揮發性有機物的控制政策及治理措施綜述

劉 瀾

(山西晉環科源環境資源科技有限公司，山西 太原 030024)

揮發性有機物的控制政策及治理措施綜述

劉 瀾

(山西晉環科源環境資源科技有限公司，山西 太原 030024)

介紹了揮發性有機物(VOCs)的定義、來源及污染特性，探討了吸附、催化燃燒、生物凈化三種常用的VOCs治理技術，并結合工程實例，分析了VOCs治理過程中存在的問題，提出了相應的解決措施，對改善空氣質量狀況有著重要意義。

揮發性有機物，污染物，空氣質量

1 概述

隨著我國經濟的飛速發展，能源消耗大幅攀升，揮發性有機物(Volatile Organic Compounds，VOCs)排放量逐步上升[1]，其帶來的不良影響也日益嚴重。研究表明，VOCs會降低空氣能見度，破壞大氣臭氧層，少部分VOCs具有毒性且能致癌[2]，這嚴重威脅了人們的身體健康和生態系統的穩定[3]。因此VOCs的控制與治理勢必成為改善我國空氣質量狀況的重要課題[1]。

VOCs是指在標準大氣壓(即101.3 kPa)下初始沸點不高于250 ℃的有機化合物，在我國GB/T 18889—2002室內空氣質量標準中VOCs是指在氣相色譜分析中從正己烷(bp.69 ℃)峰到正十六烷(bp.287 ℃)峰之間的所有化合物[2]。環境中的VOCs具有來源廣、種類多的特點，其來源主要分為自然源和人為源。自然源主要來自植被排放、森林火災、野生動物排放和濕地厭氧過程等。人為源包括移動源(交通運輸工具的排放)和固定源，固定源中又包括生活源和工業源等。生活源VOCs種類繁多，包括建筑裝飾、油煙排放、垃圾焚燒、秸稈焚燒、服裝干洗等。工業源VOCs排放所涉及行業廣泛，具有排放強度大、濃度高、污染物種類多、持續時間長、對局部空氣質量影響顯著等特點。工業源中的重點工業行業包括石油煉制和儲運、化工、溶劑使用(包括表面涂裝)等[4]。

為有效治理揮發性有機物，我國國務院辦公廳在2010 年5月轉發的《關于推進大氣污染聯防聯控工作改善區域空氣質量的指導意見》(國辦發〔2010〕33 號)中明確把揮發性有機物列入聯防聯控重點污染物，并要求部分排放揮發性有機物的生產作業按技術規范進行污染治理。此外，作為指導性文件，我國環保部在2013年發布了《揮發性有機物(VOCs)污染防治技術政策》。該技術政策提出了生產VOCs物料和含VOCs產品的生產、儲存運輸銷售、使用、消費各環節的污染防治策略和方法，并明確指出VOCs污染防治應遵循源頭和過程控制與末端治理相結合的綜合防治原則。該政策還提倡研發新技術、新材料和新裝備，鼓勵企業自行開展VOCs監測，并及時主動向當地環保行政主管部門報送監測結果[4]。

2 VOCs治理技術及工程案例

2.1 VOCs主要治理技術

VOCs的治理技術總體上可分為回收技術與銷毀技術。回收技術是通過物理方法，調節溫度、壓力或采用選擇性吸附劑和選擇性滲透膜等方法來收集游散的有機污染物的方法，主要包括吸附技術、吸收技術、冷凝技術及膜分離技術等；銷毀技術是通過化學或生化反應，用熱、光、催化劑或微生物等將有機化合物轉變成為二氧化碳和水等無毒害無機小分子化合物的方法，主要包括高溫焚燒、催化燃燒、生物氧化、低溫等離子體破壞和光催化氧化技術等[4]。下文選擇了三種比較典型的技術方法進行介紹。

2.1.1 吸附技術

作為目前應用最廣的治理技術，吸附法具有設備簡單、適用范圍廣、凈化效率高的優點。其原理是利用各種固體吸附劑(如活性炭、活性炭纖維、分子篩等)對排放廢氣中的污染物進行吸附凈化，具體技術主要包括固定床吸附技術、移動床(含轉輪)吸附技術、流化床吸附技術和變壓吸附技術等。目前最成熟的吸附系統是1977年—1979年在日本開發成功的蜂窩輪吸附[5]，此系統在經過多年的改善后,蜂窩狀吸附輪的性能得到了明顯提高，特別是在Mitsuma等人提出的制造蜂窩輪新方法后,VOCs的去除率上升至90%～95%[6]。但是，吸附法僅對低濃度的VOCs廢氣具有良好的吸收效果，并且使用后的固體吸附劑容易導致VOCs廢氣從氣相轉移為固相引起二次污染的問題[7]。國內目前主要是采用固定床吸附技術，吸附劑通常為顆粒活性炭和活性炭纖維。近年來，國外和我國臺灣地區較多地采用了移動床(分子篩轉輪吸附濃縮)技術。吸附濃縮—催化燃燒技術是將吸附和催化燃燒相結合的一種集成技術，將大風量、低濃度的有機廢氣經過吸附/脫附過程轉換成小風量、高濃度的有機廢氣，然后經過催化燃燒凈化。該方法適合于大風量、低濃度或濃度不穩定的廢氣治理[4]。

2.1.2 催化燃燒技術

催化燃燒是在催化劑的催化下，將有機污染物熱力分解成二氧化碳、水以及氯化物等無毒或毒性小的無機物的過程，此方法是對直接燃燒法的改進和提升。直接燃燒法主要適用于處理高濃度VOCs廢氣，其運行溫度通常需800 ℃～1 200 ℃時,工藝能耗成本較高，且燃燒尾氣中容易出現二噁英、NOx等副產物;催化燃燒可以在遠低于直接燃燒溫度條件下處理低濃度的VOCs氣體,具有凈化效率高、無二次污染、能耗低的特點，是商業上處理VOCs應用最有效的處理方法之一[8]。然而，催化燃燒也有其限制條件，其中催化劑的優劣對熱分解效率和能耗有著決定性的作用。在催化燃燒中用得較多的催化劑是貴金屬催化劑，如Pt，Pd，Au和Rh等是典型的貴金屬催化劑[9-11]。這類催化劑通常負載在載體上,具有活性高,選擇性好的優點，但是成本較高,且容易中毒。因此尋找經濟適用、穩定性較好的催化劑是推廣催化燃燒技術的關鍵[8]。

2.1.3 生物凈化技術

2.2 VOCs工程案例

2.2.1 冷凝回收和熱力燃燒復合技術

以廣安某高新材料公司為例，該公司主要從事樹脂、薄膜、復合材料及制品在內的相關電子信息材料產品研發、生產與銷售。其VOCs主要包括覆銅板生產車間的乙酸乙酯，二甲基甲酰胺(DMF)揮發廢氣，丁酮揮發廢氣，以及薄膜、封膠及樹脂生產過程中的有機氣體。

根據《揮發性有機物(VOCs)污染防治技術政策》中提出的“VOCs源頭控制”和“采用工業生產過程中減少VOCs形成和揮發的清潔生產技術”，同時考慮到該企業有機廢氣產生量較大，且目前國內有機廢氣污染形勢較為嚴峻的情況，該公司采取了先吸收回用然后再處理排放的方式，即根據污染物質的物化性質來設計廢氣處理方式，其中DMF采用“三級水吸收+蒸餾塔回收+RTO焚燒工藝”，丁酮采用“冷凝+活性炭吸附+蒸餾塔回收+RTO焚燒工藝”。

鑒于DMF與水互溶，且該企業部分產品有部分水產生，必須將DMF與水分離才能回用，因此該企業采用了“水吸收+蒸餾分離系統”來回收DMF。回收系統主要由廢氣收集管道、冷凝機組、吸收塔、自控儀表系統、風機、水循環管道系統和蒸餾塔等幾部分組成。工作原理是將來自各個工段的工藝廢氣匯總于集氣箱中，通過風機將其打入列管式冷凍機組中，使部分DMF冷凝下來，由于DMF廢氣產生量大，經冷凝后約有30%的DMF被冷凝下來(注：各工藝對DMF的純度要求較高，冷凝下來的DMF需經過精餾后方可重復使用)，未冷凝廢氣接著被送至吸收塔中。吸收塔的第一段為提濃噴淋，噴林液為循環吸收DMF的水溶液，促進吸收，為此目的，第一階段采用大水量循環吸收，并且對進塔的吸收液要進行冷卻處理。不斷濃集的吸收液部分輸送至廢水罐，待后續用已有的濕法回收精餾塔蒸餾回收DMF。氣體經過第一階段后進入后續第二階段進一步被吸收。第二階段采用填料塔結構，吸收液采用低濃度水，吸收DMF后的吸收液補充到第一吸收段(吸收DMF后的吸收液部分參與循環，一部分補充到第一吸收段)。第三階段同樣采用填料塔結構，吸收液為純水，來保證廢氣的出口濃度達到排放標準(吸收DMF后的吸收液部分參與循環，一部分補充到第一吸收段)。有機廢氣現經過吸收塔利用水吸收去除其中的DMF后，達標排放。富集吸收液送至濕法工藝廢水罐，利用蒸餾裝置分離出DMF和水。

丁酮回收采用類似系統。根據丁酮的特性，先進入前空氣冷卻器進行預冷卻，經預冷卻后廢氣進入一套活性炭有機溶劑凈化回收裝置，其中的有機物(丁酮)被吸附床中的活性炭(纖維)吸附下來，從而使廢氣得到凈化處理。經凈化回收處理后的氣體從吸附床底部由防爆離心通風機送至排氣筒排空。吸附飽和的吸附床用熱空氣進行脫附。熱空氣由吸附床底進入，穿過吸附劑，將被吸附的有機物(丁酮)脫附出來并帶出吸附床，在后冷凝器中冷凝成液體進入溶劑回收系統精餾后再回用。吸附床完成脫附并經干燥再生后，切換回吸附狀態，從而完成一個操作循環。整個過程幾個吸附床連續交替、循環運行。后冷卻器采用型鋼制空氣冷卻器，冷卻水系統選用冷卻塔、循環水泵進行淡水循環冷卻。吸附與再生采取電動方式。活性炭吸附凈化裝置的吸附、脫附操作全部采用自動控制系統，在運行過程中具有相互聯鎖的功能，可根據工藝作業的變動，通過修改程序，隨意調整吸附、再生周期等參數。

對于回收后產生的廢氣及其他生產環節產生的VOCs，在考慮成本，環保功效及技術難度后，該企業選擇采用熱力燃燒技術，將有機廢氣通過燃燒轉為二氧化碳、水以及氯化物等無毒或毒性小的無機物。在焚燒爐樣式選擇上，該企業根據自身生產特點采用了自由式RTO廢氣焚燒爐。相比于其他類似的焚燒爐，自由式RTO焚燒爐不僅擁有更好的環保性能(對廢氣的氧化更加徹底)，還具有體積小，重量輕，升溫快的特點，在裝配上還可自由調節，和收集及轉運裝置的契合度高。更為關鍵的是，自由式RTO焚燒爐造價成本低，運行和維護費用不高，運行過程更加安全可靠。

2.2.2 吸附和催化燃燒復合技術

以什邡市某新型超功能材料有限公司為例，該公司主要致力于生產聚苯硫醚(PPS)樹脂、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)樹脂及聚磷酸銨(APP)。VOCs主要來自于全流程置換抽排氣不凝氣，部分工段不凝氣及產品干燥廢氣。廢氣主要包括溶劑NMP揮發氣體，丁醛揮發氣體，低分子硫化物等。

該公司結合自身工藝特點，采用了冷凝、活性炭吸附、催化燃燒工藝對VOCs進行處理，同時考慮到去除VOCs廢氣中夾雜的無機酸性氣體，在冷凝及吸附之間加入了一步二級堿洗。

由于該企業尾氣中含有大量的N-甲基吡咯烷酮(NMP)，為了降低成本、減少排放，所以首先對尾氣進行集中冷凝，冷凝得到的NMP、水混合液回收到儲液罐，等待后期的精餾分離回用。因為尾氣中含有部分無機酸性廢氣硫化氫和氯化氫，所以冷凝過后，要經過兩級堿洗，堿液采用濃度為5%的NaOH液體。無機酸堿反應速度快、效率高，經過兩級堿洗后，對無機酸性氣體有很好的去除效果。吸收的廢堿液到達一定濃度后，排放至廢水處理站集中處理。但二級堿洗后，廢氣濕度較大，容易降低活性炭吸附能力，也會堵塞活性炭表面的多孔結構，使活性炭失活，因此，在堿洗和吸附間加裝預處理裝置(冷凝+干燥)，使經過堿吸收的廢氣脫水、干燥，提高活性炭的吸附性能力。活性炭吸附后，廢氣應已基本達到排放標準，但考慮到該公司聚苯硫醚的低分子硫化物有惡臭氣味，所以增加了催化燃燒工藝。同時，考慮到活性炭吸附后的氣體濃度較低，難以達到自身熱平衡，該公司在考慮總體氣量較小，成本不高的情況下設計了電力供熱設備，并用出口的熱空氣去預熱進口的氣體，以達到能量的充分利用。

3 現存問題及思考

雖然我國VOCs控制情況日益改善，但仍存在不少問題。首先，由于重視程度不夠及VOCs廢氣管理與監控條件所限，我國環境監管部門對VOCs的排放源分布，排放強度和治理情況等基礎信息掌握較少。我國自主的VOCs監測仍停留在小規模探索及科研上，缺乏廣域上的調查與統計，導致空氣VOCs污染特征等基礎數據的匱乏[13]。同時，我國VOCs方面的研究多采用歐盟及美國的排放標準進行測算[14，15]，導致研究結果缺乏針對性和可靠性。其次，由于我國VOCs控制起步較晚，各類法規、標準缺乏準確性，針對性及系統性。現行的《大氣污染法》也缺乏對VOCs的具體陳述。同時，國家和地方大氣污染防治相關的法律、法規中對于有毒有害廢氣的污染防治管理條文僅局限于突發性事故條件，缺少對有毒有害廢氣污染源環保準入、日常監管和風險防范方面的專項具體要求，系統有效的有毒有害廢氣污染防治和監管體系有待建立。在控制技術方面，我國VOCs技術多引進或模仿國外技術，在技術更新上也多跟蹤國外研究成果，缺乏自主研究和適合本國基本國情的控制技術[13]。介于以上問題，本文建議首先將VOCs的控制管理內容修編入《大氣污染防治法》，并完善VOCs相關標準，作為以后開展相關工作的法定依據。同時明確VOCs減排目標，提出具體減排計劃，為未來工作的落實和考核提供支撐。其次，加大對我國VOCs研究與調查的投入，特別是重點污染區域的污染普查和VOCs數據庫建立，為其他工作提供理論依據。最后，鼓勵有利于VOCs控制的新材料，新技術，新裝備的研發，推進我國自主研究的VOCs治理技術的發展。

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The technological policy and control measures of VOCs review

Liu Lan

(ShanxiJinhuankeyuanEnvironmentalResourcesCo.,Ltd,Taiyuan030024,China)

The paper introduces the definition,origins and pollution features of VOCs,explores three common technologies for its treatment including absorption,catalytic combustion,and biological purification,analyzes some problems in the treatment by combining with engineering cases,and points out respective solutions,so as to improve the air quality.

VOCs,pollutant,air quality

2015-10-12

劉 瀾(1982- )，男，工程師

1009-6825(2015)36-0203-04

X131 < class="emphasis_bold">文獻標識碼：A

A