卷煙廠VOC排放特征及減排技術應用

摘" 要：卷煙廠VOC廢氣成分復雜且有明顯煙草異味，如不經治理排放則會引起周邊居民的投訴、污染大氣環境并且還會影響到居民的日常生活以及身體健康。通過分析研究N卷煙廠生產活動過程中VOC排放規律，找出影響VOC排放量的關鍵環節，確定吸附脫附+催化燃燒減排技術并實施改造。經驗證，吸附脫附+催化燃燒減排技術可削減VOC排放量8.05 t/a，同比降低49.56%，為卷煙廠實施VOC減排提供工程實例參考。

關鍵詞：卷煙廠;吸附脫附;催化焚燒;VOC;排放特征

中圖分類號：TS452" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）26-0164-05

Abstract： Cigarette factory VOC exhaust gas has complex composition and obvious tobacco odor. If it is not treated， it will cause complaints from surrounding residents， pollute the atmospheric environment and affect our daily life and health. Through the analysis and study of the law of VOC emissions in the production activities of N cigarette factory， the key links affecting VOC emissions are found out， and the technology of adsorption desorption + catalytic combustion emission reduction is determined and modified. It has been proved that the adsorption desorption + catalytic combustion emission reduction technology can reduce VOC emissions 8.05 t/a， which is 49.56% lower than the same period last year， which provides an engineering example reference for cigarette factories to implement VOC emission reduction.

Keywords： cigarette factory; adsorption and desorption; catalytic incineration; VOC; emission characteristics

煙草生產過程中在高溫、潮濕環境下會產生揮發性有機物即VOC。卷煙廠生產活動過程中產生的工藝廢氣成分比較復雜，據國內外煙草研究機構相關數據表明，煙草工藝廢氣以有機廢氣為主，成分中含有3 000多種不同種類的物質。廢氣中含有揮發性有機物的主要成分有：VOC、丙酮、丁烷、醋酸、芳香烴等有機化學物[1]。其中發出煙草特殊氣味的物質主要是生產過程中揮發性有機物氣體的排放，不但影響操作工人的身心健康和工作情緒，也影響周圍市民的正常生活，需采取相應治理措施，減少煙草異味氣體的散發。因此，選取一種有效的降低煙草廢氣中揮發性有機物的治理工藝極其重要。

1" 卷煙廠VOC產生源分析

本文以N卷煙廠為例進行分析研究，卷煙廠在生產制造過程中涉及煙絲制造、煙支卷接包2個主要生產線。煙支卷接包生產線用來卷煙和包裝成品，生產過程中無其他化學添加物，因此產生較少的工藝廢氣，VOC、顆粒物及其他污染物含量也較低，含有微弱刺激性異味，卷接包生產線在室溫環境下作業，使用水性乳膠做膠黏劑，在風力喂絲和殘煙收集等環境收集的混合氣體中主要含粉塵及少量有機氣體，異味較小。而制絲生產線中的潤葉、潤梗、切絲、回潮、加料、儲絲及成型過程中的霧化、加香等工序是煙草異味氣體的發生源頭[2]。貯絲房加香儲存工序要求恒溫恒濕，霧化時氣味重;煙絲成型的最后工序加香產生刺激性異味;集中收塵和風力輸送時氣體排空以及生產車間換氣產生的煙草異味。

參照《制冷》雜志的一篇論文《某卷煙廠異味氣體凈化工程》，作者對卷煙加工過程中的制絲、儲絲等工序產生的異味物質進行了GC-MS分析，分析結果表明：異味主要成分是大分子的醛、酮、酯和醇類，具體有丙氨酸、甘菊藍、鄰苯二甲酸二酯、3-（2-環戊烯）-2-甲基-1，1-二苯丙烯、1，1，3-三甲基-3-苯基茚滿、十二烷基苯、2，4-苯基-4-甲基戊烯等[3]。

1.1" 制絲生產線VOC排放特征

N卷煙廠制絲生產線揮發性有機物排放主要來自于制絲排潮工藝廢氣、制絲工段設備除塵及車間環境除塵的尾氣排放，如圖1所示，各工藝段排出異味特性不一致。

共設置2條制絲預處理生產線，1條8 000 kg/h中低檔常規品牌生產線;1條3 000 kg/h試驗線及某品牌高檔煙生產線。VOC廢氣產生點為松散回潮、真空回潮、光譜除雜、熱風潤葉、加料、回潮和葉絲烘干等工序。制絲生產線排潮工藝廢氣，因糖香料霧化、高溫高濕等影響，使得該工序的工藝廢氣具有濕度高、溫度高、濃度高的特點，產生的異味氣體尤其濃烈刺激，VOC濃度較高。

1.2" 糖（香）料廚房VOC排放特征

香液料在香料廚房攪拌均質，料液由管道送入車間用料點。在投（抽）料過程中涉及無組織VOC廢氣揮發;糖香料從料桶通過磁力泵打入攪拌釜，此過程存在無組織揮發。為保證糖香料的均質，需進行攪拌均質，攪拌系統為全自動密閉系統，廢氣通過管道收集送至排潮廢氣總管。廢氣產生點為在投料過程中涉及的無組織廢氣、攪拌工序等。攪拌廢氣經廢氣收集總管，進入排潮廢氣處理系統。

經檢測，加料工藝產生的廢氣風量為10 000～15 000 m3之間，非甲烷總烴（NMHC）濃度峰值580 mg/m3，平均值452 mg/m3。

1.3" 卷接包生產線VOC排放特征

卷接包工藝廢氣主要來自卷煙卷接工序，該工序使用水性乳膠，膠中主要可揮發有機物為未聚合單體（乙烯乙酸酯單體），不涉及重點控制的VOC物質（O3前體物、PM2.5前體物、惡臭物質、高毒害物質）。

1.4" 有機溶劑存儲、輸送、調配過程VOC排放特征

N卷煙廠原輔材料中不涉及有機溶劑，其中煙絲添加劑（香料、丙二醇溶液）中含揮發性的有機物成分，不涉及重點控制的VOC物質（O3前體物、PM2.5前體物、惡臭物質、高毒害物質）。所有糖香料添加劑均通過25 kg桶、噸桶裝運輸至N卷煙廠糖香料廚房，即送即用，存儲周期一般不超過1周。香液料在香料廚房攪拌均質，料液由管道送入車間用料點。在投（抽）料過程中涉及無組織VOC廢氣揮發;糖香料從料桶通過磁力泵打入攪拌釜，此過程存在無組織揮發。為保證糖香料的均質，需進行攪拌均質，攪拌系統為全自動密閉系統，廢氣通過管道收集送至排潮廢氣總管。

2nbsp; 卷煙廠VOC減排現狀

2.1" VOC廢氣收集處理

各個工藝設備在生產過程中均為封閉式，針對各個設備生產過程中產生的廢氣單獨收集。制絲生產線廢氣總體分為3類，第一類為高濕高溫排潮廢氣;第二類為光譜除雜、加料、干燥、風選和風送等環節產生的含塵廢氣;第三類為松散回潮、真空回潮等環節產生的回潮廢氣[4]。同時，企業對制絲過程中的車間內無組織廢氣也進行了單獨收集，納入回潮廢氣進行處理，該生產線共有4個排氣筒，分別為1#、2#、3#、4#，其中3#排氣筒為高溫高濕排潮廢氣，揮發性有機物含量最高。如圖2所示，制絲生產線三類廢氣經過分類收集后，通過引風機引入獨立的廢氣處理設施，主體工藝采用低溫等離子技術，考慮到廢氣中含有少量粉塵，在前段設置了預處理增濕段。

卷包生產線有機廢氣主要來自卷接包工序，卷接廢氣在單個機臺設備收集的基礎上，在除塵房進行車間廢氣的二次收集，因該生產線較少涉及揮發性有機物排放，故采用布袋除塵，主要處理含煙草粉塵顆粒物廢氣，該生產線共有3個排氣筒，分別為5#、6#、7#排氣筒。

2.2" 存在的問題及改進方案

N卷煙廠目前廢氣處理方式是采用水洗滌+低溫等離子技術將收集的廢氣集中處理，當制絲生產線的加料工序正常生產時，廢氣經處理后3#排氣筒在線監測非甲烷總烴（NMHC）濃度為40～60 mg/m3。而當制絲生產線的加料工序停止生產，其他各工藝段正常生產時，廢氣經處理后3#排氣筒在線監測非甲烷總烴（NMHC）濃度僅為10～25 mg/m3。據此，可確定制絲生產線的加料工序為影響VOC污染物排放的關鍵工序。

為解決制絲生產線的加料工序氣體排放濃度較高的問題，N卷煙廠對制絲生產線的加料工序產氣情況進行了實測，該工藝段廢氣量約15 000 m3/h，每天產生時間約5 h，濃度峰值達580 mg/m3，廢氣溫度約50 ℃，廢氣的主要成分為乙醇、丙二醇及植物提取香精等。因此，對制絲生產線的加料工序較高濃度的廢氣進行單獨處理改造是經濟實用的最佳選擇。

3" 異味處理技術比選

3.1" 吸收法

制絲生產線的加料工序廢氣中主要成分是乙醇、丙二醇等，雖然可溶于水，但氣液間傳質推動力極其微弱，溶解量很小，因此采用吸收法處理的效果極其有限，而且需要經常更換水，而采用氧化吸收法由于污染因子比較穩定、氧化分解效果也極其有限。

3.2" 活性炭吸附法（拋棄法）

針對大風量、低濃度的廢氣特點，適宜采用吸附法進行處理。制絲生產線的加料工序廢氣的有機物量較大，需要頻繁更換活性炭以及委托處理廢棄活性炭，帶來運行成本較高、更換不及時超標風險以及無法處置廢棄活性炭等風險問題。

3.3" 再生法吸附

為避免吸附劑的頻繁更換，減少危廢的產生，降低運行成本，可采用再生型吸附法，即當吸附劑吸附飽和后，對吸附劑進行再生而無需更換。再生介質可采用熱空氣、蒸汽等，常用的再生型吸附材料有沸石、活性炭、樹脂等。需要注意的是，本工況下的廢氣溫度高、濕度大，若采用沸石吸脫附需要經降溫除濕，否則會影響沸石的使用壽命，且沸石對醇類的吸附效果僅有75%左右，需要配合其他工藝進行處理。

3.4" 燃燒法

3.4.1" 催化燃燒法

目前催化燃燒所采用的技術多為蓄熱式催化燃燒（RCO）與直接催化燃燒（CO），RCO熱回收效率較高，維持自持燃燒所需的廢氣濃度需不低于1 000 mg/m3，但設備投資相對較高，啟動時間較長，適用于連續生產的工況;CO的熱回收效率雖然低于RCO，但其熱回收效率仍可達到80%，維持自持燃燒所需的廢氣濃度不低于2 000 mg/m3，其具有一次性投資低于RCO且設備啟動時間短的特點，適用于間歇工作[5]。根據N卷煙廠的工況條件，高濃度廢氣產生時間在4～5 h左右，間歇工況更適合。

3.4.2" 熱力燃燒法

熱力燃燒主要是采用天然氣進行明火燃燒助燃，目前熱力燃燒所采用的技術多為蓄熱式熱力燃燒（RTO），維持自持燃燒所需的廢氣濃度需不低于2 000 mg/m3，但是該設備投資成本高、設備啟動時間較長、適用于連續生產的工況，其存在蓄熱體體積大、保溫層厚、占地大、荷載等方面問題導致投資費用很高，因此本案廢氣處理不推薦采用RTO進行處理。

3.5" 處理工藝的確定

綜上所述，對比多種當前常用的有機廢氣處理技術，本案例采取在N卷煙廠制絲生產線的加料工序廢氣排口使用蜂窩沸石吸脫附箱與催化燃燒組合的技術對廢氣進行處理，是較為可行、可靠且經濟的選擇。將制絲生產線的加料工序的廢氣單獨引出，新增處理工藝凈化后再匯入原低溫等離子處理設備，后經3#排口排放，改造前后流程如圖3所示。

工藝簡述：降溫除濕冷凝用于去除廢氣中多余水分，三級干式過濾用于保障沸石吸附材料表面潔凈度，固定沸石床+催化燃燒用于徹底治理揮發性有機物。

3.6" 催化燃燒處理工藝

3.6.1" 熱交換器

熱交換器采用的熱交換器屬于間壁式換熱器，讓冷水在金屬管道內腔循環流動，而要處理的高溫水蒸氣流過金屬管道外壁進行熱交換，以此來達到冷卻空氣的目的[6]。

3.6.2" 水氣分離裝置

采用鎳合金納米過濾網進行水氣分離。鎳合金納米過濾網為擋板式汽水分離器，和吸附式、氣旋式分離器的主要不同是，擋板式分離器在較大的流速范圍內可以保持很高的分離效率，而汽旋式和吸附式分離器的分離效率只有在蒸汽速度13 m/s以下才能達到98%，否則效率會很低，蒸汽速度為25 m/s時，其分離效率大概僅為50%，擋板式分離器在10～30 m/s的流速之間分離效率可接近100%。

3.6.3" 三級干式過濾器

根據分子篩吸附床入口粉塵要求，最后一級過濾器的過濾等級為F9。根據過濾器選用經驗：最末一級過濾器決定廢氣的粉塵濃度與粒徑，上游各級過濾器起到保護作用。上游過濾器保護下游過濾器以延長其使用壽命。根據過濾器等級分級表劃分，可每隔2～4級設置一級過濾器。本方案中對進入吸附床的廢氣進行三級過濾，最后一級為F9。三級過濾依次為：G4板式粗效+F7袋式中效+F9袋式中高效。通過預處理，確保3 μm以上的粉塵雜質不會進入分子篩床導致堵塞，影響其凈化效率及使用壽命等工作性能。

3.6.4" 固定床式分子篩吸附+催化燃燒系統（核心工藝）

廢氣經過前過濾裝置，去除顆粒物雜質和濕度后，進入吸附床，經吸附劑濃縮之后，再利用小風量熱氣脫附;脫附下來的高濃度廢氣送入后端的催化燃燒爐，在催化劑的作用下實現無焰反應，生成無害的CO2和H2O，最后經風機引出，通過煙囪高空達標排放[7]。為保證系統的連續運行，吸附床采用多單元分流組合式結構，正常運行時，處在脫附狀態的只有一個單元，而其他單元處于吸附狀態;有機廢氣進入n-1個單元吸附凈化后氣體外排。

正常吸附前，先將催化床燃燒室使用電加熱預熱到250 ℃，一定時間后當某一單元內的蜂窩沸石吸附飽和時，打開脫附閥門，用300 ℃熱風進行脫附，解吸出的高濃度有機廢氣進到催化床燃燒分解為CO2和H2O，凈化后高溫氣體通過熱交換器預熱脫附氣體，少部分經煙囪排放，其余補充新鮮空氣后作為脫附熱風返回，停止電加熱管預熱，通過放空閥和補冷風機來實現整個催化燃燒系統熱平衡。

廢氣通過床層的速度是由廢氣在床層中與吸附劑的接觸時間決定的，總結工程實踐，接觸時間為0.8～1.2 s即可將廢氣中的吸附質完全吸附下來，也就是說，這樣的風速完全可以滿足治理要求。鑒于此，我們的工藝中，將多單元吸附床的空床氣速設計為11 m/s，單個吸附床的風量設計約為15 000 m/h（注：通過風量調節閥確保每個吸附床的風量均勻），由此可計算得出吸附斷面截面積：S=15 000 m/h÷3 600 s÷11 m/s=3.79 m。由此可知，吸附斷面邊長約為1.95 m。單個吸附床的截面尺寸設計為：1.9 m×2 m（長×寬）。

3.6.5" 爐及催化劑

整個催化燃燒廢氣凈化設備為整體，將熱交換器、預熱裝置、催化反應室組成一個整體，形成一個體積小、結構緊湊、氣流運行流暢的有機體[8]。設備上配套了2個溫度控制點，監控加熱溫度和有機氣體氧化分解溫度;整個設備中加熱溫度設置為300～400 ℃，反應溫度設置為350 ℃。設備四周采用耐高溫阻燃的保溫材料保溫，保證外殼溫度小于60 ℃考慮進入爐內廢氣的流態、層流以及氣體的擴散等問題，催化劑通常5 cm厚，設計為4層布置。爐體進口設置氣流分布調節裝置，保障進入催化爐里的氣流均勻，氣流速率偏差控制在10%～15%，整個爐體的壓力損失不應高于1 000 Pa。

3.6.6" 設備成型

以上設備組合成一套異味處理深度凈化治理設施，串聯在原有的異味處理設備實施前端，對加料工序廢氣單獨收集處理后再匯入低溫等離子異味處理設備，從3#排口排放，設備成型圖如圖4所示。

4" VOC污染物排放量及去除量

4.1" 項目實施前VOC年排放量

N卷煙廠共有7個排氣筒，其中制絲生產線4個（1—4#），卷接包生產線3個（5—7#），均采用實測法核算。

1#排氣筒：VOC檢測濃度2.45 mg/m3，運行時間3 400 h/a，風量79 140 m3/h。

E1=2.45×79 140×3 400/106=659.24 kg。

2#排氣筒：VOC檢測濃度2.76 mg/m3，運行時間3 400 h/a，風量11 119 m3/h。

E2=2.76×11 119×3 400/106=104.34 kg。

3#排氣筒排潮廢氣：VOC檢測濃度40 mg/m3，運行時間3 400 h/a，風量100 000 m3/h。

E3=40×100 000×3 400/106=13 600 kg。

4#排氣回潮廢氣：VOC檢測濃度2.51 mg/m3，運行時間3 400 h/a，風量3 135 m3/h。

E4=2.51×3 135×3 400/106=26.75 kg。

5—7#排氣筒卷接包車間廢氣：VOC檢測濃度分別為0.532 mg/m3、0.256 mg/m3、0.059 2 mg/m3，運行時間3 400 h/a，風量1 588 235 m3/h。

E=（0.532+0.256+0.059 2）×1 588 235×3 400/106=4 574.88 kg。

綜上，計算出每年VOC總排放量：E排=16.245 t。

4.2" 項目實施后VOC年去除量

以污染物處理設施進、出口VOC排放監測數據、通過有效性審核的在線監測數據、監督監測數據作為認定依據。

實測法以非甲烷總烴為表征因子，可用代表VOCs排放總量的特征污染物表征，計算方法如下。

E去除=E去除，i，

式中：E去除為污染治理設施的VOCs去除量，kg;E去除，i為污染治理設施i的VOC去除量，kg。

E去除，i=（C進口，i-C出口，i）×Qi×ti×α ，

式中：E去除，i為污染處理設施i的VOC去除量，kg;C進口，i為污染處理設備i進口的VOC排放濃度，kg/m3;C出口，i為污染處理設備i出口的VOC排放濃度，kg/m3;Qi為污染處理設備i的煙氣量，m3/h;ti為全年生產時間，h;α為去除工藝及集氣設施的基礎運行情況調整系數。

根據檢測報告數據，項目實施前加料工序VOC平均排放濃度為560 mg/m3，實施后平均排放濃度為231 mg/m3，廢氣風量為12 000 m3/h，按照日運行6 h，每年運行340 d計算，可以計算得出削減加料段廢氣排放量為

E去除量=12 000×（340×6）×（560-231）=8.05 t。

本項目實施后，提升全廠的廢氣收集效率，可實現對加料工藝段有機廢氣的有效收集，N卷煙廠VOC治理管理水平顯著提升，VOC污染物年去除量為8.05 t，削減幅度為49.56%。

5" 結論

1）本文研究了卷煙廠在正常生產時所有可能涉及VOC排放區域，分析了含VOC的原輔材料和揮發特性、VOC組份和含量等內容，確定了影響VOC排放量的關鍵工藝過程為制絲生產線的加料工序。

2）本項目根據制絲生產線的加料工序廢氣濃度高、濕度高、溫度高、風量小、間歇排放的特點，選取吸附脫附+催化燃燒組合的工藝系統對其進行單獨收集處理，去除率超過90%，每年可削減VOC排放量8.05 t，滿足揮發性有機物深度凈化處理要求。

3）本項目對比目前國內外常用的去除工藝，采用了吸附脫附+催化燃燒處理工藝，該工藝安全可靠，投資相對較低且減排效果顯著，可為N卷煙廠及其他類似單位提供異味處理方法的參考。

參考文獻：

[1] 王亙，王宗爽，王元剛，等.國內外惡臭污染控制標準研究[J].環境科學與技術，2012（S2）：147-151.

[2] 周俊曉，齊運偉.離子洗滌異味處理技術在卷煙廠的應用[J].科技風，2020（24）：10，12.

[3] 林金英.某卷煙廠異味氣體凈化工程[J].制冷，2008，27（2）：47-49.

[4] 王曉建，李勝利，施穎星，等.注入式低溫等離子體技術用于卷煙廠異味處理的效果研究[J].工業安全與環保，2020，46（3）：81-84，102.

[5] 邢春霞，柴靈芝，隋寶玉，等.RCO工藝在海工廢氣治理中的應用分析[J].中國環保產業，2020（10）：43-46.

[6] 金小賢，徐遵主，張紀文，等.沸石蜂窩吸附催化燃燒工藝對汽修廢氣處理效果的研究[J].環境科學與管理，2022，47（6）：99-104.

[7] 史志海，黨春閣，關天尊.沸石吸附結合催化燃燒法在有機廢氣治理中的應用[J].新型工業化，2022，12（8）：213-216.

[8] 程輝，胡超.治理VOCs的沸石轉輪吸附濃縮+催化燃燒工藝[J].綠色科技，2019（10）：161-162.

第一作者簡介：周俊曉（1983-），男，碩士，生態環境工程高級工程師。研究方向為煙草行業環保管理及污染物控制技術。

*通信作者：王磊（1986-），男，注冊安全工程師。研究方向為煙草行業安全生產及環境保護相關領域。