雙碳政策形勢下VOCs治理路線分析

于示林

雙碳政策形勢下VOCs治理路線分析

于示林

（中海油節能環保服務有限公司，天津 300450）

揮發性有機物（VOCs）在“十三五”期間被列入最重要的大氣污染物之一，在“十四五”期間仍為重點管控大氣污染物，然而，隨著“碳達峰、碳中和”目標的建立，在進行VOCs治理的同時，要充分權衡各VOCs治理技術的優缺點，特別要考慮對雙碳目標的影響，在消除VOCs、實現環保達標排放的同時，要充分考慮VOCs治理設備的節能、低耗，要盡量降低CO2的產生量，甚至不產生CO2排放。

揮發性有機物；VOCs治理；碳排放

自“十三五”開始，VOCs被列為重要的大氣污染物，國家及各級地方環保部門相繼制定和出臺了一系列VOCs污染防治的法規、政策、標準及規范[1]，各種各樣的VOCs末端治理技術相繼出現，隨著近幾年的發展，逐漸形成了以吸附回收和燃燒為主兩大類的VOCs末端治理技術。吸附回收類的技術包括“冷凝+吸附”“吸收+吸附”“加壓冷 凝+吸附”等不同組合工藝，燃燒類的技術包含了“催化燃燒”“蓄熱式燃燒”“表面燃燒”等燃燒工藝，為滿足不同工況或不同環保排放指標的要求，也常將回收類和燃燒類工藝組合使用。無論是采用哪種工藝，VOCs的治理過程不可避免地會帶來不同程度的能源和化石燃燒的消耗，帶來更多的碳排放?！笆奈濉逼陂g，VOCs替代二氧化硫列入大氣環境質量的約束性指標，VOCs的污染防治將成為大氣污染控制的關鍵和重點。然而，隨著“碳達峰、碳中和”目標的建立，VOCs控制手段和措施將迎來重要變更，VOCs末端治理系統的建立、工藝的選擇在追求排放達標的前提下，要充分考慮對雙碳目標的影響，要充分做到節能、低耗、能量回收利用[2]。

1 VOCs末端治理過程中的碳排放來源

1.1 VOCs收集及輸送過程

VOCs的有效收集是VOCs廢氣治理的基本，如在有機液體裝載過程、儲罐呼吸口呼吸過程中，只有首先實現VOCs的有效收集，才能為實現VOCs的治理打下基礎。在VOCs收集階段，往往因廢氣壓力較低、管線太長等因素，需要配套廢氣輸送風機，帶來電力消耗。

1.2 VOCs回收過程

回收類的工藝主要包括“冷凝+吸附”“吸 收+吸附”“加壓冷凝+吸附”等不同組合工藝，為實現更好的回收效率，一般采用三級冷凝，最低溫度可達到-75 ℃，其制冷方式為機械制冷，為保證設備具有較低的相應溫度，往往將冷凝器設置為常開狀態，在非回收過程階段，采用低功率運行，以保證整套系統的溫度，在回收過程時，可迅速將溫度降低到設計溫度，實現冷凝效果。因此，這必將帶來極大的電力消耗。

在吸附階段，一般采用活性炭或樹脂材料作為吸附劑，為避免經常性的更換吸附材料，在設計中一般采用真空解析，由真空泵來實現真空環境，同樣此部分的電力消耗也是不可忽略的。

1.3 補充燃料燃燒過程

采用燃燒工藝處理VOCs廢氣時，需要根據VOCs廢氣的熱值和工藝需要配備補充燃料，采用催化燃燒或蓄熱式燃燒等工藝時，為保證系統的安全性，首先需要將VOCs廢氣濃度降低到5 g·m-3以下，因廢氣不具備自行燃燒的條件，需要補充大量的天然氣進行助燃，以保證系統燃燒溫度，確保VOCs的處理達標[3]，因此，在采用催化燃燒或蓄熱式燃燒時，補充燃料燃燒過程所產生的CO2排放量是不容忽視的。但采用表面燃燒工藝時，當VOCs廢氣濃度和熱值較高的情況下，可實現自行燃燒，不需要進行空氣稀釋，也不需要配套補充燃料，僅在VOCs廢氣濃度和熱值較低的情況下，需要配套天然氣進行助燃，因此，相比較而言，采用表面燃燒的處理工藝是相對更為降碳的VOCs燃燒類處理工藝。燃燒類處理工藝特點如表1所示。

表1 燃燒類處理工藝特點

1.4 VOCs燃燒過程

燃燒類工藝是利用VOCs的可燃燒特點，將VOCs與空氣混合，發生氧化反應，將VOCs轉化為CO2和H2O，因此，所需處理的VOCs排放量越大，所產生的CO2排放量就越多，從本質上講，燃燒類的VOCs處理工藝是增加CO2排放的過程[4]。

2 VOCs末端治理系統優化設計建議

2.1 VOCs收集及輸送單元

在石化行業，VOCs主要的排放源項包括有機液體的裝卸過程、儲罐呼吸閥呼吸過程，其中有機液體裝卸過程的VOCs排放治理系統一般包括油氣收集系統、油氣輸送系統、油氣處理系統。油氣收集系統一般指油氣回收鶴管（陸地裝車）或輸氣臂（岸上碼頭），油氣輸送系統指為使油氣能夠有效輸送至VOCs處理裝置而配備的增壓風機，因此，在VOCs收集及輸送單元最主要的碳排放來源為風機的電力消耗。為減少此部分的碳排放產生量，在系統優化設計中建議如下：

1）陸地裝車過程由頂部裝卸改部底部密閉裝卸，頂部裝卸過程油氣為常壓狀態，為達到收集效率，必須要在油氣管道上設置油氣風機，如改成底部密閉裝卸，油氣管線為正壓工況，油氣可自流至VOCs末端治理設備，無需增加油氣風機，因此，可減少電力消耗，降低碳排放。但要注意的是，需要盡量將VOCs末端治理設備布置于裝車站附近，合理選擇油氣輸送管道管徑，縮短油氣輸送距離。

2）碼頭裝船過程的油品及化學品船舶大多已設置油氣回收管線，船艙壓力一般為14 kPa上下，正常狀態下，油氣可靠壓力自流至VOCs末端治理設備，因此，在設計時，應合理選擇油氣輸送管道管徑，合理布置管線路由，減少油氣輸送阻力，可不再設置油氣輸送風機，減少電力消耗，降低碳排放。

2.2 VOCs處理單元

回收類VOCs處理單元在設計中要充分考慮VOCs組分、含量、公用工程條件以及當地環保達標排放指標要求，建議如下：

1）對于油氣相對分子質量比較高的有機物揮發氣，其濃度相對來說較低，可優先選用“吸收+吸附”類的VOCs處理工藝，可選用柴油或汽油作為吸收劑，富液打回流程或存入儲罐中，剩余未被吸收的有機氣體可通過活性炭床進行吸附，可根據被吸收后的有機氣體濃度和當地的環保排放指標來合理確定活性炭床結構及停留時間，以滿足環保達標要求。因“吸收+吸附”工藝電能消耗較少，且不額外產生碳排放，未來將是VOCs治理的主流工藝，而未來發展的難點是低分子、高濃度VOCs工況下的應用，實現毫克級達標排放。

2）對于汽油、石腦油、有機化學品等濃度高、穩定且易回收類的VOCs氣體易采用“吸收+吸附”或“冷凝+吸附”的回收工藝，采用冷凝回收工藝要計算回收的能耗收益比，傳統的冷凝吸附工藝利用壓縮機進行制冷，深冷工藝最低溫度可達-75 ℃，但要消耗大量的電能，在“雙碳”背景下是不合適的。在此情況下，“加壓+冷凝+吸附”工藝是可以考慮的工藝，以某廠為例，廢氣為甲醛和甲醇廢氣，裝置采用“水洗+壓縮+冷凝+吸附復疊法”的回收工藝，如圖1所示。

圖1 水洗+壓縮+冷凝+吸附復疊法

本工藝針對甲醛和甲醇氣體分別由單獨的管路匯集到廢氣處理單元，其中甲醛氣體匯集后先進入水洗塔，水洗塔可去除80%的甲醛氣體，剩下氣體與甲醇管路一同進入壓縮冷凝單元，廢氣經廢氣壓縮機壓縮至0.8～1.0 MPa之間，進入冷凝系統，冷凝至-10 ℃左右后成液體的廢氣被打回儲液罐，未被冷凝的部分廢氣進入到吸附單元后，由兩個交替切換的活性炭床組成，活性炭的再生則通過真空泵抽真空完成，并且在再生循環的最后四分之一時間里以一定的控制方式引入空氣進行吹掃。再生階段從活性炭床脫附下來的廢氣通過真空泵脫附后再回到壓縮機的入口復疊處理。當所有發油泵停止發油后，主進氣管線上的壓力低于設定值時，回收系統自動停止運轉。

經冷凝+吸附后的廢氣中甲醇回收率可達97%以上，可以將甲醇打回生產流程中進一步提純，提高了生產效益。

3）對于相對分子質量較小、沸點較低的VOCs組分，因其極難以冷凝和吸附，不適合采用冷凝回收的工藝。對于此類VOCs氣體，可采用表面燃燒類的VOCs處理工藝，比較具有代表性的是高效燃燒處理工藝。在VOCs廢氣濃度高時，廢氣可直接燃燒，不需要補充天然氣等補充燃料，在實現VOCs達標排放的同時，可最大限度地降低碳排放量[5]。例如在某企業的原油外輸碼頭VOCs治理項目上，采用的是高效燃燒處理工藝，廢氣依次通過輸氣臂、船岸安全裝置、增壓風機進入高效燃燒處理裝置，在運行過程中，通過數據監測，在原油外輸的2 h之后的時間，船艙中逸散出的可燃氣濃度達到高峰，此時高效燃燒裝置所消耗的天然氣量非常少，甚至可以不再補充燃燒天然氣，極大地減少了天然氣燃燒過程所帶來的CO2排放。同樣，由于高效燃燒處理工藝不需要高能耗動力設備的介入，整體設備功耗較其他工藝低，而目前傳統電能主要來源依舊是煤炭發電，因此，也減少了由于電能消耗增加所帶來的CO2排放增加。

3 VOCs末端治理技術低碳化發展路線

3.1 源頭削減

治理VOCs的排放最重要，也是最根本消除VOCs排放的措施，不僅可以減輕企業的成本壓力，也可以避免CO2的排放，尤其是在噴漆、涂漆作業中，目前的VOCs治理方式為集中收集后進RTO等裝置燃燒處理，會因電力消耗、天然氣燃燒產生大量的碳排放，VOCs治理成本極高，但若從根本上選用低VOCs的水性漆后，車間中VOCs的含量很低，經過簡單的文丘里水系后即可實現達標排放，極大地降低了設備的投資成本和碳排放量。如果使用了低VOCs原輔材料，經過監測，如果排放濃度穩定達標且排放速率滿足行業及地方排放標準規定的，可不要求建設VOCs末端治理設施。

3.2 VOCs處理工藝的低碳化發展

對于有機化學品、汽油、石腦油等揮發氣體組分相對單一的揮發性有機氣體可以優先采用能耗及燃燒消耗相對較低且有回收產品價值的“吸收+吸附”類技術，而避免使用“冷凝+吸附”的高耗能技術[6]。而對于原油或其他無回收價值且廢氣組分復雜的高濃度揮發性有機氣體建議選用“高效燃燒處理技術”進行處理，因此技術在高濃度有機廢氣條件下可以自行燃燒，在同等處理規模下，電能及資源消耗在燃燒類工藝中是最低的，且處理效率是最高的，因此，在未來的雙碳目標背景下值得推廣應用。

3.3 VOCs排放標準更加針對性和合理性

目前雖然制定了各行業的VOCs排放標準，但是各排放標準有明顯的相似性，不同的行業性質、不同的排放源類型、不同的工況條件未充分得到考慮，制定的排放標準缺乏針對性，對于那些原本排放濃度和排放速率較低的VOCs排放源需要消耗大量的資源實現VOCs排放要求，與雙碳目標是相背離的。因此，未來需要各行各業的專家和標準制定者在深入掌握我國VOCs排放情況下，細化VOCs排放標準，實現VOCs環保排放與雙碳目標的和諧共贏。

4 結束語

綜上所述，“十四五”期間，VOCs仍是大氣污染物控制的重要指標，各行各業在制定各自的VOCs治理方案時，應切合自身實際進行選擇VOCs治理方案，同時在不同行業、不同VOCs排放源項、不同工況下需更加細化VOCs排放標準，實現VOCs環保達標排放的同時符合雙碳目標的總體要求。

［1］于飛．揮發性有機物污染及防治對策[J]．低碳世界，2020，10（6）：22-22.

［2］化工高質量發展研究中心.碳排放被納入環評，涉及6地區化工行業[J]．染整技術，2021，43（8）：63-64．

［3］張旭．農藥行業有機廢氣蓄熱焚燒爐RTO設計要點探討[J]．遼寧化工，2022，51（8）：1162-1165．

［4］李一倬．低溫等離子體耦合催化去除揮發性有機物的研究[D]．上海：上海交通大學，2017．

［5］于示林，王海影，張帥．高效燃燒技術在VOCs廢氣治理上的應用[J]．資源節約與環保，2022（2）：4-6．

［6］劉洋，王新，劉忠生，等．煉油廠VOCs吸收-吸附耦合工藝研究[J]．煉油技術與工程，2022，52（5）：6-10.

Analysis of VOCs Control Route Under the Situation of Double-carbon Policy

（CNOOC Energy Conservation and Environmental Protection Service Co., Ltd., Tianjin 300450, China）

Volatile organic compounds (VOCs) were listed as one of the most important air pollutants during the "13th five year plan" period. During the "14th five year plan" period, it is still the key air pollutant to be controlled. However, with the establishment of the goal of "carbon peaking and carbon neutralization", while dealing with the VOCs, the advantages and disadvantages of various VOCs treatment technologies should be fully weighed, especially considering the impact on the double carbon goal, and eliminating VOCs, while achieving environmental protection and emission standards, the energy conservation and low consumption of VOCs treatment equipmentshould be fully considered, as well as reducing the production of CO2, or even no CO2emissions.

Volatile organic compounds; VOCs governance; Carbon emission

X701

A

1004-0935（2023）09-1327-04

2022-09-02

于示林（1988-），男，山東省煙臺市人，中級工程師，碩士研究生，2014年畢業于中國石油大學（華東）機械工程學院，研究方向：VOCs污染防治。