干货 | VOCs治理设施工艺介绍和成本分析
VOCs治理设施工艺介绍和成本分析
一、VOC废气处理简介
（一）来源
大气中VOCs污染物是人为源和天然源排放到大气中有机化合物-非甲烷烃类的总称，目前正受到日益广泛的关注。
全世界在空气中检出的VOCs已经有约150余种，其中有毒的约80余种。人们关注的大气中的VOCs主要来自人为污染源：即生产工艺过程排放。这些工艺过程包括：石化厂、炼油厂及在生产过程中大量使用有机溶剂的相关行业，如涂料生产、涂装、印刷、制药、皮革加工、树脂加工等。
（二）危害
VOCs是强挥发、有特殊气味、有刺激性、有毒的有机气体，部分己被列为致癌物，如氯乙烯、苯、多环芳烃等。其危害主要有：
(l)在阳光照射下，NOx和大气中的VOCs发生光化学反应，生成臭氧、过氧硝基酞(PAN)、醛类等光化学烟雾，造成二次污染，刺激人的眼睛和呼吸系统，危害人的身体健康。这些污染物同时也会危害农作物的生长，甚至导致农作物的死亡。
(2)大多数VOCs有毒、有恶臭，使人容易染上积累性呼吸道疾病。在高浓度突然作用下，有时会造成急性中毒，甚至死亡。
(3)大多数VOCs都易燃易爆，在高浓度排放时易酿成爆炸。
(4)部分VOCs可破坏臭氧层。
（三）污染控制技术
VOCs的控制技术基本分为两大类。
第一类是预防性措施，以更换设备、改进工艺技术、防止泄漏乃至消除VOCs排放为主，这是人们所期望的，但是以目前的技术水平，向环境中排放和泄露不同浓度的有机废气是不可避免的，这时就必须采用第二类技术。
第二类技术为控制性措施，以末端治理为主。末端控制技术包含两类，第一类是非破坏性方法，即采用物理方法将VOCs回收；第二类是通过生化反应将VOCs氧化分解为无毒或低毒物质的破坏性方法。
对于比较高浓度的或比较昂贵的VOCs宜采用回收技术加以循环利用。常用的回收技术主要有吸附、吸收、冷凝、膜技术等。
挥发性有机化合物（VOCs）废气处理的控制技术包括直燃焚化法、触媒焚化法、活性碳吸附法、吸收法、冷凝法等。
有机废气的处理方法主要有两类:一类是回收法。就是通过物理方法 ,在一定温度、压力下 ,用选择性吸附剂和选择性渗透膜等方法来分离挥发性有机化合物(VOCs) ,主要包括活性碳吸附、变压吸附、冷凝法和生物膜法等;另一类是消除法。消除法是通过化学或生物反应 ,用光、热、催化剂和微生物等将有机物转化为水和二氧化碳 ,主要包括热氧化、催化燃烧、生物氧化、电晕法、等离子体分解法、光分解法等。
表99 VOC废气处理技术简介
处理方法 | 原 理 | 适 用 | |
回 收 技 术 | 吸附 技术 | 吸附法是目前最广泛使用的VOCs回收法。它属于干法工艺，是通过具有较大比表面积的吸附剂对废气中所含的VOCs进行吸附，将净化后的气体排入大气。常见的的吸附剂有粒状活性炭、活性炭纤维、沸石、分子筛、多孔粘土矿石、活性氧化铝、硅胶和高聚物吸附树脂等。活性炭吸附法最适于处理VOCs浓度为300-5000ppm的有机废气， | 主要用于吸附回收脂肪和芳香族碳氢化合物、大部分含氯溶剂、常用醇类、部分酮类和酯类等;活性炭纤维吸附低浓度以至痕量的吸附质时更有效，可用于回收苯乙烯和丙烯腈等，但费用较活性炭吸附法高。该法已广泛用于喷漆行业的苯、乙醇和醋酸乙酯，制鞋行业的三苯(苯、甲苯、二甲苯)和丙酮，印刷行业的异丙醇、醋酸乙酯和甲苯，电子行业的二氯甲烷和三氯乙烷的吸附回收。 |
吸收 技术 | 吸收法是利用液体吸收液从气流中吸收气态VOCs的一种方法，其常用方式有填料塔和喷淋塔两种吸收法，吸收效果主要取决于吸收剂的吸收性能和吸收设备的结构特征。该法对吸收剂和吸收设备的有较高的要求，而且需要定期更换吸收剂，过程较复杂，费用较高。 | 常用于处理高湿度>(50%)VOCs气流。该法的处理浓度范围为500-5000ppm，效率高达95%~98%，但投资较大，设计困难，应用较少。 | |
冷凝 技术 | 冷凝法是利用物质在不同温度下具有不同饱和蒸汽压这一性质，采用降低温度、提高系统的压力或者既降低温度又提高压力的方法，使处于蒸气状态的VOCs冷凝并从废气中分离出来的过程。在给定的温度下，VOCs的初始浓度越大，VOCs的去除率越高。 | 冷凝法特别适用于处理VOCs浓度在10000ppm以上的较高浓度的有机蒸气，VOCs的去除率与其初始浓度和冷却温度有关。 冷凝法在理论上可达到很高的净化程度，但是当浓度低于几个ppm时，须采取进一步的冷冻措施，使运行成本大大提高，所以冷凝法不适宜处理低浓度的有机气体，而常作为其他方法（如吸附法、焚烧法和使用溶剂吸收）净化高浓度废气的前处理，以降低有机负荷，回收有机物。 | |
膜技 术 | 冷凝法是利用物质在不同温度下具有不同饱和蒸汽压这一性质，采用降低温度、提高系统的压力或者既降低温度又提高压力的方法，使处于蒸气状态的VOCs冷凝并从废气中分离出来的过程。 | 冷凝法特别适用于处理VOCs浓度在10000ppm以上的较高浓度的有机蒸气，VOCs的去除率与其初始浓度和冷却温度有关。 在给定的温度下，VOCs的初始浓度越大，VOCs的去除率越高。冷凝法在理论上可达到很高的净化程度，但是当浓度低于几个ppm时，须采取进一步的冷冻措施，使运行成本大大提高，所以冷凝法不适宜处理低浓度的有机气体，而常作为其他方法（如吸附法、焚烧法和使用溶剂吸收）净化高浓度废气的前处理，以降低有机负荷，回收有机物。 | |
销 毁 技 术 | 燃烧 技术 | 热破坏是目前应用比较广泛也是研究较多的有机废气治理方法，特别是对低浓度有机废气。有机化合物的热破坏可分为直接火焰燃烧和催化燃烧。燃烧时所发生的化学作用主要是燃烧氧化作用及高温下的热分解。 直接燃烧法：把废气中可燃的有害组分当作燃料直接燃烧。因此，该方法只适用于净化可燃有害组分浓度较高的废气，或者是用于净化有害组分燃烧时热值较高的废气。 催化燃烧法：在催化剂作用下，使废气中的有害可燃组分完全氧化为CO2和H2O等。由于绝大部分有机物均具有可燃烧性，因此催化燃烧法己成为净化含碳氢化合物废气的有效手段之一。又由于很大一部分有机化合物具有不同程度的恶臭，因此催化燃烧法也是消除恶臭气体的有效手段之一。 | 因此，这种方法只能适用于净化那些可燃的或在高温情况下可以分解的有害物质。对化工、喷漆、绝缘材料等行业的生产装置中所排出的有机废气，广泛采用了燃烧净化的手段。由于VOCs燃烧氧化的最终产物是CO2，H2O等，因而使用这种方法不能回收到有用的物质，但由于燃烧时放出大量的热，使排气的温度很高，所以可以回收热量。 优点：一般情况下去除率均在95%以上。 |
光催 化降 解 | 利用催化剂(如TiO2)的光催化性，氧化吸附在催化剂表面的VOCs，最终产生CO2和H2O。其利用用光照射半导体光催化剂，使半导体的电子充满的价带跃迁到空的导带，而在价带留下带正电的空穴(h+)。光致空穴具有很强的氧化性，可夺取半导体颗粒表面吸附的有机物或溶剂中的电子，使原本不吸收光而无法被光子直接氧化的物质，通过光催化剂被活化氧化。光致电子还具有很强的还原性，使得半导体表面的电子受体被还原。 | 由于该技术还没有很完备的理论，在光催化TiO2的产物上一直存在争论，不能确定中间产物是否会造成二次污染。而且，光催化氧化法存在着催化剂的失活、催化剂难以固定，且催化剂固定后催化效率降低的缺点，因此该技术目前尚未商业化。 | |
生物 降解 技术 | 生物降解技术最早应用于脱臭，近年来逐渐发展成为VOCs的新型污染控制技术。该技术中，含有VOCs的废气由湿度控制器进行加湿后通过生物滤床的布气板，沿滤料均匀向上移动，在停留时间内，气相物质通过平流效应、扩散效应、吸附等综合作用，进入包围在滤料表面的活性生物层，与生物层内的微生物发生好氧反应，进行生物降解，最终生成CO2和H2O。 | 生物降解法设备简单，运行维护费用低，无二次污染等优点，尤其在处理低浓度、生物可降解性好的气态污染物时更显其经济性。体积大和停留时间长是生物法的主要问题，同时该法对成分复杂的废气或难以降解的VOCs去除效果较差。 | |
等离 子体 技术 | 等离子体被称为物质的第四种形态，由电子、离子、自由基和中性粒子组成，是导电性流体，总体上保持电中性。发展前景比较广阔的等离子体技术是电晕放电技术，用其处理VOCs具有效率高、能量利用率高、设备维护简单、费用低等优点。电晕放电是指在非均匀电场中，用较高的电场强度使气体产生“电子雪崩”，出现大量的自由电子，这些电子在电场力的作用下做加速运动并获得能量。当这些电子具有的能量与C-H、C=C或C-C键的键能相同或相近时，就可以打破这些键，从而破坏有机物的结构。电晕放电可以产生以臭氧为代表的具有强氧化能力的物质，可以氧化有机物。所以电晕法处理VOCs理论上是上述两种机理共同作用的结果。 | 电晕放电技术对VOCs的处理效率很高，应用范围广，基本上各类VOCs都能有效处理，对低浓度VOCs处理效果显著。运行工艺简单，维护方便、能耗低，比传统方法更经济有效。存在的问题是，该技术还处于实验室研究阶段，处理量较小；该技术对电源的要求很高，在分解VOCs分子的同时，还有一些有害副产物产生，如NOx、CO、O3等。 | |
表100 VOCs处理技术能力比较
工艺 | 高浓度 | 低浓度 | 最终产物 | 适用范围 | 不足 | |||
效率 | 费用 | 效率 | 费用 | |||||
回收技术 | 吸附 | 中 | 中 | 高 | 高 | 有机物 | 低浓度，范围广 | 吸附剂需再生处理 |
吸收 | 高 | 高 | 中 | 高 | 有机物 | 高浓度，特定范围 | 吸收剂难以选择 | |
冷凝 | 中 | 低 | 中 | 高 | 有机物 | 高浓度，单组份 | 高浓度特定组分 | |
膜 | 高 | 低 | 中 | 中 | 有机物 | 高浓度，范围广 | 作为冷凝前处理工序 | |
销毁技术 | 燃烧 | 高 | 高 | 高 | 高 | CO2,H2O | 高浓度，范围广 | 易产生有毒中间产物 |
光催化 | 高 | 中 | 中 | 中 | CO2,H2O | 高浓度，范围广 | 催化剂难固定，失活 | |
生物 | 低 | 低 | 高 | 低 | CO2,H2O | 低浓度，范围广 | 对温度湿度变化灵敏 | |
等离子体 | 中 | 中 | 高 | 低 | CO2,H2O | 低浓度，范围广 | 电源要求高，有毒产物 | |
VOC处理工艺对比(不考虑进风风机运行成本)
处理工艺名称 | 工艺处理原理 | 适用范围 | 去除效率 | 使用寿命 | 进风量及浓度 | 投资 | 运行成本 （电按1元/度 天然气按3.5元/m³计） | 维护与安全 | 备注 |
活性炭吸附 | 利用活性炭吸附性能对有机物进行吸附
| ＜5000m³ VOC总量小的废气处理 | ＞90% ≤20mg/m³ | 活性炭一般设计使用寿命为15-60天 | 10000m³/h VOC 200mg/m³ | 6万左右 | 按照活性炭6000元/吨，60天更换计算，每天工作8h， 每天运行成本480元/天 | 更换更换活性炭操作繁琐；安全性能高 | 需活性炭4.8t，定期更换活性炭计为成本费用，活性碳直接吸附工艺目前已被淘汰。 |
低温等离子 | 利用电子束，瞬时产生的能量对有机分子进行分解 | 适用于大风量VOC小于300mg/m³废气处理 | ＞50% ≤100mg/m³
| 3-5年 | 110000m³/h VOC 200mg/m³ | 8万左右 | 按照每天工作8小时计算，1.6元/h。每天运行费用12.8元/天
| 定期清理简单；安全性能高 | 装机功率2-6kw，实际使用效能80%计1.6kw可按照风量叠加成本 |
UV光催化氧化 | 利用紫外光特定波段产生能量对有机分子进行分解 | 适用于大风量VOC小于300mg/m³废气处理 | ＞50% ≤100mg/m³ | 1-3年 灯管使用寿命8000-12000小时 | 10000m³/h VOC 200mg/m³ | 9万左右 | 照每天工作8小时计算，6元/h。每天运行费用48元/天
| 更换更换紫外灯操作繁琐；安全性能高 | 装机功率6-15kw，可按照风量叠加成本 |
RCO活性炭吸附脱附催化燃烧 | 利用活性炭吸附后，解析活性炭中的有机物，并引到催化燃烧室在280-370摄氏度与催化剂的作用对有机分子进行降解 | 适用于小风量VOC小于300-500mg/m³废气处理 | ＞95% ≤10mg/m³ | 活性炭2-3年，催化剂14400小时 | 10000m³/h VOC 200mg/m³ | 50万左右 | 4-8元/h 实际运行中加热过程要考虑预热回用，因此实际运行费用要低一些。 每天运行费用64元/天 | 更换活性炭和催化剂操作繁琐，设备多维护费用高；安全存在风险 | 活性炭工艺吸附后，脱附时产生费用，活性炭填充量3.6t，一般脱附时间为1个小时，燃烧室装机功率在17.2KW左右，预热到280-370摄氏度左右后，填充量0.3 15万/m³ 14400小时更换，按照每天正常脱附1-4次，按照脱附时间2次计算，活性炭更换费用不考虑计算。 成本不需叠加。 |
RTO燃烧 | 利用天然气再800摄氏度高温对有机物进行燃烧降解 | 适用于小风量VOC300-2000mg/m³废气处理 | ＞98% ≤4mg/m³ | 3-10年 | 10000m³/h VOC 200mg/m³ | 200万左右 | 100元/h 根据废气浓度低需要天然气一直补充，一般按照空塔燃烧100元/h计算 每天工作8h，每天运行费用为800元/天 | 设备多维护费用高，安全存在风险 | 根据废气浓度计算，一般采用天然气空燃，每小时运行成本在100元，废气浓度居中一般天然气运行费用在30-50元/小时，浓度高经过预热到800摄氏度后可自行燃烧时，无需添加天然气，运行成本很低，只需考虑燃烧后气体降温循环泵2.2kw费用，一般起燃升温时大概1小时内，运行成本最高。 |
火炬燃烧 | 利用天然直接燃烧降解 | 适用于小风量VOC300-2000mg/m³废气处理 | ＞96% ≤8mg/m³ | 5-10年 | 10000m³/h VOC 200mg/m³ | 50万左右 | 100元/h每天工作8h，每天运行费用为800元/天 | 设备多维护费用高，安全存在风险 | 采用天然气直接燃烧。成本不需叠加。 |
VOC处理设备运行成本(不考虑进风风机成本)
名称 | 风量 | 运行成本 （电按照1元/度 天然气按照3.5元/m³计算） | 备注 |
低温等离子 | 10000m³/h | 1.6元/h | 装机功率2kw，实际使用效能80%计1.6kw可按照风量叠加成本 |
UV光催化氧化 | 10000m³/h | 6-9元/h | 装机功率6-9kw，可按照风量叠加成本 |
RCO活性炭吸附脱附催化燃烧 | 10000m³/h | 4.5元/h 实际运行中加热过程要考虑预热回用，因此实际运行费用要低一些。 | 活性炭工艺吸附后，脱附时产生费用，一般脱附时间为1个小时，燃烧室装机功率在17.2KW左右（脱附风机7.5kw，加热功率7.5kw、冷却风机2.2kw），预热到280-370摄氏度左右后，填充量0.3 15万/m³ 14400小时更换，按照每天正常脱附1-4次，按照脱附时间2次计算，活性炭更换费用不考虑计算。 成本不需叠加。 |
RTO燃烧 | 10000m³/h | 2.2-100元/h 根据废气浓度得出运行成本，浓度越低用天然气量越大，运行成本越高，浓度越高，运行成本越低，行业一般水平30-50元/小时，空塔燃烧100元/h | 根据废气浓度计算，一般采用天然气空燃，每小时运行成本在100元，废气浓度居中一般天然气运行费用在30-50元/小时，浓度高经过预热到800摄氏度后可自行燃烧时，无需添加天然气，运行成本很低，只需考虑燃烧后气体降温循环泵2.2kw费用，一般起燃升温时大概1小时内，运行成本最高。 根据风量及浓度确定天然气使用量来确定运行成本。 |
火炬燃烧 | 10000m³/h | 100元/h | 采用天然气直接燃烧。成本不需叠加。 |
来源 | 生态环境部
编辑 | 环小云.环评互联网
声明：本号对转载、分享、陈述、观点保持中立，目的仅在于传递更多信息，版权归原作者所有。如涉及作品版权问题，请与本公众号后台联系，我们将尽快删除内容！