雙碳政策形勢(shì)下VOCs治理路線分析

于示林

雙碳政策形勢(shì)下VOCs治理路線分析

于示林

（中海油節(jié)能環(huán)保服務(wù)有限公司，天津 300450）

揮發(fā)性有機(jī)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(diǎn)管控大氣污染物，然而，隨著“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的建立，在進(jìn)行VOCs治理的同時(shí)，要充分權(quán)衡各VOCs治理技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，特別要考慮對(duì)雙碳目標(biāo)的影響，在消除VOCs、實(shí)現(xiàn)環(huán)保達(dá)標(biāo)排放的同時(shí)，要充分考慮VOCs治理設(shè)備的節(jié)能、低耗，要盡量降低CO2的產(chǎn)生量，甚至不產(chǎn)生CO2排放。

揮發(fā)性有機(jī)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(guó)家及各級(jí)地方環(huán)保部門相繼制定和出臺(tái)了一系列VOCs污染防治的法規(guī)、政策、標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范[1]，各種各樣的VOCs末端治理技術(shù)相繼出現(xiàn)，隨著近幾年的發(fā)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(shù)。吸附回收類的技術(shù)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(shù)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(huán)保排放指標(biāo)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(huì)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(huán)境質(zhì)量的約束性指標(biāo)，VOCs的污染防治將成為大氣污染控制的關(guān)鍵和重點(diǎn)。然而，隨著“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)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(tǒng)的建立、工藝的選擇在追求排放達(dá)標(biāo)的前提下，要充分考慮對(duì)雙碳目標(biāo)的影響，要充分做到節(jié)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(jī)液體裝載過程、儲(chǔ)罐呼吸口呼吸過程中，只有首先實(shí)現(xiàn)VOCs的有效收集，才能為實(shí)現(xiàn)VOCs的治理打下基礎(chǔ)。在VOCs收集階段，往往因廢氣壓力較低、管線太長(zhǎng)等因素，需要配套廢氣輸送風(fēng)機(jī)，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(shí)現(xiàn)更好的回收效率，一般采用三級(jí)冷凝，最低溫度可達(dá)到-75 ℃，其制冷方式為機(jī)械制冷，為保證設(shè)備具有較低的相應(yīng)溫度，往往將冷凝器設(shè)置為常開狀態(tài)，在非回收過程階段，采用低功率運(yùn)行，以保證整套系統(tǒng)的溫度，在回收過程時(shí)，可迅速將溫度降低到設(shè)計(jì)溫度，實(shí)現(xiàn)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(jīng)常性的更換吸附材料，在設(shè)計(jì)中一般采用真空解析，由真空泵來實(shí)現(xiàn)真空環(huán)境，同樣此部分的電力消耗也是不可忽略的。

1.3 補(bǔ)充燃料燃燒過程

采用燃燒工藝處理VOCs廢氣時(shí)，需要根據(jù)VOCs廢氣的熱值和工藝需要配備補(bǔ)充燃料，采用催化燃燒或蓄熱式燃燒等工藝時(shí)，為保證系統(tǒng)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(bǔ)充大量的天然氣進(jìn)行助燃，以保證系統(tǒng)燃燒溫度，確保VOCs的處理達(dá)標(biāo)[3]，因此，在采用催化燃燒或蓄熱式燃燒時(shí)，補(bǔ)充燃料燃燒過程所產(chǎn)生的CO2排放量是不容忽視的。但采用表面燃燒工藝時(shí)，當(dāng)VOCs廢氣濃度和熱值較高的情況下，可實(shí)現(xiàn)自行燃燒，不需要進(jìn)行空氣稀釋，也不需要配套補(bǔ)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(jìn)行助燃，因此，相比較而言，采用表面燃燒的處理工藝是相對(duì)更為降碳的VOCs燃燒類處理工藝。燃燒類處理工藝特點(diǎn)如表1所示。

表1 燃燒類處理工藝特點(diǎn)

1.4 VOCs燃燒過程

燃燒類工藝是利用VOCs的可燃燒特點(diǎn)，將VOCs與空氣混合，發(fā)生氧化反應(yīng)，將VOCs轉(zhuǎn)化為CO2和H2O，因此，所需處理的VOCs排放量越大，所產(chǎn)生的CO2排放量就越多，從本質(zhì)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(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)建議

2.1 VOCs收集及輸送單元

在石化行業(yè)，VOCs主要的排放源項(xiàng)包括有機(jī)液體的裝卸過程、儲(chǔ)罐呼吸閥呼吸過程，其中有機(jī)液體裝卸過程的VOCs排放治理系統(tǒng)一般包括油氣收集系統(tǒng)、油氣輸送系統(tǒng)、油氣處理系統(tǒng)。油氣收集系統(tǒng)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(tǒng)指為使油氣能夠有效輸送至VOCs處理裝置而配備的增壓風(fēng)機(jī)，因此，在VOCs收集及輸送單元最主要的碳排放來源為風(fēng)機(jī)的電力消耗。為減少此部分的碳排放產(chǎn)生量，在系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(tài)，為達(dá)到收集效率，必須要在油氣管道上設(shè)置油氣風(fēng)機(jī)，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(shè)備，無需增加油氣風(fēng)機(jī)，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(shè)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(xué)品船舶大多已設(shè)置油氣回收管線，船艙壓力一般為14 kPa上下，正常狀態(tài)下，油氣可靠壓力自流至VOCs末端治理設(shè)備，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)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(shè)置油氣輸送風(fēng)機(jī)，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(shè)計(jì)中要充分考慮VOCs組分、含量、公用工程條件以及當(dāng)?shù)丨h(huán)保達(dá)標(biāo)排放指標(biāo)要求，建議如下：

1）對(duì)于油氣相對(duì)分子質(zhì)量比較高的有機(jī)物揮發(fā)氣，其濃度相對(duì)來說較低，可優(yōu)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(chǔ)罐中，剩余未被吸收的有機(jī)氣體可通過活性炭床進(jìn)行吸附，可根據(jù)被吸收后的有機(jī)氣體濃度和當(dāng)?shù)氐沫h(huán)保排放指標(biāo)來合理確定活性炭床結(jié)構(gòu)及停留時(shí)間，以滿足環(huán)保達(dá)標(biāo)要求。因“吸收+吸附”工藝電能消耗較少，且不額外產(chǎn)生碳排放，未來將是VOCs治理的主流工藝，而未來發(fā)展的難點(diǎn)是低分子、高濃度VOCs工況下的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)毫克級(jí)達(dá)標(biāo)排放。

2）對(duì)于汽油、石腦油、有機(jī)化學(xué)品等濃度高、穩(wěn)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(jì)算回收的能耗收益比，傳統(tǒng)的冷凝吸附工藝?yán)脡嚎s機(jī)進(jìn)行制冷，深冷工藝最低溫度可達(dá)-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(fù)疊法”的回收工藝，如圖1所示。

圖1 水洗+壓縮+冷凝+吸附復(fù)疊法

本工藝針對(duì)甲醛和甲醇?xì)怏w分別由單獨(dú)的管路匯集到廢氣處理單元，其中甲醛氣體匯集后先進(jìn)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(jìn)入壓縮冷凝單元，廢氣經(jīng)廢氣壓縮機(jī)壓縮至0.8～1.0 MPa之間，進(jìn)入冷凝系統(tǒng)，冷凝至-10 ℃左右后成液體的廢氣被打回儲(chǔ)液罐，未被冷凝的部分廢氣進(jìn)入到吸附單元后，由兩個(gè)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(huán)的最后四分之一時(shí)間里以一定的控制方式引入空氣進(jìn)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(jī)的入口復(fù)疊處理。當(dāng)所有發(fā)油泵停止發(fā)油后，主進(jìn)氣管線上的壓力低于設(shè)定值時(shí)，回收系統(tǒng)自動(dòng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

經(jīng)冷凝+吸附后的廢氣中甲醇回收率可達(dá)97%以上，可以將甲醇打回生產(chǎn)流程中進(jìn)一步提純，提高了生產(chǎn)效益。

3）對(duì)于相對(duì)分子質(zhì)量較小、沸點(diǎn)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(duì)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(shí)，廢氣可直接燃燒，不需要補(bǔ)充天然氣等補(bǔ)充燃料，在實(shí)現(xiàn)VOCs達(dá)標(biāo)排放的同時(shí)，可最大限度地降低碳排放量[5]。例如在某企業(yè)的原油外輸碼頭VOCs治理項(xiàng)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(fēng)機(jī)進(jìn)入高效燃燒處理裝置，在運(yùn)行過程中，通過數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，在原油外輸?shù)? h之后的時(shí)間，船艙中逸散出的可燃?xì)鉂舛冗_(dá)到高峰，此時(shí)高效燃燒裝置所消耗的天然氣量非常少，甚至可以不再補(bǔ)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(dòng)力設(shè)備的介入，整體設(shè)備功耗較其他工藝低，而目前傳統(tǒng)電能主要來源依舊是煤炭發(fā)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(shù)低碳化發(fā)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(yè)的成本壓力，也可以避免CO2的排放，尤其是在噴漆、涂漆作業(yè)中，目前的VOCs治理方式為集中收集后進(jìn)RTO等裝置燃燒處理，會(huì)因電力消耗、天然氣燃燒產(chǎn)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(jīng)過簡(jiǎn)單的文丘里水系后即可實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，極大地降低了設(shè)備的投資成本和碳排放量。如果使用了低VOCs原輔材料，經(jīng)過監(jiān)測(cè)，如果排放濃度穩(wěn)定達(dá)標(biāo)且排放速率滿足行業(yè)及地方排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的，可不要求建設(shè)VOCs末端治理設(shè)施。

3.2 VOCs處理工藝的低碳化發(fā)展

對(duì)于有機(jī)化學(xué)品、汽油、石腦油等揮發(fā)氣體組分相對(duì)單一的揮發(fā)性有機(jī)氣體可以優(yōu)先采用能耗及燃燒消耗相對(duì)較低且有回收產(chǎn)品價(jià)值的“吸收+吸附”類技術(shù)，而避免使用“冷凝+吸附”的高耗能技術(shù)[6]。而對(duì)于原油或其他無回收價(jià)值且廢氣組分復(fù)雜的高濃度揮發(fā)性有機(jī)氣體建議選用“高效燃燒處理技術(shù)”進(jìn)行處理，因此技術(shù)在高濃度有機(jī)廢氣條件下可以自行燃燒，在同等處理規(guī)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(biāo)背景下值得推廣應(yīng)用。

3.3 VOCs排放標(biāo)準(zhǔn)更加針對(duì)性和合理性

目前雖然制定了各行業(yè)的VOCs排放標(biāo)準(zhǔn)，但是各排放標(biāo)準(zhǔn)有明顯的相似性，不同的行業(yè)性質(zhì)、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(biāo)準(zhǔn)缺乏針對(duì)性，對(duì)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(shí)現(xiàn)VOCs排放要求，與雙碳目標(biāo)是相背離的。因此，未來需要各行各業(yè)的專家和標(biāo)準(zhǔn)制定者在深入掌握我國(guó)VOCs排放情況下，細(xì)化VOCs排放標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)VOCs環(huán)保排放與雙碳目標(biāo)的和諧共贏。

4 結(jié)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(biāo)，各行各業(yè)在制定各自的VOCs治理方案時(shí)，應(yīng)切合自身實(shí)際進(jìn)行選擇VOCs治理方案，同時(shí)在不同行業(yè)、不同VOCs排放源項(xiàng)、不同工況下需更加細(xì)化VOCs排放標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)VOCs環(huán)保達(dá)標(biāo)排放的同時(shí)符合雙碳目標(biāo)的總體要求。

［1］于飛．揮發(fā)性有機(jī)物污染及防治對(duì)策[J]．低碳世界，2020，10（6）：22-22.

［2］化工高質(zhì)量發(fā)展研究中心.碳排放被納入環(huán)評(píng)，涉及6地區(qū)化工行業(yè)[J]．染整技術(shù)，2021，43（8）：63-64．

［3］張旭．農(nóng)藥行業(yè)有機(jī)廢氣蓄熱焚燒爐RTO設(shè)計(jì)要點(diǎn)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(fā)性有機(jī)物的研究[D]．上海：上海交通大學(xué)，2017．

［5］于示林，王海影，張帥．高效燃燒技術(shù)在VOCs廢氣治理上的應(yīng)用[J]．資源節(jié)約與環(huán)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(shù)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(tái)市人，中級(jí)工程師，碩士研究生，2014年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)械工程學(xué)院，研究方向：VOCs污染防治。