简析工业废气（VOCs）处理工艺设计与运行管理

刘克忠

（鹤山柏威皮革制品有限公司，广东 江门 529700）

引言

VOCs处理工艺的设计及其运行管理，对于高效、经济、环保地处理工业废气具有至关重要的意义。其工艺设计旨在选择合适的处理技术，以最大程度地去除VOCs污染物，并将其转化为对环境影响较小的物质。在设计过程中，相关人员需要综合考虑废气组成、浓度、流量等因素，结合各种技术如吸附、催化氧化、生物处理等来实现高效净化。而运行管理则包括设备维护、监测系统建设、安全防护等方面，旨在保证处理系统的平稳运行和安全运营。

1 我国工业废气现状概述

1.1 我国工业废气研究现状

挥发性有机物（Volatile Organic Compounds，VOCs）是仅次于颗粒物污染物的第二大类空气污染物。VOCs是石油化工、印刷、制药、橡胶和喷漆等工业领域常见的污染物。目前已检测出的VOCs有300多种，依据化学结构分为烷烃、苯系物、烯烃、炔烃、醇类、醚类、卤代烃等化合物共12类。

随着各省市相关政策的出台，相关人员逐渐加强了对典型行业VOCs污染特征和工业源治理的精细化研究，对VOCs排放限值和收费标准的管理也有不少研究。研究领域更加多样化，使得对VOCs的研究到达了新阶段。

1.2 VOCs的危害

VOCs主要来源是工业制造及化工燃烧、涂料的使用，VOCs具有一定挥发性、刺激性、毒性、致癌性。目前，VOCs的危害主要集中在以下几方面。

1.2.1 对身体健康的影响

目前检测出的300多种VOCs，有近20种为高致癌物质及有毒物质。如果人们长期生活在含有大量VOCs废气的环境中，可能导致人体中毒，轻者可能出现头晕、恶心、呕吐等症状；严重者会出现肝脏中毒，危及生命健康。

1.2.2 对生态环境的影响

VOCs能够参与大气中二次气溶胶的形成，导致出现雾霾天气。同时，在紫外线作用下，VOCs中的碳氢化合物和空气中的氮氧化物发生反应，产生大量烟气，引发大气光化学烟雾事件发生。同时，反应生成的其他颗粒物在光线散射作用下，降低了空气能见度，长此以往会破环生态平衡[1]。

2 VOCs的处理工艺

2.1 VOCs处理工艺概述

发展高效、节能、绿色环保的VOCs降解技术，对社会发展具有十分重要的意义。工业废气VOCs处理工艺包括吸收法、吸附法、氧化法、低温等离子法、生物法等[2]。根据我国国情，燃烧氧化法和吸附法最符合企业的经济效益；生物法和低温等离子法是近几年VOCs废气处理的技术热点。

2.1.1 吸收法

吸收法利用不同气体在一定溶剂中溶解度的不同，对气体混合物进行分离和回收。在实际应用中，VOCs吸收器一般采用填料洗涤吸收塔，以柴油、碳酸丙烯酯等材料作为VOCs吸收剂。吸收法的优点是操作简单、成本低廉，但是缺点也比较明显，其治理效率不高且容易对治理设备造成损害。

此外，水喷淋法也是吸收法的一种。水喷淋法是指废气经收集之后，部分较重的组分受重力作用溶解于水中，其他废气则继续通过水喷淋和抽风系统超微雾化；较轻组分在上升过程中与水充分接触，废气中的细小颗粒与水混合并附着，其余组分继续上升，最后被收集，以达到净化废气的效果。

2.1.2 吸附法

吸附法需要先将VOCs吸附富集，然后再高温高压解吸回收，吸附法具有操作简便、工艺成熟、能耗低、治理效率高的特点，但是其吸附剂需要具备高吸附容量和高速率、化学性质稳定、容易再生等特点。

当VOCs具有浓度低、风量大的特点时，采用分子筛吸附浓缩法可以达到良好效果，VOCs废气被净化后从浓缩装置的处理间达标排放。吸附剂能够提供大量的接触表面积，同时装置旋转能够将吸附后的吸附剂转至脱附区脱附再生，而冷却后的废气，经加热后可以作为再生废气使用。

2.1.3 氧化法

氧化法处理VOCs废气需要外界条件的支持，因此根据条件工艺不同，又分为燃烧氧化法、催化燃烧法和光催化氧化法。

2.1.3.1 燃烧氧化法

在实际应用中，燃烧氧化法又分为直接燃烧和热力燃烧。（1）直接燃烧是指将VOCs废气、空气和助燃料直接在炉膛燃烧处理，此方法适用于VOCs浓度较高的废气。（2）热力燃烧是在对VOCs废气进行处理时，先利用燃料燃烧的热量预热，减少辅助燃料的使用，以达到较好的VOCs废气净化处理效果。这种方法对燃料燃烧的热量利用率较高，经济效益较好，在国外应用广泛。

2.1.3.2 催化燃烧法

催化燃烧技术是将VOCs废气预热，等温度到达起燃温度后，会在催化剂表面氧化分解，以此彻底净化VOCs废气。该法目前使用的催化剂有贵金属催化剂、非贵金属催化剂和复合催化剂。贵金属催化剂中的Pd和Pt由于起燃温度高、耐热性好、催化效率高等优点而被广泛应用，但价格昂贵、资源稀缺；非贵金属催化中，Mn和Ce的氧化物使用寿命长且成本低廉，是较理想的催化材料，但受制于催化剂的制备和载体的选择而没有得到广泛应用。

催化燃烧技术具有安全性高、能量消耗低、没有二次污染等优点，而且操作工艺简单，对VOCs的浓度和热量值限制较小，但缺点也比较明显，比如其工艺条件较为严格。

2.1.3.3 光催化氧化法

光催化氧化技术的原理是在光照条件下，催化剂导带电子发生跃迁，产生空电子对。跃迁电子和空穴分别与氧气和水分子结合，产生具有强氧化性的自由基，从而氧化分解空气中的有机物分子。光催化氧化技术的优点是节能安全，成本低、条件温和且矿化率高。但是在实际应用中，催化剂在高浓度VOCs废气中容易失去活性，因此光催化氧化技术受催化剂材料比表面积和催化剂与VOCs接触面积的限制。在目前的应用中，光催化氧化技术只适用于处理VOCs浓度较低的废气。

目前经常使用的催化材料是TiO2和ZnO，其具有安全无毒、来源广泛的优点。在降解VOCs的工艺中，催化剂的应用一是作为空气净化设备的填料；二是作为功能图层应用于光催化表面。有研究表明，TiO2在作为功能图层方面取得了良好进展，并在多个场合得以应用。

2.1.4 低温等离子法

低温等离子技术是利用自由基和高能电子将废气在短时间内分解，同时引发后续反应。通过低温等离子技术处理VOCs废气，在实际应用中优势显著：（1）处理工艺在常温常压条件下完成；（2）自动化水平较高，可缩短反应流程且不受外界干扰；（3）设备简单；（4）对高分子污染物处理效果明显。但是其缺点也很明显，就是运维成本较高。

2.1.5 生物法

生物法的原理是利用聚集在有孔且潮湿介质上的微生物的生命活动，将废气中的有害物质转变为以二氧化碳和水为主的无机物。通常认为生物净化废气需要三步：首先，废气和水需要进行接触并溶于水；其次，在具有浓度差的条件下，溶于水的有机废气扩散至生物膜附近并被生物膜捕捉；最后，微生物利用自身代谢将捕捉到的有机废气转化为无害无机物。生物法处理较低浓度的VOCs效果良好。

2.2 几种工艺的优缺点比较

几种工艺优缺点的比较见表1。

表1 几种工艺的优缺点比较

2.3 VOCs处理工艺的选择

2.3.1 利用工艺特点选择工艺

2.3.1.1 吸收法

吸收法常用吸收剂的特点是饱和吸收量大、沸点高、化学稳定性好、蒸汽压低且不容易起泡、成本低廉。吸收法能够有效减少废气中的有机物，工艺简单、适应性广、吸收剂能再生，能有效回收有机物。同时吸收法回收效率低，且吸收剂耗能高，需不断补充吸收剂。

2.3.1.2 吸附法

吸附法需要利用吸附剂对有机废气进行富集，常见的吸附剂有活性炭、硅胶、沸石、矿物黏土、活性氧化铝、聚合物等。活性炭因为孔径分布广，吸附过程快等优势是使用最广泛的吸附剂。但是活性炭处理高沸点废气时，活性炭微孔容易堵塞，难以恢复，且在处理过程中，随着废气浓度的升高，容易引发自燃，因此活性炭的处理成本和工艺安全成为其不足之处。

2.3.1.3 冷凝法

冷凝法优势比较明显，即工艺简单、自动化程度高、回收纯度高，但其对制冷系统要求也较高，能耗大。对高沸点有机物，尤其是价值高的油气处理多采用冷凝技术。郑新等[3]基于对冷凝系统的节能优化，设计出甲苯冷凝回收系统，测试结果显示，冷级负荷降低了69.6%，能耗降低了38.9%.

2.3.1.4 生物法

生物法在欧洲得到广泛应用，我国自上世纪90年代开始研究生物法处理VOCs废气，取得了很大进步。蔡岐峰等[4]利用生物膜处理低浓度甲苯废气，当甲苯浓度在0.183～1.803 mg/L，气体流量在86.4～190.8 L/h时，增加甲苯流量和浓度，甲苯生化去除量最大值为157.13 mg/L。生物法在实际应用中，受到VOCs废气种类、浓度、温度等不稳定条件的影响，增大了试验难度，因而这是生物法研究的方向之一。

2.3.2 利用废气浓度选择工艺

当VOCs浓度较高时，即高于1%（10 000 ppm）时，通常需要对废气中的有机物进行回收。因此，可采用冷凝技术对废气中的有机物进行回收处理，经过处理后的废气再采用其他技术进行处理，最后使尾气达标后排空。

对中等浓度的VOCs（即1 000～10 000 ppm）进行处理时，若废气中不含可回收有机物，采用催化燃烧和高温焚烧技术在经济性和安全性上更为合理。因此，催化燃烧和高温焚烧技术近年来得到了广泛应用。若废气中存在具有回收价值的有机物时，通常采用活性炭/活性炭纤维吸附+水蒸气/高温氮气再生+冷凝工艺对废气中的有机物进行回收。如果废气中存在的有机物具有较高回收价值，吸附回收法也可用于低浓度废气中有机物的回收。

对于小于1 000 ppm的低浓度VOCs，目前的治理技术有很多选择，如浓缩后处理技术、吸收技术、生物技术等，很多企业采用组合技术进行深度净化。近年来，吸附浓缩技术在低浓度VOCs治理中应用比较广泛。

3 VOCs污染防控与治理

3.1 VOCs治理中存在的问题

陆建海等[5]调查了浙江省工业涂装VOCs的治理现状，结果显示：工业涂装准入门槛较低，生产装置低端，产生的废气收集效率低。调查的中小型企业半数未安装VOCs处理设施，治理措施覆盖率低，而低端、低效率技术使用广泛。被调查企业吸附剂、吸收液等处理设施没有及时更换，治理效果有限，管理形同虚设。

3.2 对策与建议

针对存在的问题和工艺改进，本文提出以下几点建议：（1）优化有机废气处理管控系统；（2）合理应用处理技术与设备；（3）提升业务人员的综合素养。

4 水喷淋-活性炭吸附工艺的应用

4.1 水喷淋-活性炭吸附工艺流程

含有有机物的废气在抽风机的作用下从喷淋塔底高速进入，和向下流动被雾化的液体充分接触，液体将废气中的颗粒物去除，净化后的废气继续上升后进入活性炭吸附层，废气中的污染物被表面多孔性活性炭吸附，从而净化废气。由于喷淋塔内有充分的气液接触条件，因此废气中的污染物能够实现最大化的分离效果。

生产原料在气压作用下形成有害物质，这些物质具有浓度高、粒径小（大部分粒径在10 μm以下）的特点，如不经过处理或堵塞活性炭孔径，将导致活性炭在短时间内失活。废气经过喷淋，起到了清洗降解作用，然后再进入活性炭吸附层吸附。使用比表面积大（500～1 500 m2/g）、稳定性好的活性炭能吸附大流量、低浓度的有机废气，被喷淋净化的气体经活性炭吸附处理后由排风管达标排放。

4.2 水喷淋塔

水喷淋塔是结合国内外废气处理技术设计，借助喷淋和旋流技术研发的一套不锈钢旋流塔废气处理设备，如图1所示。

图1 不锈钢旋流塔废气处理设备

旋流废气处理设备由旋流层、循环水箱、塔体、进风口、出风口、喷淋层、除雾层、出风锥筒、填料、水泵、水管、观察检修口等部分组成，采用不锈钢材质，具有安装维护方便的优势。

经过收集的有机废气在重力作用下，部分较重的废气下沉进入水中，其他废气在抽风机作用下向上运动，经过旋流层与水雾接触，大部分废气在水雾作用下进入水箱；其余废气继续向上运动，在喷淋和吸附作用下，废气得到净化。净化后的废气在脱水层去除水分，经出风口排空。

4.3 水喷淋-活性炭吸附工艺的特点

将液体通过雾化器细化后，能够提高气液接触面积。经喷淋后，废气中的水溶性组分或大颗粒成分随液体下沉，达到净化效果。水喷淋-活性炭吸附工艺多应用在水溶性废气的治理中（如喷漆、烘漆等含苯、甲苯、二甲苯等的VOC治理工艺），具有操作简单、易于管理，造价低廉的优点。

水喷淋-活性炭吸附工艺的设备优势：（1）能耗小，水源易得，经处理后能回收利用；（2）应用范围广，对多种成分废气都具有良好的处理效果；（3）净化效率高，二次污染少，适用于大风量、低浓度有机废气的处理；（4）活性炭能重复利用，操作方便，运行稳定。

5 结语

VOCs废气直接排放不仅会对人们的健康和生活造成严重影响，也会严重损害生态环境，直接或间接地造成人们生活质量下降。因此，VOCs处理是至关重要的问题，我们应从各个行业角度出发，选择合适的处理技术，推进现有技术革新，制定合理的标准和政策，提升VOCs治理能力，从而提高人们的生活质量。