石油化工装置常见废气处理技术

张 俊

（中国寰球工程有限公司大庆分公司，黑龙江 大庆 163714）

随着群众环保意识的提高，“绿水青山就是金山银山”的呼声越来越高，环保部近年来也更新了一批环保相关标准，对废气的处理方式和各类特征污染物的排放指标都进行了更新。石油化工行业也是VOCs 排放重点关注区域，本文主要对石油化工行业的废气处理技术做简单的介绍，力求能给广大设计同行提供参考。

石油化工行业的废气通常成分都比较复杂，废气中主要成分为挥发性有机物，也就是常说的VOCs，包括低沸点的烃类、卤代烃类、醇类、酮类、醛类、醚类、酸类和胺类等[1]，而选择技术方案时需要考虑的问题比较多，例如占地面积、投资费用、运行费用、污染物净化效率、二次污染处理等，因此如何对废气处理技术进行优化组合是一个难题。

通常来讲，一套废气处理系统的典型工艺应包括除尘（以及其他预处理）、废气处理、排放3 个过程。本文主要介绍应用于石油化工行业废气处理的几种主流技术。

1 废气处理技术分类

以是否破坏VOCs 组分的分子结构可分为两个大类：回收类和破坏类。回收类的原理是利用废气中需要处理的特征污染物的物理化学性质，使用不同的方法将特征污染物分离出来，主要包括吸附法、吸收法、冷凝法和膜分离法等[2]。破坏类的原理是采用各种物理化学以及生物方法，彻底消除废气中的特征污染物，主要包括燃烧法、催化燃烧法、生物法等。

2 废气处理技术简介

根据上述的分类，主要介绍以下几种废气处理技术。

2.1 吸附法

吸附法的原理是利用不同吸附剂对不同组分的选择性不同，达到吸附废气中特征污染物的目的。吸附是物理过程，且是可逆的，因此典型的吸附法由吸附和脱附两道工序组成并循环进行。

吸附法的核心就是吸附剂，通常采用如活性炭、分子筛、活性氧化铝和硅胶等比表面大、吸附性强、易于再生的吸附剂，在固定床或者流化床中对废气进行吸附，随着吸附剂中吸收物浓度的升高，吸附剂的吸附效果会越来越弱，因此需要定期进行脱附工序使吸附剂再生。

脱附（也可称解吸）操作可根据吸附剂以及所吸附的特征污染物的不同，采用升温、降压、置换、吹扫和化学转化等脱附方式或几种方式的组合，对吸附剂中吸附的特征污染物进行脱附浓缩。脱附的液体可根据情况确定是否要回收或者再次处理。

吸附法的主要优点：吸附剂可重复利用；可回收特征污染物进行再加工或再处理；对于废气来源平稳性没有太大要求，可间断操作；净化效率较高，可达到90%以上。

吸附法的主要缺点：适用于废气中组分比较简单，且其中有回收价值组分的废气，或作为其他废气处理技术的预处理；单位处理量小，不适合大风量的废气；须定期更换吸附剂，部分吸附剂更换费用较高；对废气中颗粒物要求较高，常规要求小于1 mg·m-3。

2.2 吸收法

吸收法的原理是利用气体混合物中各组分在一定液体中溶解度的不同或发生化学反应而分离气体混合物的方法。其主要适用于吸收效率和速率较高气体组分的处理。

吸收剂就是吸收法的核心关键，需具备以下特点：对被吸收组分有较强的溶解能力和良好的选择性；有利于被吸收组分的回收利用或处理；廉价易得、可重复使用、无毒或低毒。

吸收法流程比较简单，废气通过风机送入吸收单元，经吸收处理后排放至大气。常用的吸收设备有填料塔、喷淋塔、板式塔、鼓泡塔、文丘里等。

吸收法的难点在于吸收液的处理，在实际的项目中，吸收剂选择需同时考虑吸收液的处理。可循环使用的需经过再生后循环使用，不可循环使用的需按照相关标准处理或者寻求有相关资质的单位进行处理。

吸收法的优点：流程简单，设备结构简单，投资低；操作弹性较大，能适应较大的流量波动，但被吸收组分的总量应在吸收剂能力范围内；净化效率较高，可达到90%以上。

吸附法的缺点：适用范围比较窄，适用于成分比较单一的废气，且有合适的吸收剂；吸收温度有要求，高于吸收温度时须额外进行冷却处理；为减少二次污染，吸收液须妥善考虑处理设施或处理单位。

2.3 冷凝法

冷凝法的原理是根据特征污染物压力与沸点的对应关系，采用将系统降温或者提高压力的方法，使系统温度低于特征污染物在系统压力沸点或提高特征物沸点并高于系统温度时，将特征污染物转变为液态而分离出来。通常适用于特征污染物体积分数高于0.5%的废气。

对于冷凝法而言，影响污染物净化效率的主要有冷却温度、污染物沸点、污染物初始浓度3 个因素。但是对于较高的净化要求，所需冷却的温度低，必要时需要增大压力，这样就会增加处理的难度和操作费用。当VOCs 浓度超过爆炸上限时，为防止冷凝过程中浓度处于爆炸极限范围内而造成的爆炸安全隐患，需要在废气中补充惰性气体以降低浓度。冷凝法也不适用于易聚合的 VOCs 组分废气的治理，因为聚合物可能黏附与换热器表面，使传热效果恶化。因此如用单一冷凝法去除废气中的污染物需冷却到极低的温度，能耗较高。

冷凝法主要优点：流程简单，易于维护；在处理高浓度、污染物沸点高时净化效率较高，可达80%～90%。

冷凝法主要缺点：不适于高挥发性的、浓度较低的废气；通常不单独使用，很难达到环保排放指标。

2.4 膜分离法

膜分离法的原理是在压力驱动下，借助气体中各组分在高分子膜表面上的吸附能力以及在膜内溶解-扩散上的差异以及渗透速率差来实现对某种组分的浓缩和富集[3]。

膜分离法适用面较广，可处理很多类型的污染物，尤其是特征污染物体积分数高于0.1%的废气，可以弥补冷凝法和吸附法效果不好的缺点，处理低沸点有机物和氯代有机物。

膜分离法的核心就是所采用的膜材料，应具备较高的透气性、较高的机械强度及化学稳定性和良好的成膜加工性能等，主要有有机高分子膜、多孔陶瓷膜、中空纤维玻璃膜、表面改性多层多孔膜、碳分子筛膜和沸石膜等[2]。

膜分离法的主要优点：选择适用的膜组件污染物净化效率可高达97%；对于工况（间歇流量、温度波动）适用率较高，污染物类型适用率较广；其他辅助公用工程用量少，能耗低。

膜分离法的主要缺点：需针对性地选择膜组件；膜的寿命根据使用的物系和膜材料情况长短不一，且普遍寿命较短；可能产生浓差极化，需在设计时考虑预防措施。

2.5 燃烧法

燃烧法的原理是在高温下并补充足够的助燃空气，将废气中的有机污染物进行燃烧分解，反应生成无害的二氧化碳和水。在足够高温度、过量空气、湍流的条件下，可以处理大部分类型的挥发性有机物，根据燃烧的形式又可以分为热力燃烧、催化燃烧。

由于燃烧法的操作平稳性以及较高的污染物净化效率，燃烧法在石油化工装置内使用比较多。

2.5.1 热力燃烧（含蓄热式热力燃烧）

热力燃烧通常温度较高，约720～810 ℃（如处理危废需更高），需根据处理的废气中热值补充适当的燃料（如燃料气、燃料油、天然气等），根据反应炉的形式又可分为多塔式热式热力燃烧、旋转炉式热力燃烧等，热回收方式也有外部换热器形式或者在炉膛内设置蓄热陶瓷层等。

热力燃烧的主要优点：流程短，易于维护；适用面广，几乎可去除于所有的有机污染物类型；废气净化效率高，多室或旋转式蓄热燃烧系统净化效率可达98%以上；可处理大流量，低浓度的废气；可回收热量或蓄热再利用，热利用高。

热力燃烧的主要缺点：燃烧炉属于明火设备，在平面布置上须考虑额外的防火间距；设备运行初期需预热，操作工序较多；废气浓度、流量均需尽量平稳，换向阀切换频率高，维护率较大；由于燃烧炉内反应温度较高，易产生NOx等二次污染物；入口有机物浓度应控制在爆炸下限的25%以下，如无法满足需进行稀释，保证安全性；在废气热值较低（含有的有机物浓度较低）时，无法维持自热平衡时，需补充辅助燃烧；燃烧炉反应温度高，选用材质等需特殊考虑；对于含硫、含卤素有机物废气处理效果较差。

2.5.1 催化燃烧法（含蓄热式催化燃烧）

催化燃烧法在燃烧法的基础上，利用催化剂降低反应温度。不同特征污染物的反应温度需选择不同的催化剂，反应温度也略有不同，其余设备方案与热力燃烧法相似[4]。

催化燃烧法的主要优点：不产生NOx等二次污染物；特征污染物净化效率在97%以上。

催化燃烧法的主要缺点：通常采用贵金属催化剂，价格较高，更换周期约3～5年，整体运行费用较高；入口有机物浓度应控制在爆炸下限的25%以下，如无法满足需进行稀释，保证安全性；废气中应避免含有引起催化剂中毒的元素；对废气中含尘量要求较高，通常要求低于10 mg·m-3；在低浓度废气工况和开工初期需采用电加热或其他形式对尾气进行预热。

2.6 生物法

生物法的原理是利用微生物在新陈代谢过程中将废气中的有机污染物分解转化无害物质。

生物法又可细分为生物洗涤法、生物过滤法和生物滴滤法。但总的来说，微生物是生物法的核心，不同的特征污染物需要不同的微生物菌群才能降解，而对于成分比较复杂、其中有多种特征污染物的废气，必须用混合培养出合适的微生物菌群来完成污染物的降解任务。

生物法的主要优点：在控制适当的负荷和气液接触条件下，净化率能达到90%；设备简单，维护简单；不形成二次污染；能处理含硫、氮的恶臭物以及苯酚等有害物质的废气。

生物法的主要缺点：微生物对生长环境要求高，如pH 值、温度、溶解氧浓度、污染物浓度等均对微生物生长环境有影响；操作弹性小，废气的流量、浓度均应平稳；处理速度较低，需要较大的占地面积。

3 结束语

本文介绍了石油化工装置常见的废气处理技术，可能还有些比较前沿的技术，例如等离子法、光催化氧化法等没在本文中介绍，但相信随着国家法规的越来越完善，更多实用的、新型的废气处理技术会被开发出来，并广泛地应用于石油化工装置的废气处理。