典型化工园区VOCs排放控制技术的评价

李佳羽，刘利民，韩建华，纪红兵，（中山大学惠州研究院，广东 惠州5608；中山大学化学与化学工程学院，广东 广州5075）



典型化工园区VOCs排放控制技术的评价

李佳羽1，刘利民1，韩建华2，纪红兵1，2
（1中山大学惠州研究院，广东 惠州516081；2中山大学化学与化学工程学院，广东 广州510275）

第一作者：李佳羽（1993—），女，学士。联系人：纪红兵，教授，博士生导师，研究方向为绿色化工技术和化工园区管理。E-mail jihb@mail. sysu.edu.cn。

摘要：随着化工园区挥发性有机物（VOCs）排放问题越来越受关注，化工园区VOCs排放控制技术的选择需要科学合理、客观公正的评价指标体系和评价方法。本文基于层次分析法研究VOCs排放控制技术评价指标体系的构建以及评价的方法，针对石油化工型这类典型化工园区分析了行业分布及VOCs排放特点，阐述筛选备选评价技术的方法以及评价指标权重确定的步骤，最后结合实例验证了方法。典型化工园区VOCs控制技术评价指标体系涉及技术、经济和环境影响三方面共8个指标，普遍适用于典型化工园区内企业；评价指标权重的确定需要构建各层次判断矩阵计算特征根和特征向量，一致性检验等步骤，进行层次间指标总排序得出所有指标因素对目标层的指标权重；以惠州大亚湾石化区某企业为例实施评价，结果表明，沸石转轮浓缩燃烧＞活性炭浓缩燃烧＞蓄热式燃烧，沸石转轮浓缩燃烧综合评价值较高，为最优控制技术。

关键词：化工园区；挥发性有机物；排放控制技术；评价指标体系；层次分析法

化工园区在国际上通常是指在符合一定的自然资源和环境条件要求的特定区域内，依靠主要消费区和资源来源地，占有充足的水源保证或有较强自净能力的纳污水域，且交通条件便利、物流发达、配套产业比较完善的地区，以石化化工产业为纽带形成的加工体系匹配、产业联系紧密、原料互供、物流成熟完善、公用工程专用、环境污染统一治理、管理统一规范、资源利用高效的产业聚集地[1]。随着我国化工园区数目的迅速增加，化工园区环境生态问题日益凸显，园区内企业排放挥发性有机物（VOCs）引起的环境问题越来越受人们的关注。

我国对VOCs可以定义为参与大气光化学反应的有机化合物或者根据规定的方法测量或核算确定的有机化合物，是大气复合污染物的重要前体和参与物。化工园区内企业大都属石油化工、生物化工、精细化工行业[2]，生产工艺复杂导致VOCs排放污染物种类多、成分复杂；同时由于缺乏严谨的管理体系，基础工作和监管能力不足，导致VOCs污染防治困难重重。

目前随着社会各界对有机废气污染的关注程度日益提高，VOCs治理技术也得到迅速发展。吸附技术、催化燃烧技术和热力焚烧技术是传统的有机废气治理技术，也是目前应用最为广泛的VOCs治理技术。吸收技术由于存在二次污染和安全性差等缺点，目前在有机废气治理中已经较少使用。冷凝技术只是在极高浓度下直接使用才有意义，通常作为吸附技术或催化燃烧技术等的辅助手段使用。生物法净化技术较早被应用于有机废气的净化，目前技术上比较成熟，可应用于低浓度有机废气和恶臭治理。等离子体破坏技术近年来已经相对发展成熟，并在低浓度有机废气治理中得到了应用；光催化技术和膜分离技术在大气量的有机废气治理中尚没有实际应用。吸附浓缩-燃烧技术、吸附浓缩-冷凝回收技术、等离子体加光催化复合净化技术等组合工艺得到迅速发展[3]。各种技术有不同的特点和有效适用范围，如何评价并选择最佳的排放控制技术是亟待解决的问题。

对比欧盟按照《综合污染预防与控制第96/61/EC号指令》来确定最佳可行技术（BAT），美国对创新技术采用环境技术认证（ETV）评价系统，我国污染物排放控制技术评价存在以下问题：缺乏科学客观、合理公正的评价标准和评价指标体系，大部分的污染物排放控制技术指标体系是针对烟气脱硫脱销技术和水污染防治的，评价指标体系不完整、系统性不强。而且截止目前为止，我国尚未开展针对各类VOCs的控制技术应用和运行情况的系统调查，也缺乏关于VOCs控制技术评价方法和评价指标的研究[4]。故本文针对典型化工园区探索一种科学合理的VOCs排放控制技术评价方法，结合实例综合考虑技术、经济以及环境影响对备选控制技术开展评价工作，为化工园区企业选择经济可行、技术可靠的VOCs排放控制技术提供依据，对我国建立VOCs排放控制管理体系具有重要意义。

1　评价方法和评价步骤

层次分析法将一个复杂的多目标决策问题作为一个系统，将目标分解为多个目标或准则，进一步分解为多指标（或准则）的若干层次，这个过程称为构造递阶层次结构。对两两指标之间的重要程度作出比较判断，建立判断矩阵，通过计算判断矩阵的最大特征值以及对应特征向量，求得各元素对上一层次元素的权重系数，最后再加权和的方法算出各备选方案重要性程度的权重即为综合评价值，最终综合评价值最大者即为最优方案[5]。有n项评价指标的综合模型如式(1)。

式中，yi为第i（i=1，2，3…，n）个备选方案的综合评价值；wj是评价指标 xj的权重系数（wj≥0，Σwj=1）；xij为第i个备选方案的第j项指标值。

层次分析法要求建立递阶层次结构，反映了各因素之间相互关系及对目标的影响关系，量化了每个因素对目标的影响程度，使分析决策更清晰有条理，具有系统性；简单实用，通过各元素之间两两比较、倍数关系，直观简单地判断元素之间的优劣，进一步通过成对比较矩阵判断多个因素之间的关系。层次分析法是定量与定性相结合的决策分析方法，可以综合考虑各方面的因素，逐层分析后综合评价判断，从而得到一个既定量化又较符合实际的评价结果，故选择层次分析法作为VOCs排放控制技术评价的方法。

为了使评价过程科学客观，首先要对化工园区VOCs排放现状进行调查研究，针对行业VOCs污染物排放特征和理化性质筛选符合应用背景条件的排放控制技术进行评价。客观构建评价指标体系还要充分了解不同相关人员（如决策者、运营者、公众）对各指标的关注程度，按照层次分析法排出各备选评价技术的优劣顺序，选出最佳控制技术，具体评价步骤如图1所示。

图1　VOCs排放控制技术评价步骤

2　典型化工园区VOCs排放分析

2.1主要行业分布及VOCs排放特征

目前全国重点化工园区或以石油和化工为主导产业的工业园区共有381家，其中国家级38家，省级221家，市级118家，产值达5万亿元，占全行业产值的44％。以惠州大亚湾石化区为例，其产业链现状是以炼油、乙烯为龙头，以C2、C3、C4及芳烃链为主线的石油化工产业链。规划到2020年，经过一系列规划项目的实施和开发建设，总体规模达到炼油4000万吨/年、乙烯350万吨/年、芳烃200万吨/年，将惠州大亚湾石化区建设成为以炼油、石化深加工为主，精细化工为辅，物流及公用工程配套齐全的生态工业园区。惠州大亚湾石化区企业涉及的行业以炼油和石化为主，并涵盖化学仓储、喷涂、印刷等行业。此外，上海市现有石化、化工基地涵盖了石油化工、煤化工、精细化工、化工原料等行业；南京化工园区重点发展石油与天然气化工、基本有机化工原料、精细化工、高分子材料、生命医药、新型化工材料等六大领域产品。这类以大规模炼油、乙烯装置为龙头，以产业和产品链的衔接为纽带的典型化工园区，行业分布集中在石油炼制、石油化工、化学原料生产、制药、包装印刷、涂料油墨工业。分析典型化工园区行业分布及VOCs排放特征，有利于对园区内企业具体实施评价时，筛选可行的备选评价技术及构建涵盖化工园区共性的评价指标体系。表1是国内学者目前研究的各行业VOCs排放特征[6]。

2.2备选评价技术筛选

表1　行业VOCs排放特征

VOCs的浓度及成分是影响控制技术选择的重要因素，根据环保部发布的VOCs污染防治技术政策，不同浓度及成分VOCs排放控制技术的选择如表2所示。典型化工园区内企业实施评价筛选备选评价技术，要针对行业分析不同生产工艺过程的排放环节及成分、浓度等参数。

石化区VOCs排放具有污染源分布广、成分复杂、排放量大的特点，其主要排放环节有工艺尾气、装置设备泄漏、储罐排放、污水处理厂等散发的恶臭气体以及轻质油品及挥发性化学药剂和溶剂贮存过程中的逸散等[7]。现有的排放控制技术有吸附、吸收、冷凝、膜分离油气回收、催化燃烧、热力焚烧、泄漏检测与修复（LDAR）。在石化行业VOCs排放控制技术评价筛选备选技术时，针对不同的生产工艺过程了解废气成分和浓度等信息，对现有排放控制技术进行筛选，例如没有回收价值或低浓度废气，不宜考虑冷凝、膜分离等回收方法，筛选后备选评价技术应为吸附、吸收、催化燃烧、热力焚烧等。

表2　VOCs不同浓度及成分末端治理技术的选择表

3　基于层次分析法构建评价指标体系

3.1构建原则

①科学性原则，VOCs排放控制技术指标体系要以科学理论为依据，选取具有合理典型的具体指标；全面性原则，VOCs排放控制技术评价指标体系不仅要考虑技术和经济两方面的因素，也要考虑对环境产生影响的环境影响因素。②独立性原则，在构建评价指标体系过程中，各指标不应有包含、换算或替代的关系。③层次性原则，根据影响类别设置分层级次，层次之间关系明确，权重合理。④可操作性原则，在基本满足给出决策所需信息求和评价要的前提下，挑选易于计算、容易获取、具有普适性、代表性的指标，尽量减少指标个数，使指标体系具有较高的可操作性和使用价值。⑤定性与定量相结合原则，目前许多评价指标体系使用过程中主要通过专家学者打分进行定性评价，往往不能客观反映真实情况，应增加能够较为全面评价的量化指标。

3.2构建内容

评价指标体系既要体现技术选择的合理性，又要体现技术应用的经济性以及对环境的影响，同时既要有定性评估的指标，也要有定量评估的指标。基于目前污染物排放控制技术评价的研究[4，8-10]，可选择技术性、经济性和环境影响作为一级指标，并从评价的可操作性角度选择了去除率、排放控制水平、技术成熟度等二级指标。对化工园区内不同行业不同生产工艺过程评价，建立二级、三级及更下一级评价指标时，可参考相关标准或根据工作需要进行适当增减。

典型化工园区VOCs排放控制技术评价指标体系层次结构见图2。

评价指标体系中各指标名称的定义和性质见表3。

4　评价指标权重的确定

通过专家学者打分的形式，采用1～9及其倒数的倍数方法，判断各指标因素相对重要性（或优劣、偏好、强度等），按照表4定义的比例标度对相对重要性赋值形成矩阵，计算特征根和特征向量。

根据专家打分结果构建各层的判断矩阵见式(2)。

可采用方根法计算判断矩阵B的最大特征根lmax，以及对应的经归一化后的特征向量W=(w1,w2…wn)T，单层次排序及一致性检验具体计算过程如下。

① 判断矩阵各元素按行相乘

图2　典型化工园区VOCs排放控制技术评价指标体系

表3　评价指标名称、定义

表4　标度的含义

③将方根向量归一化的所求特征向量

可见，例中矩阵B具有满意的一致性。故所求得特征向量W=[0.105，0.637，0.258]即为该层次各指标因素的权重。对于多层次的决策问题还需要对各层次进行层次总排序及一致性检验，获得最底层因素对目标层的组合权重，如表6所示。

表5　R.I.取值

表6　层次总排序表

为评价总排序的计算结果的一致性，需要计算与单排序类似的检验：

5　评价案例

以大亚湾石化区某企业为例，进行VOCs排放控制技术评价。某企业隶属于化工原料生产行业，废气特点是中低浓度、大风量（20000m3/h），废气成分无回收价值，根据其生产工艺和污染物排放环节（图3），拟定活性炭浓缩燃烧、沸石转轮浓缩燃烧及蓄热式燃烧为备选评价技术。某企业有机废气处理要求达到排放标准，在保证净化要求的前提下做到节省投资，选择的控制技术既有合理性又具有先进性以保证运行管理简便灵活。

目前对VOCs排放控制技术无统一的评价标准，通过大量文献资料的查阅并参考实际工程实施应用情况，针对某企业废气排放情况，各备选评价技术指标对比情况见表7。

评价指标体系如图2建立，借助于1～9标度，参考专家打分赋值结果，其中评价指标权重的确定，按照层次分析法构建判断矩阵并进行一致性检验结果见表8，层次总排序得到最终权重结果见表9，各备选评价技术对应各个具体评价指标的权重见表10。

图3　某企业生产工艺及污染物排放环节

表7　针对某企业各备选评价技术指标对比

表8　判断矩阵的构建及一致性检验结果

表9　VOCs排放控制技术评价指标权重

表10　备选评价技术对应子准则层指标值

层次总排序一致性检验：C.I=0.0236，R.I=0.48，C.R.=0.0492<0.1，结果具有满意一致性。

按式（1）计算各个备选评价技术的综合评价值，最终结果如表11所示。

由表11可知，根据综合评价结果，某企业3 种VOCs排放控制技术的排序是沸石转轮浓缩燃烧＞活性炭浓缩燃烧＞蓄热式燃烧，与该企业实际选择的VOCs排放控制技术相符。从表9指标权重的结果可见影响较大的指标是工程投资、运行成本、去除率，可见该评价指标体系更看重经济性和去除率对技术选择的影响，如果企业资金不足，则可以考虑工程投资和运行成本较低的次优技术——活性炭浓缩燃烧。总而言之，控制技术的选择可参考评价结果考虑各个因素，根据侧重因素的不同，选择最适合实施应用的技术。

表11　VOCs排放控制技术综合评价结果

6　结语

本文针对典型化工园区VOCs排放背景，通过文献调研结合了水污染防治技术、烟气脱硫脱销技术等评价指标体系构建和评价方法的研究成果，考虑了技术、经济和环境因素，基于层次分析法系统地构建了典型化工园区VOCs排放控制技术评价指标体系，为典型化工园区VOCs排放控制技术的评价、筛选和应用推广提供了直观有效的科学方法，通过实例也验证了本文方法的可行性。同时，本文的评价指标体系有适应性和扩展性，可以结合实际情况对评价指标体系进行调整，具有较强的可操作性。实际工程中对VOCs的排放控制还有其他复杂的因素，比如源头及过程控制措施、收集装置的改进等，评价结果可作为参考来对比不同控制技术的不足之处，结合其他过程控制做出最适合应用的VOCs排放控制技术。

参考文献

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产品与市场

Evaluation of VOCs emission control technologies in typical chemical industry park

LI Jiayu1，LIU Limin1，HAN Jianhua2，JI Hongbing1，2
（1Huizhou Research Institute of Sun Yat-sen University，Huizhou 516081，Guangdong，China；2School of Chemistry and Chemical Engineering，Sun Yat-sen University，Guangzhou 510275，Guangdong，China）

Abstract：As volatile organic compounds(VOCs) emission problems of chemical industry park has attracted more and more attention，the choice of VOCs emission control technology in chemical industry park needs scientific，rational，objective and fair evaluation index system and assessment methods. An evaluation index system for VOCs emission control technology based on analytic hierarchy process was developed. For a typical chemical industry park，such as petrochemical industry，the industry distribution and VOCs emission characteristics were analyzed，and screening method of alternative technologies and determination of evaluation index weight were presented. An example to verify the method was also given. Evaluation index system of VOCs emission control technologies in a typical chemical industry park involving eight indexes could be applicable to enterprises in the typical chemical industrial park. The evaluation index system was comprehensive，qualitative and quantitative. A judgment matrix was constructed to calculate the eigenvalues of the matrix and vector features，consistency check was made，and then overall ranking of inter-level indicators was made to determine the weights of all index factors relative to the objective level. Finally，Huizhou Daya Bay Petrochemical Zone was taken as an example. The preferred selection was in the following order：Rotary zeolite adsorption-concentration and combustion＞Granular carbon adsorption-concentration and combustion＞Regenerative combustion. Rotary zeolite adsorption-concentration and combustion was selected as the best available technology due to its highest weight among those technologies.

Key words：chemical industry park；volatile organic compounds(VOCs)；emission control technology; evaluation index system；analytic hierarchy process

收稿日期：2016-01-07。

基金项目：广东省自然科学基金重大基础研究培育项目（2014A030308012）。

中图分类号：X 51

文献标志码：A

文章编号：1000–6613（2016）04–1250–07

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.04.045