噴淋吸收-活性炭吸附工藝在化工行業VOCs廢氣治理與控制中的應用

摘 要：噴淋吸收-活性炭吸附工藝是一種有效的揮發性有機化合物VOCs（Volatile Organic Compounds）治理技術，現已廣泛應用于化工行業VOCs廢氣治理和控制。鑒于此，在介紹各種VOCs末端處理技術工藝原理的基礎上，重點分析了噴淋吸收-活性炭吸附工藝流程和優化，結合某化工企業罐區和裝車區廢氣特點和成分，分析了廢氣入口工況、工藝選擇，研究了工藝流程設計、設備選型、運行參數及安全自控保障措施，探討了該工藝在化工行業VOCs廢氣治理與控制中的應用前景和發展方向。

關鍵詞：VOCs；噴淋吸收-活性炭吸附工藝；化工行業；廢氣治理與控制

中圖分類號：X511? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）13-0085-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.13.022

1? ? VOCs的定義、產生原因與危害

1.1? ? VOCs的定義

揮發性有機化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）是指室溫下飽和蒸汽壓超過133.32 Pa的有機化合物，它可以從固體或液體表面揮發出來，且易于在空氣中傳播。VOCs包括多種不同的化學物質，如烴類、醇類、酮類、醛類、酯類、苯系化合物等[1]。

1.2? ? VOCs的產生原因

VOCs產生的源頭非常廣泛，主要表現在：1）工業過程，許多工業過程中會產生大量的VOCs，尤其是化學品制造、印刷、金屬加工、油漆和涂料等行業；2）在交通運輸方面，汽車、貨車、船舶和飛機等交通工具都會排放VOCs，其中尤以汽車為主，在交通堵塞區域，排放的VOCs占總排放量的比例更高；3）農業活動也是一種重要的VOCs來源，如肥料和農藥的使用、畜禽養殖和農作物的生長和收獲等，此外，農牧產品的后期處理，如食品加工、制藥等，也會產生較多的VOCs；4）日常生活中各種日用品和家居產品也會釋放出VOCs，例如清潔劑、化妝品、辦公用品、家具、地毯、油漆和涂料等都會釋放出一些揮發性有機物；5）現實中還存在大氣化學反應，加重了大氣污染問題。

1.3? ? VOCs的危害

VOCs對人類健康和環境都有著很大的危害。VOCs對人體健康的影響包括可引起頭痛、眼部和呼吸道刺激、惡心等癥狀，甚至能誘發癌癥和神經系統損傷等嚴重疾病。一些VOCs被歸類為致癌物質，例如苯、甲醛等。大氣污染和光化學smog（煙霧和霧霾組成的空氣污染物）的形成：VOCs是光化學反應的重要組成部分，與NOx等其他污染物反應后，會促進臭氧和PM2.5等有害物質的形成。這些大氣污染物對人體健康和環境都帶來極大的威脅。VOCs對環境的影響包括會對水體和土壤造成污染，影響生態平衡和生物多樣性。例如，含有VOCs的水體可能導致微生物和其他生物受到毒性影響。VOCs是溫室氣體之一，它們的釋放也會加劇全球氣候變暖問題。

2? ? 現階段VOCs廢氣治理工藝綜述

2.1? ? 政策和標準

目前，國際上對VOCs排放控制的主要政策和標準有歐盟VOCs指令、美國EPA的VOCs排放標準、日本的VOCs排放限值等。這些政策和標準主要針對涂料、印刷、表面處理、汽車等行業。我國對VOCs排放控制的政策和標準主要有《大氣污染防治法》、《VOCs排放標準》、《VOCs治理技術政策》、GB 31571—2015《石油化學工業污染物排放標準》和HJ 656—2013《環境空氣顆粒物（PM2.5）手工監測方法（重量法）技術規范》等。地方層面的則有各省市頒布的相關規定和標準，如北京市的《北京市大氣污染防治條例》等。

2.2? ? VOCs治理技術分類

為減少VOCs廢氣的排放，各種廢氣治理技術被開發出來，每種技術都有其獨特的處理原理和優缺點，可以根據不同的廢氣成分和排放條件選擇合適的技術。在實際應用中，需要根據廢氣成分、排放濃度和處理要求等多種因素綜合考慮，選擇合適的廢氣治理技術。隨著技術的不斷發展和創新，VOCs廢氣治理技術將會變得更加高效、經濟和環保[2]。VOCs廢氣治理技術分類以及應用對比如表1所示。

不同的技術適用于不同濃度的廢氣處理，也具有不同的優缺點。在選擇廢氣治理技術時，需要根據廢氣的濃度大小以及實際情況綜合考慮各種因素。

3? ? 噴淋吸收-活性炭吸附工藝在化工行業VOCs廢氣治理與控制中的應用

噴淋吸收-活性炭吸附工藝是一種常用于化工行業VOCs廢氣治理與控制的技術。該工藝通過噴淋液將有機廢氣污染物溶解于液相中，然后利用活性炭吸附劑對液相中的有機物進行吸附，從而凈化廢氣。

3.1? ? 工藝原理

噴淋吸收：噴淋吸收一般采用水作為溶劑，將VOCs廢氣冷卻、濕潤和稀釋，使有機物質溶解在水中，達到去除效果。噴淋吸收通過在噴淋塔內部安裝填料，增加相界面的接觸，從而提高有機物與水之間的傳遞速率。同時，在噴淋過程中可以添加酸、堿等物質調節pH，以便改善有機物的溶解度和吸附效果。

活性炭吸附：活性炭是一種具有高比表面積和孔隙率的固體吸附劑，可以有效吸附廢氣中的有機物質。其原理是利用吸附劑表面的活性位點與有機物分子間的作用力，使有機物分子被分離出來并吸附在吸附劑表面。活性炭吸附優勢在于比表面積大，可提供更多的吸附位點，且可以重復使用，易再生。經過噴淋吸收和活性炭吸附處理后，廢氣中的VOCs被去除，處理后的廢氣可以安全地排放到大氣中[3]。

3.2? ? 工藝應用及優缺點

該工藝廣泛應用于化工、印染、涂裝等行業的廢氣處理和控制中，如汽車尾氣、油漆廢氣、化工生產中的揮發性有機物等，其具有以下優點：1）適用范圍廣：噴淋吸收-活性炭吸附工藝能夠處理多種類型的有機廢氣，具有很好的通用性。同時，該工藝還適用于處理含有水溶性有機物的廢氣。2）效率高：該工藝的廢氣去除率通常能達到90%以上，且不受溫度影響。此外，當廢氣中的水溶性有機物較高時，其處理效果更佳。3）運行成本低：相對于其他技術，該工藝的運行成本較低，因為該工藝不需要使用昂貴的催化劑，僅需周期性更換活性炭即可。此外，該工藝還可以回收有機物，實現資源化利用，降低了處理成本。4）操作簡便：此工藝采用普通設備運作，操作方便，維護容易，而且廢水經過初步處理后，也可以回收利用。

該技術的主要缺點是廢水處理難度大，需要進一步處理才能排放。此外，若廢氣中VOCs濃度低，會導致活性炭使用率低，降低吸附效果。

4? ? 化工行業VOCs廢氣噴淋吸收-活性炭吸附工藝治理案例

4.1? ? 尾氣工況介紹

該案例企業主要生產甲醇、醋酸，在生產、存儲、運輸、裝卸等過程中會產生大量的揮發性有機氣體，主要涉及甲醇成品儲罐、醋酸成品儲罐、甲醇及醋酸裝車等區域，目前這些區域基本還未安裝廢氣治理設備，不論是罐頂氣還是裝車過程中的揮發氣，簡單治理后排入大氣中，對空氣造成污染，無法滿足當地環保要求。因此，需收集甲醇、醋酸各單元產生的廢氣，并加裝廢氣處理裝置，使處理后的尾氣滿足GB 31570—2015《石油煉制工業污染物排放標準》及相關地方標準要求，最終由排氣筒統一達標排放。儲罐區及裝卸區來氣各組分源強統計如表2所示。

4.2? ? 工藝設計

本案例擬在以上廢氣設備之后建設廢氣處理裝置一套，治理儲運車間甲醇、醋酸罐區及甲醇、醋酸裝車區產生的揮發性有機物。裝置擬采用吸收加吸附工藝對甲醇和醋酸的揮發性有機物進行混合治理，吸收廢液通過管線接至醋酸車間原有排污管線排至污水處理廠[4]。治理工藝示意圖如圖1所示。

4.3? ? 工藝原理詳細介紹

本案例工藝采用“兩級吸收+吸附”的工藝來處理甲醇和醋酸的混合廢氣，整個工藝分為廢氣收集單元、吸收單元、吸附單元和排放單元四部分。

廢氣收集單元是從灌頂呼吸閥和裝車鶴管開始，包含管道、三通、閥門等，將現有儲運車間灌頂氣及裝車鶴管引出，匯合收集至廢氣母管，最終進入廢氣處理裝置，其中管道材質選用316L，醋酸廢氣過流管道需采用伴熱和保溫。從匯總母管收集的廢氣首先進入吸收單元，吸收單元分為預吸收和粗吸收兩部分，其中一級塔為預吸收塔，二級塔為粗吸收塔，兩個塔底部連通。脫鹽水作為吸收劑首先進入二級塔中，通過在填料層中的氣液充分接觸，甲醇、醋酸氣體溶于水中，變成低濃度的甲醇、醋酸水溶液，由于兩個塔塔釜連通，甲醇、醋酸水溶液通過自流進入預吸收塔，在預吸收塔設有兩臺循環泵，將溶液通過塔頂的噴嘴噴到填料上方，作為預吸收塔的吸收劑，預吸收塔的吸收劑和廢氣進氣充分接觸，將大量的甲醇和醋酸溶于水中，得到一定濃度的廢氣，廢氣通過輸送泵輸送至甲方指定的位置。

經過吸收單元后廢氣中甲醇及醋酸的含量已經非常低，為保證最終環保達標，在吸收單元后設置吸附單元，吸附單元內裝填有活性炭，廢氣進入吸附單元后，在范德華力作用下，部分甲醇及醋酸分子會吸附在活性炭上，進一步減少廢氣中的甲醇、醋酸含量，使廢氣滿足環保要求，通過風機和煙囪達標排放。噴淋吸收-活性炭吸附工藝流程如圖2所示。

4.4? ? 主要設備選型

主要設備選型結果如表3所示。

4.5? ? 安全與控制

工藝裝置及輔助生產設施的壓力容器、壓力管道的設計及制造嚴格執行GB 150—2011《壓力容器》、GB 50316—2000《工業金屬管道設計規范》及其他有關的標準規范，所用氣動閥、變頻風機、循環泵、溫度測量儀表、壓力測量儀表等均為防爆產品，系統吸收單元和吸附單元之間應設置阻火閥。裝置設計也充分考慮了冬季正常運行及異常停車狀態下的防凍要求。

整個系統采用PLC全自動控制運行，現場控制柜中觸摸屏只用作觀察，控制信號傳送至車間操作室，在上位機上進行操作和監控，同時傳送給車間DCS系統。正常時全自動控制運行，若觸發報警或聯鎖則執行相應的安全措施。

4.6? ? 處理效果及經濟效益分析

實際處理后VOCs濃度檢測數據如表4所示，可知該工藝可以實現95%以上VOCs的去除，去除率高。

噴淋吸收-活性炭吸附工藝操作簡便，易于維護和管理；此外，在廢氣量小、污染物濃度較低的情況下，該工藝還能直接以自然對流方式進行處理。在經濟效益方面，相對于其他處理技術，該工藝成本較低，具有較好的經濟性；該工藝的能耗主要集中在風機和泵的使用上，由于該工藝的操作壓力較低，因此能耗相對較低；此外，工藝的設備結構簡單，吸收液和活性炭的更換也相對容易，因此維護成本也較低。

5? ? 結論與展望

噴淋吸收-活性炭吸附工藝在處理VOCs廢氣方面具有較好的效果和經濟效益，它在不同類型的廢氣治理中均可采用，操作簡便，易于維護和管理，成本較低，節省能源，具有回收價值。但需要注意的是，該工藝液體吸收劑和吸附劑的選擇需根據廢氣成分和處理要求進行調整，否則可能會導致處理效果下降或者產生新的環境問題；此外，吸附劑的再生也需要進行專業處理，否則會產生二次污染。未來VOCs廢氣治理技術的發展方向主要包括以下幾個方面：一是提高VOCs廢氣治理的效率和穩定性；二是探索新型吸附材料的開發，例如基于納米技術的新型吸附材料，可有效提高VOCs廢氣治理的效率和成本效益；三是強化廢氣治理技術集成和智能化，例如將多種廢氣治理技術進行互補和集成，同時采用物聯網、大數據等信息技術加強廢氣治理設備的監測和管理，以提高廢氣治理的整體水平。因此，在VOCs廢氣治理技術的研究和應用方面，還有很大的發展空間。

[參考文獻]

[1] 劉立新.工業企業對VOCs污染的控制與治理[J].化工管理，2022（35）：30-32.

[2] 孟凡飛，王海波，劉志禹，等.工業揮發性有機物處理技術分析與展望[J].化工環保，2019，39（4）：387-395.

[3] 劉洋，王新，劉忠生，等.煉油廠VOCs吸收-吸附耦合工藝研究[J].煉油技術與工程，2022，52（5）：6-10.

[4] 張國臣，莊濤，劉善軍，等.堿液噴淋在污水處理廢氣治理中的應用與影響[J].環境保護科學，2018，44（4）：44-48.

收稿日期：2023-03-14

作者簡介：魏建波（1985—），男，陜西寶雞人，碩士研究生，工程師，研究方向：化學工程。