VOCs廢氣治理技術研究

文_伍尚晃 佛山市順德區順環市政工程設備有限公司

揮發性有機化合物（VOCs）是指常溫下飽和蒸氣壓大于70Pa、常壓下沸點在260℃以下的有機化合物，或在20℃條件下蒸氣壓大于或者等于10Pa、具有相應揮發性的全部有機化合物。VOCs可以被太陽、熱效應影響，與空氣中的O3等氧化元素完成多渠道反應，形成二次有機溶膠，讓大氣質量降低，是光化學霧化物、城市霧霾的構成元素。隨著環保理念的深入推廣，VOCs治理被逐漸重視。

1 VOCs治理常見工藝介紹

VOCs治理工藝可以分類為生物法、吸附法、氧化法、燃燒法。

生物法處理技術適合較低濃度的VOCs廢氣，是利用有機廢氣作為碳源和能源來維持微生物的生命活動，經過微生物的新陳代謝反應將廢氣中的有害物質分解成H2O和CO2。其優點是運行費用低，VOCs去除效果穩定。

吸附法是利用吸附劑的多孔特性吸附VOCs使得廢氣凈化后達標排放，典型的吸附材料是活性炭。隨著環保材料的突破，像活性炭纖維及沸石分子篩等多孔吸附材料開始逐漸被使用。吸附法適應性廣，兼容性好。

氧化法常見的有等離子處理技術、光催化氧化技術、微氣泡技術幾大類，其原理都是利用特定技術形成強氧化性物質，從而分解VOCs物質達到凈化廢氣目的。因氧化法的使用條件比較苛刻、受限較多，導致處理效率不穩定，應用推廣不理想。

燃燒法分為直接燃燒法、蓄熱燃燒法及催化燃燒法幾類，其原理是都利用合適溫度使得VOCs分解成CO2和H2O。燃燒法處理效果穩定，投資較少，逐漸被市場所接受。

2 工程實例介紹

2.1 噴漆廢氣

噴漆廢氣是常見的VOCs廢氣，根據原料不同，其VOCs濃度通常在20mg/m3到300mg/m3之間。噴漆廢氣具有常溫、有大量顆粒物、VOCs濃度較低等特點。噴漆需要將油漆霧化后高速噴涂在產品上，再高溫固化在產品表面。部分漆霧會隨著廢氣一起進入到廢氣處理系統內，為了避免發生堵塞現象，首先要對廢氣進行適當預處理。漆霧預處理常用水噴淋塔和干式過濾器兩種方法，其主要性能差異見表1。

表1 漆霧預處理常用水噴淋塔和干式過濾器性能差異

通過表1可以看出，干式過濾器比水噴淋塔在漆霧處理中更為合適。廢氣經過合格的預處理后，其潔凈度達到F9級后即可進行后續處理。廢氣通過活性炭時，其中的VOCs會被截留，使得廢氣得到凈化。吸附飽和活性炭再利用小風量的熱空氣（105℃）進行吹脫，濃縮成風量少、高濃度的VOCs廢氣。濃縮后的廢氣送入催化燃燒裝置內，在330～400℃的溫度和催化劑共同作用下，徹底氧化CO2和H2O，最終實現廢氣凈化的目的，催化燃燒工藝如圖1所示。

圖1 催化燃燒工藝示意圖

值得注意，噴漆廢氣中VOCs的主要成分為丙酮、丁醇、二甲苯、甲苯、乙酸乙酯、乙酸丁酯等揮發性有機化合物，其沸點分別為56.3℃、117℃、144℃、110.6℃、77℃及126.1℃。使用熱風進行脫附時，為了防止活性炭發生自燃（碳的閃點溫度120℃），熱風必須控制在105～110℃范圍內。限制熱風溫度，乙酸丁酯等相對高沸點的污染物并不能從活性炭中完全解析，會殘留在活性炭內部。活性炭無法完全再生，其再生后有效吸附總容量會降低。在多次工程應用中測量，該方法對活性炭進行4次再生后，炭的吸附容量普遍只有裝機時80%，達到更換要求。

為了降低活性炭的損耗，就必須提升熱風溫度，使得污染物徹底脫附。為此工程中采用了控制氧濃度方法來抑制燃燒發生的，具體工藝如圖2所示。在熱風接觸活性炭前通入氮氣，使熱風中氧氣濃度從21%降低至14%以下。此時氧氣濃度不足，即使熱風溫度過高，活性炭也無法燃燒。通過不斷循環，熱風逐漸使VOCs從活性炭中徹底脫附。脫附后廢氣分批次少量抽取，充入足夠氧氣后（使熱風氧氣濃度達到17%以上）再送入催化燃燒器內進行催化氧化。最終把廢氣污染物徹底氧化成CO2和H2O。燃燒后氣體直接排放不作熱能回收。與傳統催化燃燒工藝相比，改進后的催化燃燒系統脫附效率更高，并能有效延長活性炭的使用壽命。但因為增加制氮機、制氧機、氧氣濃度探頭等設備，所以，系統造價有所增加。同時，因氧氣無色無味，控制要求也更為復雜。因此，該種改進型催化燃燒工藝應用不多。

圖2 改進型催化燃燒工藝示意圖

另一種方式是利用沸石分子篩代替活性炭。沸石分子篩是由硅、鋁、及其金屬陽離子構成的的硅鋁酸鹽，具有篩分分子、吸附、催化和離子交換作用且本身不可燃。分子篩不可燃，再生脫附時可以使用更高溫度的熱風進行解吸，保證污染物質脫附完全。多次工程應用發現，分子篩在300℃熱風脫附后，其結構及吸附總量與裝機時均無明顯的差別，可以連續使用3～5a，減少危險廢棄物產生。但沸石分子篩價格比活性炭貴，其單位吸附容量卻只有活性炭的20%～25%。在工程應用中具有設備占地大、造價貴等問題，一定程度上限制了其推廣應用。

2.2 鋁卷材輥涂涂裝廢氣

鋁卷材輥涂涂裝廢氣主要是烘箱加熱產品上的揮發性溶劑所致，多次監測其VOCs值均在2000mg/m3以上，屬于高濃度VOCs廢氣。廢氣具有高溫、無顆粒物、高濃度VOCs的特點，選用的治理工藝為燃燒法，其燃燒能產生足夠熱量來維持系統運行，甚至尾氣還可以供給生產線固化段熱源，減低運營費用。

該項目規劃兩條生產線，分兩期建設。一期項目廢氣處理工藝選用3級催化燃燒（HCR）+換熱器+活性炭吸附裝置,如圖3所示。廢氣收集后進入3級串聯催化燃燒裝置，利用不同催化劑在不同的溫度下進行催化燃燒，使污染物分解成CO2和H2O。氧化產生的高溫氣體流經換熱器，用于預熱后續進入的有機廢氣，節省廢氣升溫的能源消耗。冷卻的廢氣再通過一級活性炭吸附裝置，保證廢氣達標排放。同時，在實際運行中發現，生產線利用天然氣做加溫，其中含有微量的鹵數，燃燒后隨廢氣進入催化燃燒裝置內，使得催化劑逐漸中毒而失效，減少了催化劑的使用壽命。

圖3 三級催化燃燒工藝示意圖

二期項目廢氣處理改為3室蓄熱燃燒（RTO）工藝，如圖4所示。先利用天然氣把燃燒室溫度提升到800℃后再通入VOCs廢氣。廢氣在高溫下氧化成CO2和H2O。氧化產生的高溫氣體流經特制的陶瓷蓄熱體，使陶瓷體升溫而“蓄熱”。此“蓄熱”用于預熱后續進入的有機廢氣，從而節省廢氣升溫的燃料消耗。該套工藝優點是維護少，廢氣燃燒時提供足夠的能源，因此整體耗能較少。相比一期工藝沒有使用催化劑，其持續運行穩定性更好。缺點是受生產連續性影響較大。RTO設備停機1d，燃燒室將從800℃降溫到640℃。停機3d，溫度從800℃降到350℃。重新使用前又必須利用大量的天然氣來對其進行升溫，因此該廢氣處理系統與其配套的生產設備最好24h連續生產。

圖4 三室RTO燃燒工藝示意圖

2.3 浸漆廢氣

浸漆廢氣是指生產馬達電機中繞線工序時使用絕緣漆固化后產生的有機廢氣，其VOCs濃度通常在500～800mg/m3。該類型廢氣具有高溫、中濃度VOCs、無顆粒物等特點。治理時工程應用沸石分子篩轉輪+催化燃燒裝置，運行工藝如圖5所示。車間廢氣收集后利用換熱器使廢氣降溫至40℃以下，再進入分子篩轉輪中的處理區進行吸附。沸石分子篩轉輪被分隔成吸附區、脫附區及冷卻區3個區域。轉輪通過電機旋轉，功能區域在不停的無縫輪換。車間廢氣收集后利用換熱器使廢氣降溫至40℃以下，再進入分子篩轉輪中的處理區進行吸附。處理區的目的是將廢氣中的VOCs截留，使得廢氣變“干凈”排放。當吸附飽和的分子篩從處理區轉到再生區時，附著在轉輪上的VOCs被連續的高溫及低流量熱空氣從反方向解吸，形成高濃縮、少風量的VOCs氣體從轉盤中脫離并送到催化燃燒裝置內處理。脫附干凈的分子篩從再生區轉到冷卻區，這時分子篩基本已解吸干凈，用冷空氣為其快速降溫，為后面的再吸附做準備。冷空氣吸收熱量后變成熱空氣供給吸附區的脫附使用，減少能源浪費。分子篩通過旋轉，使得3個功能區交換，實現吸附-脫附-冷卻循環。絕緣漆主要成分是苯、甲苯、苯乙烯，它們的沸點是80℃、140℃、146℃。利用分子篩做吸附材料，使得脫附溫度達到300℃以上，確保每次脫附干凈，保證分子篩使用壽命。同時，因分子篩不可燃，安全性能更好，系統可以自動運行，工人定時巡檢即可，能進一步減低運行成本。

圖5 轉輪分子篩運行工藝示意圖

5 結語

VOCs廢氣種類繁多，在選擇過程中應明確其種類、特性及相關政策要求。了解各種治理工藝的優缺點，結合自身實際，通過工藝組合、形成最合適的處理工藝，使廢氣處理設備真正為企業減負，為環境減負。