VOC废气治理方法及优缺点

　　一、有机废气治理技术

　　工业在生产过程中会生产大量对大气环境有危害的气体VOC。VOC是指在常温下饱和蒸气压大于70Pa、常压下沸点在260℃以内的有机化合物，包括烃类、氧烃类、含卤烃类、氮烃及硫烃类化合物。VOCs种类繁多来源广泛，分布面广，治理难度大，总体而言，按照废气处理的方法，有机废气处理的方法主要有两类：一类是回收法，另一类是消除法。回收法主要有炭吸附、变压吸附、冷凝法及膜分离技术，回收法是通过物理方法，用温度、压力、选择性吸附剂和选择性渗透膜等方法来分离VOC的。消除法有热氧化、催化燃烧、生物氧化及集成技术；消除法主要是通过化学或生化反应，用热、催化剂和微生物将有机物转变成为CO2和H2O。

　　1.回收技术

　　(1)活性炭吸附法

　　活性炭吸附是目前最广泛使用的回收技术，其原理是利用吸附剂(粒状活性炭和活性炭纤维)的多孔结构，将废气中的VOC捕获。将含VOC的有机废气通过活性炭床，其中的VOC被吸附剂吸附，废气得到净化，而排入大气。当活性炭吸附达到饱和后，对饱和的活性炭床进行脱附再生；通入水蒸汽加热炭层，VOC被吹脱放出，并与水蒸汽形成蒸汽混合物，一起离开活性炭吸附床，用冷凝器冷却蒸汽混合物，使蒸汽冷凝为液体。若VOC为水溶性的，则用精馏将液体混合物提纯；若为水不溶性，则用沉析器直接回收VOC。因涂料中所用的“三苯”与水互不相溶，故可以直接回收。活性炭吸附技术主要用于废气中组分比较简单、有机物回收利用价值较高的情况，其废气处理设备的尺寸和费用正比于气体中VOC的数量，却相对独立于废气流量；因此，活性炭吸附床更倾向于低浓度大气量，一般用于VOC浓度小于5000PPM的情况。适用于喷漆、印刷和粘合剂等温度不高，湿度不大，排气量较大的场所，尤其对含卤化物的净化回收更为有效。

　　(2)冷凝法

　　冷凝法是最简单的回收技术，将废气冷却使其温度低于有机物的露点温度，使有机物冷凝变成液滴，从废气中分离出来，直接回收。但这种情况下，离开冷凝器的排放气中仍含有相当高浓度的VOC，不能满足环境排放标准。要获得高的回收率，系统需要很高的压力和很低的温度，设备费用显著地增加。冷凝法主要用于高沸点和高浓度的VOC回收，适用的浓度范围为>5%(体积)。

　　(3)膜分离技术

　　膜分离系统是一种高效的新型分离技术，其流程简单、回收率高、能耗低、无二次污染。膜分离技术的基础就是使用对有机物具有选择渗透性的聚合物膜，该膜对有机蒸气较空气更易于渗透10-100倍，从而实现有机物的分离。最简单的膜分离为单级膜分离系统，直接使压缩气体通过膜表面，实现VOC的分离，但单级膜因分离程度很低，难以达到分离要求，而多级膜分离系统则会大大增加设备投资。

　　(4)变压吸附技术

　　该技术利用吸附剂在一定压力下，先吸附有机物。当吸附剂吸附饱和后，进行吸附剂的再生。再生不是利用蒸汽，而是通过压力变换来将有机物脱附。当压力降低时，有机物从吸附剂表面脱附放出。其特点是无污染物，回收效率高，可以回收反应性有机物。但是该技术操作费用较高，吸附需要加压，脱附需要减压，环保中应用较少。

　　回收技术的适用范围

　　粒状活性炭主要用于脂肪和芳香族碳氢化合物、大部分含氯溶剂、常用醇类、部分酮类和酯类等的回收。常见的有：苯、甲苯、二甲苯、己烷、庚烷、甲基乙基酮、丙酮、四氯化碳、醋酸乙酯等，活性炭纤维吸附则可回收苯乙烯和丙烯晴等反应性单体，但费用较粒状活性炭吸附要高的多。吸附法已广泛用在喷漆行业的“三苯”、 醋酸乙酯、制鞋行业的“三苯”，印刷行业的甲苯、醋酸乙酯、电子行业的二氯甲烷和三氯乙烷的回收。活性炭吸附法要求废气中的VOC不能超过5000PPM，并且湿度不能>50%；当浓度>5000PPM时，则需在吸附前稀释，对部分酮、醛、酯等含活性的物质不适用，该类VOC会与活性炭或在活性炭表面发生反应，堵塞炭孔，使活性炭失活。

　　冷凝法对高沸点的有机物效果较好，对中等和高挥发的有机物回收效果不好，该法适合VOC浓度>5%的情况，回收率不高。而大部分废气中均存在水分，温度低于0℃时会结冰，降低系统的可靠性，故很少单独使用。

　　膜分离方法适合于处理较浓的物流，随着新高效膜的出现和系统造价的降低，它会成为一种重要的回收手段。

　　2.消除技术

　　(1)热氧化

　　热氧化系统就是火焰氧化器，通过燃烧来消除有机物的，其操作温度高达700℃-1000℃。这样不可避免地具有高的燃料费用，为降低燃料费用，需要回收离开氧化器的排放气中的热量。回收热量有两种方式，传统的间壁式换热和新的非稳态蓄热换热技术。

　　间壁式热氧化是用列管或板式间壁换热器来捕获净化排放气的热量，它可以回收40%-70%的热能，并用回收的热量来预热进入氧化系统的有机废气。预热后的废气再通过火焰来达到氧化温度，进行净化，间壁换热的缺点是热回收效率不高。

　　蓄热式热氧化(简称RTO)回收热量采用一种新的非稳态热传递方式。主要原理是：有机废气和净化后的排放气交替循环，通过多次不断地改变流向，来最大限度地捕获热量，蓄热系统提供了极高的热能回收。

　　VOC的有机废气进入RTO系统，首先进入耐火蓄热床层1(该床层已被前一个循环的净化气加热)，废气从床层1吸收热能使温度升高，然后进入氧化室；VOC在氧化室内被氧化成CO2和H2O，废气得到净化；氧化后的高温净化气体离开燃烧室，进入另一个冷的蓄热床层2，该床从净化排放气中吸收热量，并储存起来(用来预热下一个循环的进入系统的有机废气)，并使净化排放气体的温度降低。此过程进行到一定时间，气体流动方向被逆转、有机废气从床层 2进入系统。此循环不断地吸收和放出热量，作为热阱的蓄热床也不断地以进口和出口的操作方式改变，产生了高效热能回收，热回收率可高达95%，VOC的消除率可达到99%。

　　(2)催化燃烧

　　催化燃烧是一种类似热氧化的方式来处理VOC的，它净化有机物是用铂、钯等贵金属催化剂及过渡金属氧化物催化剂来代替火焰，操作温度较热氧化低一半，通常为 250℃-500℃。由于温度降低，允许使用标准材料来代替昂贵的特殊材料，大大地降低设备费用和操作费用。与热氧化相似，系统仍可分为间壁式和蓄热式两类热量回收方式。

　　间壁式催化燃烧是在催化床后设一个换热器，该换热器在降低排放气温度的同时，也预热含VOC的有机废气，其热回收达60%—75%。该类氧化器早已用于工业过程。

　　蓄热催化燃烧(简称为RCO)是一种新的催化技术。它具有RTO高效回收能量的特点和催化反应的低温操作及能量有效性的优点，将催化剂置于蓄热材料的顶部，来使净化达到最优，其热回收率高达95%-98%。

　　RCO系统性能的关键是使用专用的催化剂，浸渍在鞍状或是蜂窝状陶瓷上的贵金属或过渡金属催化剂，允许氧化发生在RTO系统温度的一半，既降低了燃料消耗，又降低了设备造价。现在，国内已经开始使用RCO技术进行有机废气的消除处理，很多RTO设备已开始转变成RCO，这样可以削减操作费用达33%-75%，并增加排放气流量达20%-40%。

　　(3)集成技术(活性炭吸附+催化氧化)

　　对于大流量、低浓度的有机废气，单一使用上述方法处理费用太高，不经济。利用炭吸附具有处理低浓度和大气量的优势，先用活性炭捕获废气中的有机物，然后用小 得多流量的热空气来脱附，这样可使VOC富集10—15倍，大大地减少了处理废气的体积，使后处理设备的规模也大幅度地降低。把浓缩后的气体送到催化燃烧 装置中，利用催化燃烧适于处理较高浓度的特点来消除VOC。催化燃烧放出的热量可以通过间壁换热器，来预热进入炭吸附床的脱附气，降低系统的能量需要量。该技术利用活性炭吸附处理低浓度和大气量的持点，又利用催化床处理适中气量、高浓度的优势，形成一种非常有效的集成技术。国内也已开始利用此技术，用于喷漆、印刷和制鞋等排放大气量、低浓度有机废气行业的治理。

　　消除技术的使用范围

　　(1)热氧化热氧化系统在700℃-1000℃下操作，适于流量为2000-50000m3/h，VOC浓度为100-2000PPM的情况。

　　间壁式较蓄热式的优点是，用简单的金属换热器来捕获热量，仅在几分钟即达到所需的操作条件，最适于循环操作。

　　蓄热热氧化具有非常高的氧化温度，可以处理难以热分解的有机物，该系统98%-99%的VOC消除率是很常见的。热回收效率为85%-95%。仅需少量或不需燃料即可运行，特别是对具有相对低VOC含量的气体，它们比间壁热氧化费用更低。

　　热氧化的缺点是：①在高温燃烧中产生了NOx，它也为危险排放物，需要进一步治理；②较慢的热反应；③不能满意地处理卤化物，必需加后处理装置洗涤塔，来处理酸性气体；④进气浓度不能>25%LEL；⑤高的设备投资费用。

　　(2)催化氧化

　　催化氧化是在比热氧化低的温度下进行，通常为250℃-500℃，其处理能力为2000-20000m3/h，适于VOC浓度为100-2000 PPM，其消除效率高达95%以上。低的操作温度结合间壁换热器，可以降低启动所需的燃料。

　　催化燃烧较热氧化有几个优点：①反应温度较热氧化低一半，节省了燃料;②停留时间短，降低了设备尺寸;③由于燃料减少，生成的CO也少，CO和VOC一起被 转换;④较热氧化系统需更少的启动和冷却时间;⑤低的操作温度，排除了NOx的生成;⑥因温度降低，允许使用标准材料来代替昂贵的特殊材料，RCO系统的 整个机械寿命将增加。

　　催化氧化也有不足：①催化剂易被重金属或颗粒覆盖而失活;②处理卤化物和硫化物时，会产生酸性气体，需用洗涤塔进一步处理;③废催化剂如不能循环使用，也要处理;④进气浓度不能>25%。

　　(3)集成技术(活性炭吸附+催化燃烧)

　　活性炭吸附进行VOC回收已广泛用于喷漆、印刷和电子工业等行业，消除率可达90%-95%，但对低浓度废气，从经济上考虑，回收不经济，故采用消除技术。

　　集成技术的优点就是用较低的费用来处理低浓度、大气量的废气，通过浓缩废气，降低了需处理废气的体积，用较小体积的催化燃烧氧化器来处理大流量的废气，降低设备费用和操作费用。

　　该法也有不足，此技术均不适合废气中含有高活性、易反应的VOC和相对湿度大于50%的情况，对含卤化合物的废气仍需使用后处理设备。

　　由此可见，上述各种方法各有其优缺点和适用对象，现对其中几种常用方法的优缺点汇总比较如下。

　　热力燃烧法TO优点和缺点

　　优点：①净化效率高；②可净化各种有机废气，不需要预处理，不稳定因素少，可靠性高；③在废气浓度高、设计合理的条件下，可回用热能。

　　缺点：①处理温度高，能耗大；② 存在二次污染；③燃烧装置、燃烧室、热回收装置造价高，维修较难；④处理大流量、低浓度废气能耗过大，运行费用高。

　　RTO优点和缺点

　　优点：①具有TO的各项优点，但对复杂的有机废气需要预处理；②能耗远低于TO，可处理大气量低浓度废气。

　　缺点：①处理温度比TO低，但仍较高，因而仍有少量二次污染；②造价较高；③占地面积大。

　　催化燃烧法 CO优点和缺点

　　优点：①净化效率高，无二次污染；②能耗较低，在相同条件下约比TO低50%，因而运行费用低。

　　缺点：①用电能预热时，不能处理低浓度废气；②催化剂成本高，且有使用寿命限制；③复杂废气需预处理。

　　RCO优点和缺点

　　优点：①净化效率高，无二次污染；②在各种燃烧法中能耗最低，废气浓度在1-1.5g/m3时即能无耗运行；③能处理各种有机废气。

　　缺点：① 整体式占地面积小，但维修困难；②分体式占地面积大；③ 整体式不宜用于高浓度(4g/m3)，否则催化床会超温；④复杂废气需预处理。

　　吸附法优点和缺点

　　优点：①可净化大流量低浓度废气；②对单一品种废气可回收溶剂；③运行费用较低。

　　缺点：①吸附剂需补充和再生；②对温度较高废气需先行冷却；③复杂废气需预处理；④管理不便；⑤ 存在二次污染；⑥安全性差。

　　吸收法优点和缺点

　　优点：①对亲水性溶剂蒸汽用水作吸附剂时，设备费用低，运行费低，安全；②可用油、酯等吸收苯类废气，净化率高；适用于大流量低浓度废气。

　　缺点：① 用水作吸附剂时，需要对产生的废水进行处理；②吸收、脱吸控制管理复杂。

　　(二)低浓度、大风量有机废气的治理技术

　　在使用有机溶剂的行业中，像汽车涂装、印刷等工业排放的有机废气，其特点是有机溶剂浓度低、风量大，若采用上述方法都将使用庞大的设备，耗用高。目前世界上对这类低浓度、大风量的有机废气，主要采用下面几种方法进行治理。

　　(1) 蜂窝轮式浓缩系统

　　该系统采用蜂窝轮，连续不断地将低浓度、大风量的排气中的有机溶剂吸附、分 离。然后，再用小风量的热风脱附得到高浓度、小风量的含有机溶剂气体。浓缩后的气体再与小型的催化燃烧或活性炭回收装置组合，构成经济的处理系统。该系统的关键部件是一圆筒形吸附轮，其是由活性炭或疏水性沸石加工成波纹状，再卷制形成蜂窝构造。整个蜂窝轮分为吸附区和再生区，工作中以非常低的速度连续转动，含有机溶剂的废气通过吸附区时有机溶剂被吸附，净化气体排出。轮子吸附的有机溶剂，随着轮的转动被送到再生区，由120-140℃的热风加热脱附，随热风排出。由于脱附风量远小于吸附风量，因此脱附后气体中的有机溶剂浓度可以增加10-20倍。脱附后的排气只要用吸附风量十几分之一的装置就可以进行处理了。该系统体积小，费用低，在国外已成为治理低浓度、大风量有机废气的主要方法，并得到广泛应用。但其引进价格昂贵，在我国市场推广经济上难以承受。国内有的研究单位取其净化工艺的优点，将主要设备进行改造使之适用我国。如研究采取了以数个填充了蜂窝状活性炭的固定吸附浓缩装置，取代蜂窝轮浓缩装置的办法， 通过数个固定床之间的吸附，脱附过程切换，完成蜂窝轮转动所起的作用。因这种方法没有转动部件，不存在动密封问题，所以设备制造简单，维修方便，价格便宜并发挥了原工艺中浓缩作用的优点。

　　(2)液体吸收法

　　该法是通过有机废气与液体吸收剂接触，使其中的有机溶剂被吸收剂所吸收，再经解吸，将有机溶剂除去或回收，井使吸收剂获得再生重复利用。由于工艺中可选用比吸附，催化燃烧装置处理气体能力大数倍的塔式吸收设备，因而设备的体积可做得小很多，设备费也低。但很难找到理想吸收剂，原因是有机溶剂一般都属非极性物质，它们与极性的水分子之间将产生互相排斥作用而难以溶解，而对有机溶剂溶解度较大的油类或芳烃萃取剂，一般价格较高，有些还有异味。同时由于液体吸收尚存在诸多问题有待解决，使其应用受到限制。

　　(3)生物处理法

　　生物脱臭从20世纪40—50年代开始就在德国和美国开发成功。在日本也在1970年左右开始进行土壤脱臭法和活性污泥脱臭法的研究，并已开发出各种装置， 得到实际应用。

　　该方法是由微生物将有机溶剂分解。因耗能非常低，运转费也很便宜而受到人们重视。其缺点是对各种有机溶剂具有选择性，使其应用领域受到限制。目前，已在污水处理厂、饲料加工厂、垃圾场等场所，用于硫化氢、低分子醛类、乙醇及有机酸等极性物质的脱臭。用于彩色胶卷乳剂涂布干燥过程中产生的甲醇、乙酸乙酯的治理也取得很好效果。该方法与其它方法相比，占地面积大是其另—缺点。

　　（3）光催化氧化技术（UV光解技术）

　　利用高能UV紫外线光束分解空气中的氧分子产生游离氧（即活性氧），因游离氧所携带正负电子不平衡所以需与氧分子结合，进而产生臭氧，臭氧具有很强的氧化性，通过臭氧对有机废气、恶臭气体进行协同光解氧化作用，使有机废气、恶臭气体物质降解转化成低分子化合物、水和二氧化碳。光催化氧化反应同活性炭吸附、催化燃烧法等技术相比，具有经济潜力。治理低浓度、大风量有机废气，无论采用哪种方法，耗用资金都较高。光催化技术处理效率高，效率可达到95%以上，适应性强，可适应中低浓度，大气量，不同恶臭气体物质的脱臭净化处理；产品性能稳定，运行稳定可靠，每天可24小时连续工作；运行成本低本，设备耗能低，无需专人管理与维护，只需作定期检查。适用于印刷厂、喷涂厂、印染厂、电子厂、塑料厂、涂料厂、家具厂、炼油厂、橡胶厂、化工厂、造纸厂、皮革厂、化纤厂、农药厂、制药厂、食品加工厂、香精香料厂、饲料厂、屠宰厂、污水处理厂、垃圾中转站等恶臭气体、工业废气的净化处理。