技術不僅投入成本低而且操作簡單，所以在我國擁有廣泛的使用推廣空間。此技術也是我國未來主要推廣及扶持的化工行業(yè)廢氣處理技術，定能獲得更大發(fā)展。

4.3 光催化分解化工行業(yè)廢氣

光催化分解法是國內(nèi)現(xiàn)階段最具代表性的一項廢氣處理工藝，是通過光照和催化劑的反應特征實現(xiàn)廢氣分解。該技術在實際使用時要求運用催化效果較強的催化劑，由于催化劑價格合理，而且不具備危害性，因此受到多數(shù)化工行業(yè)的認可。基于不斷進步的科技與不斷發(fā)展的經(jīng)濟，在未來應該研究出節(jié)能性與環(huán)保性更出色的催化劑[6]，例如納米材料就擁有這一特性，不管在取材或是用料上均十分安全環(huán)保，而且能在今后的發(fā)展中獲得全新的進步和突破。

5 結(jié)語

化工行業(yè)產(chǎn)生了大量的VOCs廢氣，一方面嚴重污染了自然生態(tài)環(huán)境，另一方面還會嚴重威脅人類健康。基于此，應針對VOCs廢氣采取合適的治理措施，減少揮發(fā)性有機物的排放。現(xiàn)階段化工行業(yè)VOCs廢氣治理主要采取銷毀與回收技術，在具體使用中，應立足VOCs廢氣的理化特征，選擇有針對性的治理方式實現(xiàn)廢氣凈化，進而降低其對自然環(huán)境造成的污染程度。但是這些治理技術具有二次污染、成本偏高等局限性，在未來期待有更多高效的治理技術投入到實際生產(chǎn)，一方面可以促進化工行業(yè)的綠色發(fā)展，另一方面也可以為保護自然環(huán)境做出貢獻。