淺談VOCs燃燒法處理技術及發展

張 鳳

（渭南市生態環境局華陰分局 陜西華陰 714200）

引言

當前階段，我國仍面臨細顆粒物（PM2.5）和臭氧（O3）污染的雙重壓力。特別是在夏季（6-9 月），京津冀及周邊地區、汾渭平原、長三角地區等重點區域及蘇皖魯豫交界地區，O3超標天數占全國70%左右，O3已經成為部分城市空氣質量超標的首要因子。揮發性有機物（VOCs）作為PM2.5 及O3的共同前體物，因此對VOCs 的防控，工業企業源、油品揮發源、城鎮生活源等源頭的治理，事關PM2.5 和O3的污染聯合控制，事關藍天保衛戰的最終戰果，事關建設美麗中國的大局。

目前環境保護正面臨新的機遇和挑戰。VOCs 燃燒處理法在當前較為常見，其燃燒排入環境空氣后，在大氣中的含量就由氣象條件和大氣化學轉化條件所決定，且不受人類控制，可將VOCs 作為直接一次燃料進行直接燃燒，下面本文將對VOCs 燃燒法處理技術及發展進行探討。

1 簡述VOCs 的來源及危害

1.1 VOCs的概念

VOCs 的全稱為 “Volatile Organic Compounds”，被翻譯為“易揮發性有機物”。在實際研究中會將其縮寫為VOCs，以此便于后續不同的機構組織和管理。當前世界對VOCs 的定義尚未明確，各類特性等尚未完全統一，但其來源和危害已基本確認，如美國國家環保局（EPA）將VOCs 可能造成的危害進行了統計與確認，其中包括參加大氣光化學反應的碳化合物，但明確了一氧化碳、二氧化碳、碳酸、金屬碳化物、金屬碳酸鹽和碳酸銨不屬于此類別；世衛組織針對其物理熔沸點，將所有熔點低于室溫、沸點在50～260℃之間的揮發性有機物都定義為VOCs。

隨著我國國民經濟的快速發展，一系列的環境污染和資源浪費問題也隨之出現，城市空氣污染便是較為常見的問題之一，其不僅影響著我國城市人民的生活居住環境，也在一定程度上降低了發展的速度，為避免生態環境受到污染，我國對于VOCs 的排放產生光化學煙霧的問題加大了關注力度，在此基礎上頒布了多個政策性文件，科學性、針對性和有效性不斷提升，實現社會經濟和宜居生態環境的可持續發展。我國揮發性有機物的概念為在實際生產條件下具有以上相應揮發性的有機化合物，且能夠參與光化學反應的有機化合物。綜合來看，世衛組織與本土對于VOCs 的定義不盡相同，但對其本質進行分析，所指的都是會破壞生態環境，影響人類身體健康的揮發性有機物。對VOCs 進行處理，自然變得順理成章[1]。

1.2 VOCs的來源

VOCs 來源于自然環境當中，但隨著現代生產技術的持續發展，VOCs 與污染物的排放也有著一定的關系。不同來源在本質上有著較大的區別。首先是天然源，主要包括了森林、湖泊、海洋、沙地等區域在揮發后出現的有機物，其排放出的污染物質可以定義為VOCs。其次人為源，燃料燃燒、醫療廢物、化工生產、家具粉刷、大型印刷活動，都會成為滋生VOCs 的溫床，也有機動車、加油站等油氣揮發，還有餐飲油煙、干洗店和美發店等有機物揮發等[2]。具體則可分為固定源和流動源兩大類，其中固定源顧名思義指的是一定會出現VOCs 的源頭，如石燃料和生物質燃燒揮發、溶劑使用揮發等，且工業生產中也會出現大量的VOCs；而流動源是指所有和機動車、船、飛機等交通工具相關的排放，此類排放會隨著物體的移動而導致VOCs 隨之移動，即具有一定的不流動性，因此治理中的難度更大。

VOCs 排入環境空氣后，其在大氣中的含量就由氣象條件和大氣化學轉化條件所決定，不受人類控制。因此，人類要降低環境空氣中VOCs 的含量，只能通過減少其排放來實現，而空氣中的VOCs 自然源排放難以被人類控制，因此我們所能做的就是降低人為排放VOCs 的強度[3]。一是對各種含VOCs 的廢氣進行治理，以減少排放；二是對生產過程中的VOCs泄漏進行封堵或回收，以減少排放；三是減少化石燃料的使用，減少對各種含VOCs 物質的使用量，從源頭控制VOCs 污染物的產生。

1.3 VOCs的分類

現代研究將VOCs 分為8 類：烷烴類、芳香烴類、烯烴類、鹵代烴類、酯類、醛類、酮類和其他化合物。這些化合物的性質截然不同，但對于環境的影響卻不容忽視：醛類物質能夠污染空氣，酮類物質降解速度慢，酯類物質分解快，容易進入到生態圈當中，從環保的角度來看，VOCs 正在破壞我們的家園。

此外，一些化學性質較為活潑的揮發性有機物也加入到了VOCs 的大家庭當中，如三氯甲烷、三氯乙烷等。這些物質的不穩定，導致其容易與周邊環境中的物質發生反應，從而引發更為嚴重的環境污染問題。

空氣中的VOCs 受排放、輸送、化學反應等多種因素影響。因此，不同地區可觀測到的VOCs 種類會有所不同。通常，溫暖季節在植被覆蓋較密的地區能檢測到由植物類天然源排放的、濃度較高的蒎烯和萜烯類化合物；城市地區較多地體 現出機動車船排放、汽油和溶劑使用等特征，VOCs 中芳香烴等含量相對較高；在城市和污染區域的下游地區能檢測到較多的烴類氧化之后的產物如醛、酮類等VOCs；在偏遠地區主要能檢測到一些反應活性較弱的烷烴、炔烴類VOCs 及一些含氧VOCs 等[4]。

1.4 VOCs的危害

VOCs（揮發性有機物）是大氣中臭氧和PM2.5 的重要前體物，當VOCs 進入大氣環境后，經過化學反應會產生大量的臭氧和PM2.5，是造成大氣污染的重要污染物。

VOCs 極為復雜，部分物質不包含生物毒性，因此對人體及動物基本無害。但環境空氣中部分VOCs 具有特殊氣味并且表現出刺激性、腐蝕性、器官毒性、致癌性，對人體健康造成較大的影響。以甲醛為例，在空氣中的擴散速度快，持續時間長，長時間吸入可能引發細胞癌變。芳香烴、二噁英等物質帶有較強的生物毒性，可通過空氣、飲水等方式進入到身體當中。當空氣中揮發性有機物的含量不斷上升時，人體會出現頭痛、咳嗽、惡心等癥狀，如果無法及時離開有關環境并接受治療，大量的有機物沉積還有可能會引發肝中毒問題，更有甚者危及生命。

植物本身是可以產生并排放一些VOCs，人為排放的VOCs 對植物的毒害在通常情況下應該也是微不足道的。但是，VOCs 經大氣光化學反應產生的一些污染物，例如O3和過氧乙酰硝酸等一些氧化性較強的氣態污染物，不但能危害人體健康，而且可傷害植物，嚴重時甚至導致其死亡。

2 VOCs 燃燒法處理技術在生態環境保護中的意義

2.1 提高生態意識

當前時代的發展建設速度較快，因此對自然界的索取不斷增加，從節制逐漸轉變為了苛求，對我國的生態環境造成了一定程度的損害，因此必須重視生態環境的保護工作，維持原有的生態平衡，以此來實現經濟、環保的同步發展。由于大氣污染產生的原因不同，在新形勢背景下必須深入貫徹習近平生態文明思想，狠抓環境建設，加強環保力度。因此對于大氣污染的治理也需要采取不同的方案，對地區大氣中所含物質進行測量和檢定，掌握當前地區的大氣污染情況，以此判斷地區的污染情況，確定大氣污染的治理方案，應用VOCs 燃燒法處理技術，提高治理的有效性，方便后期治理工作的開展，最終解決VOCs 存留時間長、污染范圍大等問題，幫助地方保護生態環境。

2.2 減少對生態環境的不良影響

2021 年2 月8 日，生態環境部召開網絡安全和信息化領導小組2021 年第1 次全體會議，為了能夠減輕發展建設對環境的影響，研究部署環境監測工作。環保相關工作需要貫徹“預防為主”的方針，突出生態環境保護的特點與性質，加強對大自然生態環境的呵護，將自然環境修復定為可持續發展目標。

VOCs 燃燒法處理技術可以在環保方面作用明顯：借由燃燒處理，揮發性有機物轉化為無機物和無害物質，可以通過填埋、二次加工等方式進行處理，從而降低生態環境的自我修復壓力，實現人與自然和諧相處。

2.3 實現發展建設的雙贏

經濟的發展不能以破壞環境為代價，面對能夠在空氣、水中、固體當中長時間留存的VOCs，制定全新的發展方式刻不容緩。

為實現綠色科學化發展，需要提高對生態環境保護的認知，以“要金山銀山更要綠水青山”為綜合發展目標，針對VOCs 的留存問題制定處理對策，才能建立對環境友好的生態保護模式，從而以環保建設為經濟發展夯實基礎，在全過程控制管理下將現代化建設理念落到實處。環保，實際上就是對自然資源和人類生活環境的綜合保護，是對發展中的負面問題的集中處理。

為進一步提高環保工作的執行度，要求合理利用VOCs 燃燒法處理技術，可降低自然水資源、空氣資源所承載的修復壓力，保障自然資源的純凈、安全，控制后續的凈污染凈化成本。借助VOCs 燃燒法處理技術，揮發性有機物的留存時間被大幅縮短，環境所承受的壓力耕地，VOCs 燃燒法處理技術對于生態更為友好。

3 VOCs 燃燒法處理技術分析與研究

3.1 VOCs處理技術簡介

隨著環保政策的出臺和技術的飛速發展，我國揮發性有機化合物管理技術得到了極大的發展，VOCs 是揮發性有機化合物，工業生產對空氣質量產生強烈、持續和深遠的影響，不同來源的VOCs 成分、濃度和毒性性質也有所不同，為此需要通過回收法和分解法進行深度優化，不斷完善源頭替代、過程控制、末端治理、精細管控四部分，通過吸附、吸收、冷凝和膜分離等方法對VOCs 進行處理，如活性炭吸附、沸石轉輪吸附、光催化、光氧化技術、低溫等離子體、生物法等，保證相關工作開展的有效性，針對VOCs 濃度低、處理頻繁等問題，需要在處理中以實際需求為基礎，避免污染物遺漏。分解法分為燃燒法和非燃燒法，可將其分為直接氧化與催化氧化和蓄熱氧化，在300～900℃的高溫下，使VOCs 燃燒分解為二氧化碳和水。

3.2 VOCs燃燒法處理技術

現有的VOCs 末端處理技術手段中，吸附法、冷凝法和膜分離法等比較適合于化工、制藥等企業回收有較高存在價值的高濃度VOCs 的處理技術手段，但是存在缺點是工藝成本高、維護成本高、耗材費用高等“三高”劣勢；吸收法適用于汽修企業等排出廢氣濃度較低、廢氣處理量少等，但是易造成二次污染；目前推廣較多的UV 光解法等光催化法技術手段，對光能利用率較低，處理效率受限較多，且易產生二次污染；以上技術，由于其自身特性特點等限制，只能適用于特定的行業或工藝。隨著環保意識的加強以及政府對大氣污染防治力度的加強，針對VOCs 出臺的相關政策法規也將會越來越完善。

3.2.1 直燃技術

VOCs 是一種熱量較高的燃料，直接氧化處理技術可以將其作為直接一次燃料進行直接燃燒，適用于VOCs 熱度值和VOCs 濃度均較高的廢氣，該處理技術手段的優點為工藝簡單、設備投資少，缺點為技術使用范圍小、能耗大、運行成本較高、可能產生二次污染等。

3.2.2 蓄熱式熱氧化處理技術

蓄熱式熱氧化技術（RTO），英文名為“Regenerative Thermal Oxidizer”。RTO 蓄熱式熱氧化回收熱量采用一種新的非穩態熱傳送方式，通過對有機廢氣的加熱，可將VOC 轉化為對環境無害的二氧化碳和水，降低環境的自我修復壓力。蓄熱式燃燒技術成本低、效率高、適用于高濃度VOCs 廢氣處理，在處理含硅有機物時，應采用抗氧化硅蓄熱陶瓷，借助陶瓷體升溫燃燒避免蓄熱體堵塞，對于中低濃度廢氣，這種處理方式成本低、效益高，能夠避免出現二次污染。

3.2.3 催化燃燒技術

催化燃燒由于其在較低溫度下能夠將VOCs 轉化成CO2和H2O，在國內外得到了廣泛的應用。催化燃燒技術（CO）：通過貴重金屬催化劑降低有機物與氧氣反應的活化能，保障有機物在較低溫度時便能夠充分氧化，并通過無焰燃燒產生分解揮發性物質。該處理方式熱量利用率較高，在處理過程中不會產生高溫與廢氣，簡化了后續的環境保護流程。對于吸附劑再生脫附出來的高濃度廢氣，一般用這一方法進行處理。氧氣和VOCs 分子被吸附在催化劑中處于還原態的貴金屬活性位點上，VOCs 分子與催化劑中金屬氧化物的晶格氧發生氧化還原反應生成CO2和H2O，從催化劑表面脫附，即金屬中心被還原氧空位消失，能夠保證技術應用實際效果。

3.2.4 蓄熱式催化燃燒法

蓄熱催化燃燒（RCO）是指利用VOCs 氧化催化劑的作用，催化氧化有機廢氣中的VOCs，同時利用蓄熱體的蓄熱能力對VOCs 氧化反應產生的能量和加熱設備產生的熱量進行循環利用的工業有機廢氣凈化裝置。蓄熱陶瓷（或其他惰性材料床）使用壽命較長，而蓄熱熱氧化處理技術核心點為通過蓄熱陶瓷塊或其他高密度惰性材料床層中處理，該步驟的主要目的為吸收并儲存部分熱能，采用管殼式換熱器交換能量，再將該部分熱能傳遞給入口處低溫度廢氣，最長可達到10a 或者以上。為進一步提高生態環境治理的效果，需要預先進行連續自動采樣，配用污染組分連續或間歇自動監測儀器，得到任何一段時間如1h、1d，或年、季度的代表值，可以在監測區域內設置3-4 個采樣點，采用綜合治理方法，落實相關治理措施，為治理提供數據支持。蓄熱催化燃燒技術的總體優點有能同時凈化多種有機廢氣、流程簡單、安全性高、運行成本低、熱回收效率高、廢氣處理效率高等，缺點有催化劑容易堵塞、催化劑堵塞時會降低催化活性進而影響最終處理效率、催化劑更換成本較高等。

結語

綜上所述，為了降低各大行業排放的VOCs 對空氣質量造成的直接影響和對臭氧濃度高升造成的間接影響，科研單位和相關學者還要加大對VOCs 末端處理技術手段的研究。同時更要加強設備的安全性、穩定性。總之，只有針對性的各個行業開發相適應的VOCs 末端處理技術手段（或技術組合），才能確保涉VOCs 排放企業/行業廢氣末端達標排放、超低排放，甚至達到無污染排放。