VOC廢氣處理方法及***缺點

 

一、有機廢氣處理技術

 

工業(yè)在生產過程中會產生***量對***氣環(huán)境有***的VOC。VOC是指常溫下飽和蒸氣壓***于70Pa，常壓下沸點在260℃以內的有機化合物，包括烴類、氧烴類、含鹵烴類、氮烴類和硫烴類。VOC種類繁多，來源廣泛，難以控制。一般來說，根據(jù)廢氣處理的方法，有機廢氣處理的方法主要有兩種:一種是回收法，另一種是消除法?；厥辗椒ㄖ饕刑嘉健⒆儔何?、冷凝和膜分離技術?；厥辗椒ú捎脺囟取毫?、選擇性吸附劑和選擇性滲透膜等物理方法分離VOC。消除方法包括熱氧化、催化燃燒、生物氧化和集成技術；消除方法主要是通過化學或生化反應，利用熱量、催化劑和微生物將有機物轉化為CO2和H2O。

 

1.回收技術

 

(1)活性炭吸附法

 

活性炭吸附是目前應用***廣泛的回收技術。其原理是利用吸附劑(顆?；钚蕴亢突钚蕴坷w維)的多孔結構來捕集廢氣中的VOC。含VOC的有機廢氣通過活性炭床，VOC被吸附劑吸附，廢氣經過凈化后排入***氣。活性炭吸附達到飽和后，飽和的活性炭床脫附蓄熱；引入水蒸氣加熱碳層，吹走VOC，與水蒸氣形成蒸汽混合物，一起離開活性炭吸附床，用冷凝器冷卻蒸汽混合物，將蒸汽冷凝成液體。如果VOC是水溶性的，液體混合物通過精餾凈化；如果不溶于水，直接用沉降器回收VOC。涂料中使用的“三苯基”可以直接回收，因為它與水不混溶?；钚蕴课郊夹g主要用于廢氣成分簡單、有機物回收價值高的情況。廢氣處理設備的規(guī)模和成本與氣體中的VOC量成正比，但相對與廢氣流量無關；因此，活性炭吸附床往往***氣濃度較低，一般在VOC濃度小于5000PPM時使用。適用于油漆、印刷、粘合劑等低溫、低濕、排氣量***的場所，尤其適用于鹵化物的凈化回收。

 

(2)冷凝法

 

冷凝是***簡單的回收技術，將廢氣冷卻使其溫度低于有機物的露點溫度，使有機物冷凝成液滴，從廢氣中分離出來，直接回收。然而，在這種情況下，離開冷凝器的廢氣仍然含有高濃度的VOC，不能滿足環(huán)境排放標準。為了獲得高回收率，系統(tǒng)需要高壓低溫，設備成本顯著增加。冷凝法主要用于回收高沸點、高濃度的VOC，適用濃度范圍> 5%(體積)。

 

(3)膜分離技術

 

膜分離系統(tǒng)是一種工藝簡單、回收率高、能耗低、無二次污染的新型高效分離技術。膜分離技術的基礎是使用對有機物具有選擇性透過性的聚合物膜，其對有機蒸氣的透過性是空氣的10-100倍，從而實現(xiàn)有機物的分離。***簡單的膜分離系統(tǒng)是單級膜分離系統(tǒng)，直接使壓縮氣體通過膜表面實現(xiàn)VOC分離。但單級膜由于分離程度低，難以滿足分離要求，而多級膜分離系統(tǒng)將******增加設備投資。

 

(4)變壓吸附技術

 

該技術***先利用吸附劑在一定壓力下吸附有機物。當吸附劑吸附飽和時，吸附劑蓄熱。蓄熱不使用蒸汽，而是通過壓力轉化脫附有機物。當壓力降低時，有機物從吸附劑表面脫附。其***點是無污染，回收效率高，能回收活性有機物。但是這種技術運行成本高，吸附需要加壓，脫附需要降壓，很少用于環(huán)保。

 

回收技術的適用范圍

 

顆粒活性炭主要用于回收脂肪烴和芳香烴、***部分含氯溶劑、常用的醇類、一些酮類和酯類等。常見的有苯、甲苯、二甲苯、己烷、庚烷、甲乙酮、丙酮、四氯化碳、乙酸乙酯等?；钚蕴坷w維吸附可以回收苯乙烯、丙烯腈等活性單體，但成本遠高于顆?；钚蕴课?。吸附法已廣泛應用于涂料工業(yè)中“三苯基”和“乙酸乙酯”的回收、制鞋工業(yè)中“三苯基”的回收、印刷工業(yè)中甲苯和乙酸乙酯的回收、電子工業(yè)中二氯甲烷和三氯乙烷的回收?；钚蕴课椒ㄒ髲U氣中的VOC不超過5000PPM，濕度不超過50%。當濃度***于5000PPM時，需要稀釋后才能吸附，不適用于某些活性物質，如酮、醛、酯等。這類VOC會與活性炭或活性炭表面發(fā)生反應，堵塞炭孔，使活性炭失活。

 

冷凝法對高沸點有機物有效，對中、高揮發(fā)性有機物無效。該方法適用于VOC濃度> 5%，回收率不高。但是廢氣中***部分含有水分，當溫度低于0℃時會結冰，降低了系統(tǒng)的可靠性，所以很少單***使用。

 

膜分離法適用于處理濃縮物流。隨著新型高效膜的出現(xiàn)和系統(tǒng)成本的降低，它將成為一種重要的回收方法。

 

2.消除技術

 

(1)熱氧化

 

熱氧化系統(tǒng)是一種火焰氧化器，通過燃燒消除有機物，其工作溫度高達700℃-1000℃。這不可避免地導致高燃料成本。為了降低燃料成本，有必要從離開氧化器的廢氣中回收熱量。熱量回收有兩種方式，傳統(tǒng)的分區(qū)傳熱和新的非穩(wěn)態(tài)蓄熱技術。

 

隔膜熱氧化是用管式或板式隔膜換熱器捕捉凈化廢氣的熱量，可回收40%-70%的熱能，用回收的熱量預熱進入氧化系統(tǒng)的有機廢氣。預熱后，廢氣通過火焰達到氧化溫度，并被凈化。分區(qū)換熱的缺點是熱回收效率不高。

 

蓄熱式熱氧化采用一種新的非穩(wěn)態(tài)傳熱方式來回收熱量。主要原理是有機廢氣和凈化廢氣交替循環(huán)，通過多次改變流向，***限度地捕捉熱量。儲熱系統(tǒng)提供極高的熱量回收。

 

VOC有機廢氣進入RTO系統(tǒng)，***先進入耐火蓄熱床層1(已被前一循環(huán)凈化氣加熱)，廢氣從床層1吸收熱能升溫，然后進入氧化室；VOC在氧化室內被氧化成CO2和H2O，廢氣得到凈化。氧化后的高溫凈化氣體離開燃燒室，進入另一個冷蓄熱床層2，冷蓄熱床層2從凈化廢氣中吸收熱量并儲存(用于預熱下一個循環(huán)進入系統(tǒng)的有機廢氣)，降低凈化廢氣的溫度。當該過程持續(xù)一定時間時，氣流方向反轉，有機廢氣從床2進入系統(tǒng)。這一循環(huán)不斷吸收和釋放熱量，作為集熱器的蓄熱床在入口和出口的運行模式中不斷變化，產生高效的熱量回收，熱量回收率高達95%，VOC消除率高達99%。

 

(2)催化燃燒

 

催化燃燒是一種類似于熱氧化的處理VOC的方法。它通過用貴金屬催化劑如鉑和鈀以及過渡金屬氧化物催化劑代替火焰來凈化有機物。工作溫度比熱氧化低一半，通常為250℃-500℃。隨著溫度的降低，允許使用標準材料代替昂貴的***殊材料，******降低了設備成本和運行成本。與熱氧化類似，該系統(tǒng)仍可分為兩種熱回收方式:分區(qū)式和蓄熱式。

 

分區(qū)催化燃燒是在催化床后設置一個換熱器，可以降低廢氣溫度，預熱含VOC的有機廢氣，其熱回收可達60%-75%。這種氧化劑長期以來一直用于工業(yè)過程。

 

蓄熱催化燃燒是一種新的催化技術。它具有RTO高效回收能量的***點，以及低溫操作和催化反應節(jié)能的***點。將催化劑置于蓄熱材料***部，達到***凈化效果，其熱回收率高達95%-98%。

 

RCO系統(tǒng)性能的關鍵是使用浸漬在鞍狀或蜂窩狀陶瓷上的***殊催化劑、貴金屬或過渡金屬催化劑，使氧化在RTO系統(tǒng)一半溫度下發(fā)生，既降低了燃料消耗，又降低了設備成本。目前***內已采用RCO技術消除有機廢氣，許多RTO設備已改造為RCO，可降低運行成本33%-75%，增加廢氣流量20%-40%。

 

(3)集成技術(活性炭吸附+催化氧化)

 

對于流量***、濃度低的有機廢氣，單***使用上述方法過于昂貴且不經濟。用碳吸附具有處理低濃度和***氣體積的***點。***先，廢氣中的有機物被活性炭捕獲，然后用流速小得多的熱空氣脫附。這樣可以使VOC富集10-15倍，廢氣量******減少，后處理設備規(guī)模******縮小。將濃縮后的氣體送入催化燃燒裝置，利用催化燃燒適合處理較高濃度的***點，消除VOC。催化燃燒釋放的熱量可以通過隔板換熱器對進入碳吸附床的脫附氣體進行預熱，從而降低系統(tǒng)的能量需求。該技術利用活性炭吸附處理低濃度、高風量的滯留點，利用催化床處理中等風量、高濃度，形成非常有效的集成技術。在***內，這項技術也被用于處理排放***量空氣和低濃度有機廢氣的行業(yè)，如油漆、印刷和制鞋。

 

消除技術的使用范圍

 

(1)熱氧化熱氧化系統(tǒng)在700℃-1000℃下運行，適用于2000-50000m3/h的流量和100-2000PPM的VOC濃度。

 

與蓄熱式相比，隔斷式的***點是可以通過簡單的金屬熱交換器捕獲熱量，只需幾分鐘就可以達到所需的運行條件，***適合循環(huán)運行。

 

蓄熱熱氧化具有很高的氧化溫度，可以處理難以熱分解的有機物。該系統(tǒng)中98%-99%的VOC消除率非常普遍。熱回收效率為85%-95%。它可以在很少或沒有燃料的情況下運行，***別是對于VOC含量相對較低的氣體，這比隔墻的熱氧化更便宜。

 

熱氧化的缺點是:①高溫燃燒產生NOx，也是一種危險的排放物，需要進一步處理；②緩慢的熱反應；③鹵化物處理不滿意，必須增加后處理裝置的洗滌塔處理酸性氣體；④進氣濃度不能高于25% LEL；⑤設備投資成本高。

 

(2)催化氧化

 

催化氧化在比熱氧化更低的溫度下進行，通常在250℃-500℃，處理能力為2000-20000m3/h，適用于100-2000 PPM的VOC濃度，其消除效率高達95%以上。較低的運行溫度結合隔板換熱器可以減少啟動所需的燃料。

 

催化燃燒比熱氧化有幾個***點:①反應溫度比熱氧化低一半，節(jié)省燃料；②停留時間短，設備尺寸減??；③由于燃料的減少，產生的CO減少，CO和VOC一起轉化；④與熱氧化系統(tǒng)相比，它需要較少的啟動和冷卻時間；⑤低運行溫度消除了氮氧化物的形成；⑥隨著溫度的降低，允許使用標準材料而不是昂貴的***殊材料，RCO系統(tǒng)的整體機械壽命會增加。

 

催化氧化也有缺點:①催化劑容易被重金屬或顆粒覆蓋而失活；②處理鹵化物和硫化物時，會產生酸性氣體，需要洗滌塔進一步處理；③如果廢催化劑不能回收，也應進行處理；④進氣濃度不能***于25%。

 

(3)集成技術(活性炭吸附+催化燃燒)

 

活性炭吸附回收VOC已廣泛應用于油漆、印刷、電子等行業(yè)，消除率可達90%-95%。但對于低濃度廢氣，經濟回收不經濟，因此采用淘汰技術。

 

集成技術的***點是以較低的成本處理低濃度、***體積的廢氣，通過濃縮廢氣減少待處理廢氣的體積，用較小的催化燃燒氧化劑處理***流量廢氣，從而降低設備成本和運行成本。

 

這種方法也有一些缺點。該技術不適用于廢氣中含有高活性和反應性VOCs，且相對濕度***于50%的情況。對于含鹵素化合物的廢氣，仍需要后處理設備。

 

可以看出，上述每種方法都有其***缺點和適用對象，現(xiàn)將幾種常用方法的***缺點總結比較如下。

 

熱燃燒技術的***缺點

 

***點:①凈化效率高；②無需預處理即可凈化各種有機廢氣，不穩(wěn)定因素少，可靠性高；③在廢氣濃度高、設計合理的情況下，熱能可以重復利用。

 

缺點:①處理溫度高，能耗高；②存在二次污染；③燃燒裝置、燃燒室和熱回收裝置價格昂貴，維護困難；④處理***流量低濃度廢氣能耗過***，運行成本高。

 

實時操作系統(tǒng)的***缺點

 

***點:①具有TO的***點，但需要對復雜的有機廢氣進行預處理；②能耗遠低于TO，可處理***氣中低濃度廢氣。

 

缺點:①處理溫度低于TO，但仍較高，故仍有少量二次污染；②成本較高；③占地面積***。

 

催化燃燒的***缺點

 

***點:①凈化效率高，無二次污染；②能耗低，同等條件下比TO低50%左右，運行成本低。

 

缺點:①用電能預熱時，不能處理低濃度廢氣；②催化劑成本高，使用壽命有限；③復雜廢氣需要預處理。

 

RCO的***缺點

 

***點:①凈化效率高，無二次污染；②各種燃燒方式中能耗***，廢氣濃度為1-1.5g/m3。③可處理各種有機廢氣。

 

缺點:①整體式占地面積小，但維護困難；②分體式占地面積***；③整體式不適合高濃度(4g/m3)，否則催化床會過熱；④復雜廢氣需要預處理。

 

吸附法的***缺點

 

***點:①可凈化***流量低濃度廢氣；②溶劑可針對單一品種廢氣進行回收；③運行成本低。

 

缺點:①吸附劑需要補充和蓄熱；②溫度較高的廢氣需要先冷卻；③復雜廢氣需要預處理；④管理不方便；⑤存在二次污染；⑥安全性差。

 

吸收法的***缺點

 

***點:(1)水作為親水性溶劑蒸汽的吸附劑，設備成本低，運行成本低，安全；②苯廢氣可被油和酯吸收，凈化率高；適用于***流量、低濃度的廢氣。

 

缺點:①用水作吸附劑時，需要對產生的廢水進行處理；②吸附和脫附的控制和管理復雜。

 

(二)低濃度、***風量有機廢氣的處理技術

 

在使用有機溶劑的行業(yè)中，汽車涂裝、印刷等行業(yè)排放的有機廢氣具有有機溶劑濃度低、風量***的***點。如果采用上述方法，將會使用巨***的設備，并且消耗很高。目前***際上主要采用以下方法處理這類低濃度、***風量的有機廢氣。

 

(1)蜂窩輪集中系統(tǒng)

 

該系統(tǒng)采用蜂窩輪連續(xù)吸附分離低濃度***風量廢氣中的有機溶劑。然后用小風量的熱空氣脫附，得到高濃度、小風量的含有機溶劑氣體。濃縮氣體與小型催化燃燒或活性炭回收裝置結合，形成經濟的處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)的關鍵部件是一個圓柱形吸附輪，它由活性炭或疏水沸石制成波紋狀，然后卷成蜂窩狀結構。整個蜂窩輪分為吸附區(qū)和蓄熱區(qū)，運行時以極低的速度連續(xù)旋轉。當含有有機溶劑的廢氣通過吸附區(qū)時，有機溶劑被吸附，凈化后的氣體被排出。被轉輪吸附的有機溶劑隨著轉輪的轉動被送入蓄熱區(qū)，在120-140℃下被熱空氣加熱脫附，隨熱空氣排出。由于脫附風量遠小于吸附風量，脫附氣體中有機溶劑的濃度可提高10-20倍。脫附后，廢氣只能通過吸收十分之一空氣量的裝置進行處理。該系統(tǒng)體積小、成本低，已成為***外處理低濃度、***體積有機廢氣的主要方法，并得到廣泛應用。然而，它的引入是昂貴的，這在中***的市場推廣經濟中是無法忍受的。***內一些研究單位利用其凈化工藝，改造主要設備，使其適合我***。例如，該研究采用用多個填充蜂窩活性炭的固定吸附濃縮器代替蜂窩輪濃縮器的方法，通過在多個固定床之間切換吸附和脫附過程，完成蜂窩輪旋轉所起到的作用。由于這種方法沒有旋轉部件，也沒有動密封問題，設備制造簡單，維護方便，價格便宜，具有原工藝集中的***點。

 

(2)液體吸收法

 

在該方法中，有機廢氣中的有機溶劑通過與液體吸收劑接觸而被吸收劑吸收，然后脫附以除去或回收有機溶劑，使得吸收劑可以蓄熱和重復使用。由于工藝中可以選擇比吸附和催化燃燒裝置***幾倍的塔式吸收設備，因此設備的體積可以做得小得多，設備成本也低。但是很難找到理想的吸收劑，因為有機溶劑一般是非極性物質，會與極性水分子相互排斥，難以溶解。然而，在有機溶劑中具有高溶解度的油或芳香萃取劑通常是昂貴的，并且它們中的一些具有異味。同時，液體吸收還有很多問題需要解決，限制了它的應用。

 

(3)生物處理

 

生物除臭技術自20世紀40-50年代在德***和美***得到成功發(fā)展。在日本，對土壤除臭和活性污泥除臭的研究始于1970年左右，各種裝置已經開發(fā)出來并投入實際使用。

 

該方法中，有機溶劑被微生物分解。因其能耗低、運行成本低而受到人們的關注。其缺點是對各種有機溶劑的選擇性，限制了其應用***域。目前已用于污水處理廠、飼料加工廠、垃圾場等場所，對硫化氫、低分子醛、乙醇、有機酸等極性物質進行除臭。也用于處理彩膜乳液涂布干燥過程中產生的甲醇和乙酸乙酯。與其他方法相比，這種方法占地面積***，這是另一個缺點。

 

(3)光催化氧化技術(紫外光解技術)

 

空氣中的氧分子被高能紫外光束分解產生游離氧(即活性氧)，由于游離氧攜帶的正負電子不平衡，需要與氧分子結合，從而產生臭氧，臭氧具有很強的氧化性。有機廢氣和惡臭氣體通過臭氧協(xié)同光解氧化降解轉化為低分子化合物、水和二氧化碳。與活性炭吸附和催化燃燒相比，光催化氧化具有經濟潛力。無論用哪種方法處理低濃度、***風量的有機廢氣，成本都很高。光催化技術處理效率高，可達95%以上，適應性強，可適應中低濃度、***氣量及不同惡臭氣體物質的除臭凈化處理；產品性能穩(wěn)定，運行穩(wěn)定可靠，可24小時連續(xù)工作；運行成本低，設備能耗低，無專人管理維護，只定期檢查。