化工行業 VOCs治理技術研究

吳曉東(廣東臻致科技有限公司，廣東 茂名 525000)

0 引言

化工行業的進步有助于國家經濟的發展，但該行業的生產工序較為繁雜，不僅需依托于先進技術，還需保證生產安全。實際生產過程中，會生成大量揮發性有機物(VOCs)，不僅造成嚴重的大氣環境污染，而且不利于作業人員身體健康。因此，需重視對VOCs的治理，加強多樣化、實用性治理技術的運用，為作業人員乃至國民的健康提供保障。

1 揮發性有機物定義及危害

揮發性有機物是一種沸點不高于260 ℃，室溫下飽和蒸氣壓不小于133.32 Pa的可揮發性氣態分子有機化合物，當其揮發時，產生的物質不僅會污染生態環境，還會對大眾的身體健康構成嚴重的威脅。若在環境監測的角度對VOCs的含義加以分析，其主要是指借助氫火焰離子檢測器檢測出的非甲烷烴類的總稱。

當前，通過對化工行業產生的VOCs種類進行記錄，發現共有300余種，絕大部分的VOCs會威脅生態環境與人身健康。對于生態環境的污染主要體現在三方面：其一，當VOCs在強烈光照與熱的共同作用下，其本身會與空氣中的氧氣進行反應，最終形成臭氧，而且VOCs是光化學煙霧、城市霧霾的主要成分，致使空氣環境指標大幅度下降，影響空氣質量。其二，VOCs是形成PM2.5和臭氧的前提，經過多數次的測量，發現大氣中PM2.5各物質含量有20%～40%為VOCs，還有一些成分由VOCs轉化而來。其三，當VOCs揮發時，會生成溫室效應氣體，致使大范圍內的溫度持續上升[1]。

對于人身健康的危害主要有三點：其一，當VOCs的濃度大于標準濃度時，會刺激人的眼睛與呼吸道，導致其咽痛、乏力，還會引發皮膚過敏現象；其二，大腦無法完全將VOCs隔離在外，當部分化合物在血液的驅使下流入大腦后，會對中樞神經造成嚴重的影響甚至損害；其三，增加人類患癌概率，若孕婦吸入過多VOCs，不利于胎兒的健康發育，極易出現胎兒畸形的風險，與此同時，還會使生殖系統生成較大毒性。

2 化工行業VOCs產污環節

化工行業VOCs排放主要來自物料生產、運輸、裝載和廢物處理等過程：(1)化學合成、分離等工藝過程中有組織地排放；(2)各種工藝管線和設備密封點的密封失效致使內部蘊含VOCs物料逸散；(3)有機液體儲存過程中蒸發靜置損失和接受物料過程中產生的工作損失；(4)有機液體物料在裝載過程中，收料容器內的有機液體蒸汽被物料置換產生；(5)含有VOCs的廢水在廢水集輸、儲存、處理處置過程中VOCs逸散等多個環節。

3 化工行業VOCs治理技術探討

3.1 生物處理技術

此技術是近年來新研制而成的一種VOCs治理技術，相較于傳統工藝，更具簡單性、成本節約性、應用范圍廣的優勢，若加以進一步優化，能夠替代燃燒治理技術與吸附治理技術。生物處理技術的實現原理是使用生物處理的方法，對化工行業運作時產生的有機廢氣進行處理，處理原則是將有害物質轉化為不具環境危害性的無機物如CO2、H2O等。通常來說，完整的生物治理有機廢氣的流程包括三個步驟：首先，讓廢氣中的有機污染物與水充分融合，達到有機物溶解的目的；其次，調整液態形式下的有機物濃度，促使其滲透到生物膜中，被生物膜上的微生物盡數吸收；最后，被吸收后的有機廢氣會在微生物自身代謝下被降解，從而轉化成為不會對環境構成污染的化合物質。

生物處理技術主要是依托于微生物生命活動轉變廢氣中的有害物質，并再次組合，構成結構簡單且不會污染環境的無機物，實際處理過程中，會應用到多種操作工藝，比如生物洗滌法、過濾法、滴濾法等。若氣態污染物的成分與濃度不同，則意味著生物凈化系統也不同。生物洗滌塔主要處理的是氣量小、濃度大、易溶解的廢氣，而生物過濾床處理的廢氣與其剛好相反，若廢氣的負荷較高，且當內部含有的污染物被降解后會生成酸性物質，則可以使用生物滴濾床加以處理。

3.2 燃燒處理技術

燃燒處理技術是通過氧化燃燒有機物實現VOCs的降解，這一技術極具破壞性，能夠治理可燃或高溫分解的有害物質。該技術是現階段化工行業最為常用的有機廢氣治理技術之一，燃燒過程中，會產生大量熱能，可以采取科學的手段將熱能盡數回收，重復利用的同時減少能源損耗。燃燒處理技術又可細化為直接燃燒技術、蓄熱燃燒技術以及催化燃燒技術。

首先，直接燃燒治理技術。將VOCs視為燃料，或將其看作成助燃輔料，置于1 100 ℃高溫環境下，實現有機廢氣治理的目的。此方法對于設備的依賴程度不高，且操作簡便，能夠使VOCs完全、快速燃燒，治理效率可達到99%，主要治理的廢氣為高濃度、高熱值、不具備回收重復利用價值的氣體。但與其他廢氣治理技術而言，直接燃燒處理技術會消耗大量的能源，在運行成本方面也遠高于蓄熱燃燒與催化燃燒治理技術。如果揮發性有機物廢氣中含有S、N、Cl等元素，使用此技術極易造成生態環境的二次污染，因此盡可能少使用或不使用直接燃燒法對VOCs廢氣進行處理[2]。

其次，蓄熱燃燒治理技術。利用燃燒后產生的高溫余熱，將適量燃料加入燃燒場所中助其再次燃燒。蓄能燃燒需在500～900 ℃下進行，熱力燃燒的影響因素主要有三方面:即溫度、停留時間與湍流混合程度，廢氣中可燃燒成分的濃度、熱值越高，燃料的消耗量便越少。蓄熱燃燒通常處理可燃有機物含量少的廢氣，熱效率超過95%，治理效率高于99%。

3.3 等離子體技術

等離子體技術通常被用于放電反應中，隨著反應時間的延長，便會生成活性粒子，比如臭氧、自由基、高能電子等，在多樣化粒子的共同作用下，將VOCs轉化成為無污染物質如CO2、H2O等。對于濃度低、氣量小的有機廢氣而言，便可以應用等離子體治理技術，其處理效率較高，一般會達到90%左右，體現出低能耗、操作簡單的特點，同時，處理設備在長時間運作后仍可以穩定且連續運行。但該技術消耗的費用較高，目前仍有待完善與進一步推廣。

3.4 膜分離治理技術

膜分離治理技術需借助VOCs中含有的不同組分所具有的壓力實現膜的穿透，組分與壓力不同，透過膜的傳遞速率也會存在較大的差異，依托于差異性，從根本上實現膜分離的目的。通常該技術被用于天然氣分離提純操作中，實際應用時，需要使用膜接觸器，同時還涉及到蒸汽滲透技術與氣體膜分離技術的運用。采用該技術回收VOCs的操作流程較為簡單且便捷，不僅可以減少能源的損耗，還能規避二次污染的風險，回收率為95%～99%，一般治理的廢氣為中高濃度、小流量氣體。盡管膜分離技術具有多方面的優勢，但同樣體現出多種不足,即工藝設備資金消耗較多，尤其是膜元件，需大量的資金作為支持，且很多構件的維護與保養費用較高，以此同時，在維護方面的難度大，極易出現進出口堵塞、構件污染等問題，若不能全方位清洗，將嚴重影響設備運行的穩定性，對于VOCs的治理也達不到預期效果。現階段，將新型膜材料研發、分離系統集成以及吸附劑優化等作為膜分離技術主要研究方向，以保證該技術的治理水平得到進一步提升。

3.5 吸附與吸收技術

吸附治理技術的實現原理是借助極具吸附性能的物質如活性炭，并在VOCs中烴分子親和性的作用下，將油氣中的烴類物質盡數吸附，當吸附劑飽和后，采取加熱手段達到解吸的效果，實現烴類物質再生與重復利用。該技術通常被用于治理成分單一、氣流穩定、濃度較低的有機廢氣。一般情況下，吸附劑性質、VOCs組成成分以及作業條件等均會影響吸附效果，此技術的治理效率在90%～95%左右。吸附治理技術具有耗能低、效率高、工藝成熟等優勢，與此同時也體現出多種問題，即運行成本高、吸附劑飽和后需進行再生，在此過程中，極易造成生態環境二次污染[3]。

吸收治理技術的實現需依托于低揮發或不揮發溶劑吸收VOCs，屬于借助有機分子與吸收劑物理性質之間存在的差異性而展開的一種分離技術，一般會應用于石油煉制、化工生產等環節中，以此回收烴類氣體，在適當加工后重新利用。此技術主要治理的VOCs為高濃度、低溫低、高壓力的類型，治理效率高達98%。吸收效果受吸收劑性能與吸收設備結構的影響，采用的吸附劑為煤油、柴油等。吸收治理技術體現出節約成本、操作簡單的優勢，但在吸收容量方面較為有限，同時，還需定期更換吸收劑，增加治理總時長。

3.6 冷凝法

冷凝法是依托于物質在不同溫度下具有的不同飽和蒸汽壓性質，降低系統溫度或提高系統壓力，使處于蒸汽狀態的污染物從廢氣中冷凝分離出來的一種VOCs治理方法。此方法適用于高濃度、成分簡單且回收價值高的VOCs，但冷凝處理成本較高，單一冷凝處理難實現達標排放，常需搭配其他技術，如冷凝-吸附提高處理效率。

4 結語

化工行業產污環節較多，且各環節產生的VOCs組成成分、濃度、廢氣量均不同，采用單一的治理技術難以保證VOCs的達標排放。因此，需根據各環節廢氣特點，結合技術的適用條件、處理效率、運行成本等因素，合理選擇治理技術或采用組合技術減少VOCs的排放，實現化工行業綠色、環保、健康經營與發展。