工業VOCs氣體處理技術應用狀況
來源：濰坊天潔環保科技公司 閱讀：7195 更新時間：2017-11-30 10:55揮發性有機物(VOCs)包括各種脂肪烴、芳香烴和烴的衍生物等.VOCs的來源十分廣泛,除了植物揮發等自然源外,人為源包括各種工業源、農業源、交通源和生活源,其中以工業源的排放量和影響最大.工業生產過程產生的VOCs排放,不僅直接危害周邊居民的身體健康,還會促進城市光化學煙霧和霾的生成,間接影響區域大氣環境質量.
目前,對于工業VOCs排放的控制越來越受到各級環境保護部門和企業的重視.在生產過程中采用替代產品和實施清潔生產是減少VOCs氣體產生和排放的首選措施.然而在多數情況下,對所產生的VOCs氣體進行收集處理(包括回收)還是必不可少的控制措施.目前,常見的工業VOCs氣體處理技術包括熱力燃燒、催化燃燒、吸附、生物處理(包括生物過濾、生物滴濾、生物洗滌等工藝)、等離子體氧化(簡稱等離子體)、吸收、冷凝、膜分離、光氧化、光催化氧化等.其中,吸附、吸收、冷凝和膜分離技術在一定條件下可用于氣體中VOCs的回收,而其他技術則是通過氧化破壞VOCs分子實現凈化.目前,關于VOCs處理技術的研究大多關注某一項技術的效果與優化,而缺乏針對不同技術實際應用狀況、適用范圍和選擇方法的研究,尤其缺乏相關的案例研究和數據支持.因此,管理部門或企業面對紛繁復雜的技術和工藝,往往難以進行選擇和判斷.
本研究在調研大量工業VOCs處理技術工程案例的基礎上,分析了不同VOCs處理技術針對不同行業、不同性質氣體的應用狀況,歸納了不同技術的適用性和特點,為VOCs處理技術選擇和評估提供了有價值的參考依據.
1數據調查與分析方法
獲得大量工業VOCs處理工程案例是深入分析VOCs處理技術應用狀況的前提和基礎.本研究通過文獻調查和現場調研2種方式搜集了國內外大量工業VOCs處理工程案例.其中,文獻調查以VOCs、典型VOCs物質(如苯、甲苯等)和各類處理技術或工藝(如吸附、催化氧化等)的中英文作為關鍵詞,通過谷歌、百度等網站或中國知網、中文科技期刊、萬方數據庫、webofscience等數據庫搜索相關VOCs處理工程案例.現場調研則是直接到有關企業已建成的VOCs處理工程開展現場監測與訪談.針對每一個工程案例,調研內容包括所采用的技術和工藝、應用行業、處理的氣體流量、VOCs濃度、組分、處理效果和經濟性等.
為提高分析結果的可靠性,本研究根據數據的完整性和規范性對所獲得的工程案例進行了篩選.在此基礎上,對不同來源的數據進行歸一化處理,具體做法是摘錄各工程案例中的有用信息列入表格,對于流量、濃度等數據統一單位和格式.通過篩選與歸一化處理,共獲得了771個有效的VOCs處理工程案例樣本,其中來源于文獻調研的案例724個,來源于現場調研的案例47個.國外案例441個,國內案例330個,這些工程絕大多數建造于2000年以后.
針對所獲得的歸一化數據,從市場占有率、所適用行業、氣體流量、VOCs濃度、組分等方面對不同VOCs處理技術的應用狀況進行了統計分析.數據的統計和作圖均采用Origin7.5軟件.
2結果與討論
2.1不同VOCs處理技術的市場占有率
化燃燒和熱力燃燒均包括蓄熱式和非蓄熱式;吸附未區分是否進行VOC回收;生物處理包括生物過濾、生物滴濾和生物洗滌工藝
從全球范圍來看,催化燃燒、吸附和生物處理是目前應用較多的VOCs處理技術,市場占有率分別為26%、25%和24%,其次是熱力燃燒和等離子體技術,市場占有率分別為10%和9%.從圖1可以看出,國內外VOCs處理技術的市場占有情況具有一定差異.吸附技術在國外(主要為歐美國家)的市場占有率為16%(排第3位),而其在國內的市場占有率高達38%(排第1位).通過對典型案例的分析和現場調研發現,在適于回收VOCs的情況下,吸附技術是一種經濟、符合清潔生產理念的選擇,因此在國內外得到廣泛應用.而國內許多中小企業選擇吸附技術是追求其建設成本低的特點,并沒有實現VOCs回收和有效的運行維護.從圖1還可看出,生物處理技術在國外工業VOCs處理市場中應用更為廣泛,顯示出其正日益成熟,具有良好的應用前景.
從不同技術市場占有率可以看出,在實際應用中并不存在某項技術占絕對優勢的情況.這是由于不同技術的特點和適用范圍不同,而實際工程中需要處理的工業VOCs氣體性質也多種多樣,從而造成了多種技術共存的情況.對于具體的VOCs處理工程,并不一定要選擇應用最多的主流技術,還是要根據處理要求和不同技術特點選擇最適合的技術.
2.2不同技術處理VOCs氣體的流量分布
除冷凝和膜分離外,多數技術所應用的氣體流量范圍差異并不明顯,冷凝和膜分離主要應用于流量小于3000m3/h的VOCs氣體處理,這主要是由于冷凝器和膜分離組件的工作原理限制了其應用于大流量氣體處理.而催化燃燒、吸附、生物處理等VOCs處理技術的流量應用范圍較廣,從1000~50000m3/h均有較多工程案例.
2.3不同技術處理氣體的VOCs濃度分布
不同技術所應用的VOCs氣體濃度范圍差異較大.等離子體、吸收主要應用于總揮發性有機物(TVOC,表示氣相VOCs濃度)濃度小于500mg/m3的低濃度氣體,生物處理主要應用于500~2000mg/m3的中低濃度氣體,催化燃燒和熱力燃燒主要應用于TVOC2000~10000mg/m3的高濃度氣體,冷凝和膜分離則主要應用于TVOC大于10000mg/m3的氣體.吸附雖然在TVOC500~10000mg/m3都有較多的工程案例,但一般認為,吸附在處理VOCs體積分數小于0.1%(TVOC約2000~4000mg/m3)的氣體時,VOCs回收的難度加大、處理成本會相應增高.并且,TVOC過高也不宜直接用吸附技術進行VOCs回收處理.
2.4不同技術處理的VOCs種類分布
依據官能團不同將VOCs分為苯系物、鹵代烴、醇、醛、醚、酮、酚、酸、酯、胺、烷烴、烯烴12類.從表1可以看出,某些技術對于VOCs種類表現出一定的普適性和廣泛性,如催化燃燒、熱力燃燒和吸附等.而另外一些技術則對VOCs種類表現出一定的偏好,例如生物處理較少應用于鹵代烴和烷烴處理,吸收和冷凝較少應用于烷烴、烯烴處理,而膜分離的應用案例主要為烷烴和烯烴處理.技術應用于VOCs種類的偏好可以用技術本身的原理和特點進行解釋.例如,烷烴和鹵代烴類VOCs生物降解性一般比苯系物要差,而許多烷烴和烯烴的沸點較低,也不適合用冷凝法處理.
2.5不同VOCs處理技術的行業應用狀況
按照國民經濟分類方法,對VOCs處理工程所應用的行業進行歸類.其中,化學原料及化學制品制造業又被分為若干個子行業.
吸附、催化燃燒、熱力燃燒、生物處理在VOCs處理方面所應用的行業最廣泛.其中,吸附技術在化工、醫藥、設備制造和印刷行業應用較廣,而催化燃燒和熱力燃燒法在設備制造、化工、塑料、石油行業應用較廣泛,而生物處理則主要應用于廢物處理、食品等行業惡臭氣體處理(除VOCs外,還含有硫化氫、氨等污染物).
其他技術中,吸收和冷凝主要應用于醫藥和化工行業,膜分離主要應用于化工(合成材料)行業,等離子體主要應用于食品等行業.
2.6影響VOCs控制技術選擇的主要因素分析
根據以上關于VOCs處理技術應用狀況的分析可知,工業VOCs氣體特性對處理技術選擇有重要影響.其中,VOCs濃度可作為技術初步篩選的一個重要影響因素.根據本研究調查統計結果,對于高濃度(TVOC>10000mg/m3)有回收價值氣體,可考慮采用冷凝技術進行處理(VOCs的沸點越高越適宜),對于TVOC濃度2000~10000mg/m3的有回收價值氣體,可考慮采用吸附技術處理.對于高濃度氣體,當流量不大且溫度不高時還可以考慮采用膜分離技術進行回收處理.對于TVOC濃度大于2000mg/m3、沒有回收價值的氣體,可以采用催化燃燒、熱力燃燒等技術進行處理.對于TVOC濃度低于2000mg/m3的氣體,可以采用生物處理或等離子體技術進行處理.除了濃度外,氣體的流量、VOCs組成、氣體溫濕度、顆粒物及其他污染物含量等均會對工藝選擇和設計有重要影響.
除了所處理VOCs氣體本身的特性外,技術選擇時還應綜合考慮各種技術本身的性能指標、建設和運行成本、執行的排放標準等因素.在VOCs處理技術選擇方面雖然有一些共性的規律和標準可以遵循,但是由于實際工業生產中不同行業企業所排放VOCs氣體的組成和特性往往存在較大差異,因此很難用一個標準覆蓋所有的情形.
在實際工程中,往往單一處理工藝難以滿足排放要求,常常需要在主體工藝前加入預處理單元或進行不同工藝的組合.比如對于含有顆粒物的氣體,需要在VOCs去除單元之前加入水洗或過濾等預處理單元.對于濃度較低、不適于直接催化燃燒的氣體,可采用吸附濃縮+催化燃燒的工藝組合進行處理.
3結論
3.1吸附、催化燃燒、生物處理、熱力燃燒、等離子體等工藝在國內外工業VOCs氣體處理領域應用較為廣泛.
3.2冷凝、膜分離和吸附工藝多用于處理TVOC>10000mg/m3的VOCs氣體并回收VOCs,催化燃燒、熱力燃燒工藝多用于處理TVOC>2000mg/m3且不具回收價值的氣體,生物處理、等離子體多用于處理TVOC<2000mg/m3的氣體.
3.3催化燃燒、熱力燃燒、吸附對所處理的VOCs種類表現出廣譜性,而生物處理、冷凝、膜分離則表現出一定的偏好和選擇性.
3.4VOCs處理技術的選擇和應用既有共性的規律,也同時存在復雜性和各種例外,應綜合考慮VOCs氣體特性、VOCs處理技術經濟性能、排放標準等因素進行技術的選擇.
