VOCs催化燃燒治理技術進展

李啟云

（湖南云平環保科技有限公司，長沙 410000）

揮發性有機化合物（VOCs）是指常溫下飽和蒸氣壓大于70 Pa、常壓下沸點在260℃以下的有機化合物的總稱，能參與大氣環境中臭氧和二次氣溶膠的形成，是污染嚴重的化學物質[1]。目前，VOCs的污染問題日益嚴重，并逐步引起環保部門的重視。VOCs的主要種類和代表物質如表1所示。

表1 VOCs主要種類及代表物質

作為PM2.5和臭氧形成的重要前驅體，VOCs已經逐漸引起重視，我國VOCs相關政策標準亦日趨完善。我國從2011年將VOCs的污染防治列入“十二五”環保規劃；2012年，《重點區域大氣污染防治“十二五”規劃》首次提出減少VOCs排放的目標，采取開展重點行業治理、完善防治體系等相關措施；2013年，《揮發性有機物（VOCs）污染防治技術政策》開始實施，熱力燃燒（RTO）和催化燃燒技術（RCO）為重點推薦技術；2015年已基本建立起重點區域重點行業VOCs污染防治體系，并期許到2020年，實現VOCs從原料、工藝到產品的全過程減排。

我國VOCs主要排放行業工業源的排放量大約占總排放量的55.5%，主要集中在涂裝、溶劑使用、化工、石化以及儲運等行業；其次是移動源，排放量大約占21.5%；生活源排放量大約占19.6%；其他源排放量大約占3.4%。

1 VOCs治理技術綜述

國內外VOCs污染控制方法主要有吸附吸收法、生物降解處理技術、分離技術、直接燃燒法和催化燃燒法等[1-9]。在實際工程應用中，采用單一的治理方法并不能達到治理目的，往往采用多種治理技術組合實施。同時，治理技術的選擇要綜合考慮到有機污染物的回收價值、污染物的性質以及排放方式等。

1.1 UV紫外光解-等離子法組合技術

該方法廣泛應用于小風量、低濃度、不含塵、干燥的常溫VOCs廢氣治理。原理是利用高能紫外線的光能和高壓電極發射的等離子體，對有機物進行裂解和氧化，使其轉化成無害化的物質[4-5]。該技術應用時，VOCs去除效率一般在60%～70%；在設計過程中，可以根據廢氣種類，設計催化劑催化光解，能進一步提高去除效率至80%左右。該技術具有投資低、使用壽命長、運行成本低等特點。

1.2 活性炭吸附法

活性炭吸附法適用于小風量、低濃度、不含塵、干燥的常溫VOCs廢氣治理。原理是利用活性炭內部孔隙結構發達、比表面積大的特點，對各種有機物實現物理吸附[6]。初期去除效率可達85%，隨著時間的延長，去除效率下降，需要周期性更換活性炭。該技術投資最低，但是運行成本高。

1.3 直接燃燒法（RTO）

直接燃燒法是適用性最廣的治理技術，原則上所有VOCs廢氣治理均可采用此技術。該技術原理是利用天然氣燃燒，制造一個900℃以上的高溫環境，利用有機物在高溫條件下的可燃燒性，通過化學氧化反應將其凈化[7]。一般大風量、高濃度、廢氣性質能導致催化劑中毒的均采用此方法，該方法去除效率可達95%，無二次污染。缺點是固定投資非常高，運行能源費用非常高。

1.4 吸附濃縮-催化燃燒組合技術

催化燃燒法原理是利用催化劑使有機廢氣在較低的溫度條件下充分燃燒，一般控制溫度在300～350℃[1-4]。相對于直接燃燒法處理技術的高溫度和高天然氣能源消耗，催化燃燒法具有起燃溫度低、能耗少、處理效率高等顯著優點，成為目前最有前景的VOCs處理方法之一[8-9]。

吸附濃縮-催化燃燒組合技術適用于大風量、低濃度、不含塵干燥的常溫廢氣。原理是利用活性炭或沸石轉輪等吸附材料對低濃度廢氣進行吸附，脫附后形成高濃度的廢氣，再通過催化燃燒法對廢氣進行催化燃燒降解。去除效率能穩定在90%以上，整體運行費用低，不會造成二次污染。缺點是催化劑、吸附材料需要周期性更換。

2 催化燃燒技術催化劑研究進展

VOCs催化燃燒技術不同于直接燃燒法的800℃以上的高溫環境，其核心催化劑的催化作用能在較低溫度（300℃左右）分解有機化合物。VOCs催化燃燒催化劑的研究主要集中在貴金屬催化劑（Pt、Pd和Au）和金屬氧化物催化劑[9]。貴金屬催化劑是應用最為廣泛的催化劑，已成熟應用于各種工業處理VOCs排放中，具有活性高、起燃溫度低、使用壽命長等特點。最重要的是，其催化過程中不產生中間產物，只生成CO2和水，避免了二次污染。其中，Pd催化劑是最成熟、工業應用最廣泛的燃燒催化劑，目前市場上80%～90%的產品均為Pd催化劑。為了降低貴金屬的使用量，進而降低催化劑使用成本，人們可以選用金屬氧化物載體，在載體上負載貴金屬催化劑，催化劑載體的選擇、負載貴金屬的工藝、催化劑燒結工藝均是研究熱點。

除貴金屬催化劑外，金屬氧化物催化劑也是研究發展方向，可分為單一金屬氧化物和金屬復合氧化物。單一金屬氧化物的催化性能均不太理想，Co、Cr、Mn、Cu、Ni、Mo、V、Ti等金屬氧化物均有催化活性[9-10]。復合金屬氧化物較單一金屬氧化物催化性能有了很大的提高，其中Co-Mn-Cu、Cu-Mn-O、V2O5、Ce-Mn-O等氧化物是報道最多的過渡金屬氧化物燃燒催化劑，主要特點為成本低、制備簡單、具有較高活性，是現階段國內外研究的熱點。另外，貴金屬摻雜非金屬、稀土元素降低催化劑成本及提高催化活性或選擇性等研究也是主流的研究方向。相關研究表明，在同類稀土鈣鈦礦型氧化物中，La0.8Sr0.2MnO3和La0.8Sr0.2CoO3具有優良的性能，完全轉化溫度只有 250℃[10-13]。

VOCs催化劑同所有催化劑，催化劑活性成分需要負載在催化劑載體上。催化劑載體應具有發達的孔隙結構、較強的結構強度，根據不同的構造，骨架基體主要有蜂窩型、泡沫型和交叉流動型；根據載體材質，主要有陶瓷載體、金屬載體和其他材料載體。陶瓷載體材料有青石、剛玉、TiO2等；金屬載體有不銹鋼、不銹鋼合金、金屬合金材料等；其他材料載體有碳（硅）纖維載體、金屬絲網和金屬泡沫冶金多孔材料等整體載體[3]。

3 結論

國家要加大VOCs廢氣治理和監管相關法律、法規、標準、規范的制定，為VOCs廢氣治理提供政策和治理技術引導及支持。VOCs重點企業、重點行業應統一規劃，工業園集中設計，并根據產生污染的原料、生產工藝以及VOCs排放特征不同，選用最佳的控制技術。

VOCs廢氣可以采取區域集中治理模式。依靠單一企業建設VOCs廢氣回收、治理設施，固定投資太高，同時會造成重復投資建設，當前可以采取政府引導、第三方建設管理的模式，建立集中治理中心。企業只需要對VOCs廢氣進行收集或者濃縮處理，再統一交予第三方單位集中處理。這樣既能達到VOCs治理的目的，又能減少企業的固定資產投資。該模式的實施需要政府部門的參與，統一協調，統一管理。國家應提倡建設VOCs在線排放監測系統，加強環境政策引導與環境執法的結合。總之，提高清潔生產水平，從源頭上減少VOCs的排放量，是解決VOCs排放的根本途徑。