挥发性有机物的控制政策及治理措施综述

刘 澜

(山西晋环科源环境资源科技有限公司，山西 太原 030024)

挥发性有机物的控制政策及治理措施综述

刘 澜

(山西晋环科源环境资源科技有限公司，山西 太原 030024)

介绍了挥发性有机物(VOCs)的定义、来源及污染特性，探讨了吸附、催化燃烧、生物净化三种常用的VOCs治理技术，并结合工程实例，分析了VOCs治理过程中存在的问题，提出了相应的解决措施，对改善空气质量状况有着重要意义。

挥发性有机物，污染物，空气质量

1 概述

随着我国经济的飞速发展，能源消耗大幅攀升，挥发性有机物(Volatile Organic Compounds，VOCs)排放量逐步上升[1]，其带来的不良影响也日益严重。研究表明，VOCs会降低空气能见度，破坏大气臭氧层，少部分VOCs具有毒性且能致癌[2]，这严重威胁了人们的身体健康和生态系统的稳定[3]。因此VOCs的控制与治理势必成为改善我国空气质量状况的重要课题[1]。

VOCs是指在标准大气压(即101.3 kPa)下初始沸点不高于250 ℃的有机化合物，在我国GB/T 18889—2002室内空气质量标准中VOCs是指在气相色谱分析中从正己烷(bp.69 ℃)峰到正十六烷(bp.287 ℃)峰之间的所有化合物[2]。环境中的VOCs具有来源广、种类多的特点，其来源主要分为自然源和人为源。自然源主要来自植被排放、森林火灾、野生动物排放和湿地厌氧过程等。人为源包括移动源(交通运输工具的排放)和固定源，固定源中又包括生活源和工业源等。生活源VOCs种类繁多，包括建筑装饰、油烟排放、垃圾焚烧、秸秆焚烧、服装干洗等。工业源VOCs排放所涉及行业广泛，具有排放强度大、浓度高、污染物种类多、持续时间长、对局部空气质量影响显著等特点。工业源中的重点工业行业包括石油炼制和储运、化工、溶剂使用(包括表面涂装)等[4]。

为有效治理挥发性有机物，我国国务院办公厅在2010 年5月转发的《关于推进大气污染联防联控工作改善区域空气质量的指导意见》(国办发〔2010〕33 号)中明确把挥发性有机物列入联防联控重点污染物，并要求部分排放挥发性有机物的生产作业按技术规范进行污染治理。此外，作为指导性文件，我国环保部在2013年发布了《挥发性有机物(VOCs)污染防治技术政策》。该技术政策提出了生产VOCs物料和含VOCs产品的生产、储存运输销售、使用、消费各环节的污染防治策略和方法，并明确指出VOCs污染防治应遵循源头和过程控制与末端治理相结合的综合防治原则。该政策还提倡研发新技术、新材料和新装备，鼓励企业自行开展VOCs监测，并及时主动向当地环保行政主管部门报送监测结果[4]。

2 VOCs治理技术及工程案例

2.1 VOCs主要治理技术

VOCs的治理技术总体上可分为回收技术与销毁技术。回收技术是通过物理方法，调节温度、压力或采用选择性吸附剂和选择性渗透膜等方法来收集游散的有机污染物的方法，主要包括吸附技术、吸收技术、冷凝技术及膜分离技术等；销毁技术是通过化学或生化反应，用热、光、催化剂或微生物等将有机化合物转变成为二氧化碳和水等无毒害无机小分子化合物的方法，主要包括高温焚烧、催化燃烧、生物氧化、低温等离子体破坏和光催化氧化技术等[4]。下文选择了三种比较典型的技术方法进行介绍。

2.1.1 吸附技术

作为目前应用最广的治理技术，吸附法具有设备简单、适用范围广、净化效率高的优点。其原理是利用各种固体吸附剂(如活性炭、活性炭纤维、分子筛等)对排放废气中的污染物进行吸附净化，具体技术主要包括固定床吸附技术、移动床(含转轮)吸附技术、流化床吸附技术和变压吸附技术等。目前最成熟的吸附系统是1977年—1979年在日本开发成功的蜂窝轮吸附[5]，此系统在经过多年的改善后,蜂窝状吸附轮的性能得到了明显提高，特别是在Mitsuma等人提出的制造蜂窝轮新方法后,VOCs的去除率上升至90%～95%[6]。但是，吸附法仅对低浓度的VOCs废气具有良好的吸收效果，并且使用后的固体吸附剂容易导致VOCs废气从气相转移为固相引起二次污染的问题[7]。国内目前主要是采用固定床吸附技术，吸附剂通常为颗粒活性炭和活性炭纤维。近年来，国外和我国台湾地区较多地采用了移动床(分子筛转轮吸附浓缩)技术。吸附浓缩—催化燃烧技术是将吸附和催化燃烧相结合的一种集成技术，将大风量、低浓度的有机废气经过吸附/脱附过程转换成小风量、高浓度的有机废气，然后经过催化燃烧净化。该方法适合于大风量、低浓度或浓度不稳定的废气治理[4]。

2.1.2 催化燃烧技术

催化燃烧是在催化剂的催化下，将有机污染物热力分解成二氧化碳、水以及氯化物等无毒或毒性小的无机物的过程，此方法是对直接燃烧法的改进和提升。直接燃烧法主要适用于处理高浓度VOCs废气，其运行温度通常需800 ℃～1 200 ℃时,工艺能耗成本较高，且燃烧尾气中容易出现二噁英、NOx等副产物;催化燃烧可以在远低于直接燃烧温度条件下处理低浓度的VOCs气体,具有净化效率高、无二次污染、能耗低的特点，是商业上处理VOCs应用最有效的处理方法之一[8]。然而，催化燃烧也有其限制条件，其中催化剂的优劣对热分解效率和能耗有着决定性的作用。在催化燃烧中用得较多的催化剂是贵金属催化剂，如Pt，Pd，Au和Rh等是典型的贵金属催化剂[9-11]。这类催化剂通常负载在载体上,具有活性高,选择性好的优点，但是成本较高,且容易中毒。因此寻找经济适用、稳定性较好的催化剂是推广催化燃烧技术的关键[8]。

2.1.3 生物净化技术

2.2 VOCs工程案例

2.2.1 冷凝回收和热力燃烧复合技术

以广安某高新材料公司为例，该公司主要从事树脂、薄膜、复合材料及制品在内的相关电子信息材料产品研发、生产与销售。其VOCs主要包括覆铜板生产车间的乙酸乙酯，二甲基甲酰胺(DMF)挥发废气，丁酮挥发废气，以及薄膜、封胶及树脂生产过程中的有机气体。

根据《挥发性有机物(VOCs)污染防治技术政策》中提出的“VOCs源头控制”和“采用工业生产过程中减少VOCs形成和挥发的清洁生产技术”，同时考虑到该企业有机废气产生量较大，且目前国内有机废气污染形势较为严峻的情况，该公司采取了先吸收回用然后再处理排放的方式，即根据污染物质的物化性质来设计废气处理方式，其中DMF采用“三级水吸收+蒸馏塔回收+RTO焚烧工艺”，丁酮采用“冷凝+活性炭吸附+蒸馏塔回收+RTO焚烧工艺”。

鉴于DMF与水互溶，且该企业部分产品有部分水产生，必须将DMF与水分离才能回用，因此该企业采用了“水吸收+蒸馏分离系统”来回收DMF。回收系统主要由废气收集管道、冷凝机组、吸收塔、自控仪表系统、风机、水循环管道系统和蒸馏塔等几部分组成。工作原理是将来自各个工段的工艺废气汇总于集气箱中，通过风机将其打入列管式冷冻机组中，使部分DMF冷凝下来，由于DMF废气产生量大，经冷凝后约有30%的DMF被冷凝下来(注：各工艺对DMF的纯度要求较高，冷凝下来的DMF需经过精馏后方可重复使用)，未冷凝废气接着被送至吸收塔中。吸收塔的第一段为提浓喷淋，喷林液为循环吸收DMF的水溶液，促进吸收，为此目的，第一阶段采用大水量循环吸收，并且对进塔的吸收液要进行冷却处理。不断浓集的吸收液部分输送至废水罐，待后续用已有的湿法回收精馏塔蒸馏回收DMF。气体经过第一阶段后进入后续第二阶段进一步被吸收。第二阶段采用填料塔结构，吸收液采用低浓度水，吸收DMF后的吸收液补充到第一吸收段(吸收DMF后的吸收液部分参与循环，一部分补充到第一吸收段)。第三阶段同样采用填料塔结构，吸收液为纯水，来保证废气的出口浓度达到排放标准(吸收DMF后的吸收液部分参与循环，一部分补充到第一吸收段)。有机废气现经过吸收塔利用水吸收去除其中的DMF后，达标排放。富集吸收液送至湿法工艺废水罐，利用蒸馏装置分离出DMF和水。

丁酮回收采用类似系统。根据丁酮的特性，先进入前空气冷却器进行预冷却，经预冷却后废气进入一套活性炭有机溶剂净化回收装置，其中的有机物(丁酮)被吸附床中的活性炭(纤维)吸附下来，从而使废气得到净化处理。经净化回收处理后的气体从吸附床底部由防爆离心通风机送至排气筒排空。吸附饱和的吸附床用热空气进行脱附。热空气由吸附床底进入，穿过吸附剂，将被吸附的有机物(丁酮)脱附出来并带出吸附床，在后冷凝器中冷凝成液体进入溶剂回收系统精馏后再回用。吸附床完成脱附并经干燥再生后，切换回吸附状态，从而完成一个操作循环。整个过程几个吸附床连续交替、循环运行。后冷却器采用型钢制空气冷却器，冷却水系统选用冷却塔、循环水泵进行淡水循环冷却。吸附与再生采取电动方式。活性炭吸附净化装置的吸附、脱附操作全部采用自动控制系统，在运行过程中具有相互联锁的功能，可根据工艺作业的变动，通过修改程序，随意调整吸附、再生周期等参数。

对于回收后产生的废气及其他生产环节产生的VOCs，在考虑成本，环保功效及技术难度后，该企业选择采用热力燃烧技术，将有机废气通过燃烧转为二氧化碳、水以及氯化物等无毒或毒性小的无机物。在焚烧炉样式选择上，该企业根据自身生产特点采用了自由式RTO废气焚烧炉。相比于其他类似的焚烧炉，自由式RTO焚烧炉不仅拥有更好的环保性能(对废气的氧化更加彻底)，还具有体积小，重量轻，升温快的特点，在装配上还可自由调节，和收集及转运装置的契合度高。更为关键的是，自由式RTO焚烧炉造价成本低，运行和维护费用不高，运行过程更加安全可靠。

2.2.2 吸附和催化燃烧复合技术

以什邡市某新型超功能材料有限公司为例，该公司主要致力于生产聚苯硫醚(PPS)树脂、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)树脂及聚磷酸铵(APP)。VOCs主要来自于全流程置换抽排气不凝气，部分工段不凝气及产品干燥废气。废气主要包括溶剂NMP挥发气体，丁醛挥发气体，低分子硫化物等。

该公司结合自身工艺特点，采用了冷凝、活性炭吸附、催化燃烧工艺对VOCs进行处理，同时考虑到去除VOCs废气中夹杂的无机酸性气体，在冷凝及吸附之间加入了一步二级碱洗。

由于该企业尾气中含有大量的N-甲基吡咯烷酮(NMP)，为了降低成本、减少排放，所以首先对尾气进行集中冷凝，冷凝得到的NMP、水混合液回收到储液罐，等待后期的精馏分离回用。因为尾气中含有部分无机酸性废气硫化氢和氯化氢，所以冷凝过后，要经过两级碱洗，碱液采用浓度为5%的NaOH液体。无机酸碱反应速度快、效率高，经过两级碱洗后，对无机酸性气体有很好的去除效果。吸收的废碱液到达一定浓度后，排放至废水处理站集中处理。但二级碱洗后，废气湿度较大，容易降低活性炭吸附能力，也会堵塞活性炭表面的多孔结构，使活性炭失活，因此，在碱洗和吸附间加装预处理装置(冷凝+干燥)，使经过碱吸收的废气脱水、干燥，提高活性炭的吸附性能力。活性炭吸附后，废气应已基本达到排放标准，但考虑到该公司聚苯硫醚的低分子硫化物有恶臭气味，所以增加了催化燃烧工艺。同时，考虑到活性炭吸附后的气体浓度较低，难以达到自身热平衡，该公司在考虑总体气量较小，成本不高的情况下设计了电力供热设备，并用出口的热空气去预热进口的气体，以达到能量的充分利用。

3 现存问题及思考

虽然我国VOCs控制情况日益改善，但仍存在不少问题。首先，由于重视程度不够及VOCs废气管理与监控条件所限，我国环境监管部门对VOCs的排放源分布，排放强度和治理情况等基础信息掌握较少。我国自主的VOCs监测仍停留在小规模探索及科研上，缺乏广域上的调查与统计，导致空气VOCs污染特征等基础数据的匮乏[13]。同时，我国VOCs方面的研究多采用欧盟及美国的排放标准进行测算[14，15]，导致研究结果缺乏针对性和可靠性。其次，由于我国VOCs控制起步较晚，各类法规、标准缺乏准确性，针对性及系统性。现行的《大气污染法》也缺乏对VOCs的具体陈述。同时，国家和地方大气污染防治相关的法律、法规中对于有毒有害废气的污染防治管理条文仅局限于突发性事故条件，缺少对有毒有害废气污染源环保准入、日常监管和风险防范方面的专项具体要求，系统有效的有毒有害废气污染防治和监管体系有待建立。在控制技术方面，我国VOCs技术多引进或模仿国外技术，在技术更新上也多跟踪国外研究成果，缺乏自主研究和适合本国基本国情的控制技术[13]。介于以上问题，本文建议首先将VOCs的控制管理内容修编入《大气污染防治法》，并完善VOCs相关标准，作为以后开展相关工作的法定依据。同时明确VOCs减排目标，提出具体减排计划，为未来工作的落实和考核提供支撑。其次，加大对我国VOCs研究与调查的投入，特别是重点污染区域的污染普查和VOCs数据库建立，为其他工作提供理论依据。最后，鼓励有利于VOCs控制的新材料，新技术，新装备的研发，推进我国自主研究的VOCs治理技术的发展。

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The technological policy and control measures of VOCs review

Liu Lan

(ShanxiJinhuankeyuanEnvironmentalResourcesCo.,Ltd,Taiyuan030024,China)

The paper introduces the definition,origins and pollution features of VOCs,explores three common technologies for its treatment including absorption,catalytic combustion,and biological purification,analyzes some problems in the treatment by combining with engineering cases,and points out respective solutions,so as to improve the air quality.

VOCs,pollutant,air quality

2015-10-12

刘 澜(1982- )，男，工程师

1009-6825(2015)36-0203-04

X131 < class="emphasis_bold">文献标识码：A

A