有机废气处理工艺选择

蔡炳良

（浙江环耀环境建设有限公司，杭州 310012）

有机废气处理工艺选择

蔡炳良

（浙江环耀环境建设有限公司，杭州 310012）

介绍了挥发性有机化合物的定义，分析了不同行业的有机废气主要污染物，对目前主要有机废气处理工艺进行了概括性描述，重点分析了根据有机废气不同的工况条件如何选择一个安全、有效、稳定、经济、合理的处理工艺。

有机废气；挥发性有机化合物；非甲烷总烃

1 引言

有机废气主要代表污染物

挥发性有机化合物，通常是指在环境条件下容易蒸发或挥发的有机化合物。目前，对挥发性有机化合物的定义尚无统一的定义，许多国家或地区的定义是按沸点和一定温度下的蒸气压数据来限定，如澳大利亚、瑞士、德国、欧盟等。还有一些国家按是否发生光化学反应来限定，如美国[1]。

从我国近几年发布的相关国家标准看，倾向于定义挥发性有机化合物是指参与大气光化学反应的有机化合物，或根据规定的方法测量或核算确定的有机化合物，简称VOCs[2]。1）用于核算或备案的VOCs指20℃时蒸气压不小于10Pa或者101.325kPa标准大气压下，沸点不高于260℃的有机化合物或实际生产条件下具有以上相应挥发性的有机化合物（甲烷除外）的统称；2）以非甲烷总烃（NMHC）作为排气筒、厂界大气污染物监控、厂区内大气污染物监控点以及污染物控制设施去除效率的挥发性有机化合物的综合性控制指标[3]。

VOCs的种类有很多，如脂肪烃、芳香烃、卤代烃、醇、醛、酮、酯等（见下表）。主要来源于石油化工、制药、印刷、喷漆等行业生产过程中所排放的废气[4]。VOCs中的许多物质对人体和各种感官有刺激作用，且具有一定的毒性，有些会产生致癌、致畸、致突变的“三致”效应。对环境安全和人类生存产生极大的危害[5]。

石化、涂布、喷漆、合成革、包装印刷和制药等行业都是有机废气的主要来源。在不同行业的生产过程中：生产装置，储罐呼吸，原料、产品装卸，有机液体、气体采样放空，法兰、阀门、设备密封泄漏，废水集输和处理系统等都有可能产生含有有机物的气体。不同行业主要污染物如下：

涂布行业污染物主要来自涂层剂，溶剂型涂层在进行涂层加工时要采用乙酸乙酯、二甲基甲酰胺（DMF）、丁酮、甲苯、异丙醇等有机溶剂作为介质。

喷漆行业主要污染物是甲苯、二甲苯、乙酸丁酯、丁醇等。

合成革行业的污染物主要是DMF、甲苯、丙酮、丁酮、乙酸甲酯、乙酸丁酯、环己酮等，尾气风量大、高含湿、含有大量不溶于水的甲苯、丁酮等VOCs；另外，废气经喷淋塔吸收后水中含有相当量的DMF，这些废水最后经DMF精制回收系统处理，产生的尾气中含有大量二甲胺，具有强烈的腥臭味，对环境造成二次污染。

包装印刷溶剂型油墨一般由染料、连接料溶剂、填充料和辅助剂组成，油墨的主要污染物有：异丙醇、苯、二甲苯、乙酸乙酯、丙烯酸、丙酮等；纸箱行业的气体主要污染物有：乙酸正丙酯、甲苯、乙酸乙酯及丁酮等；复合食品包装膜的气体主要污染物有：乙酸乙酯等；聚乙烯吹塑袋的气体主要污染物有：乙酸正丙酯、甲苯、乙酸乙酯及丁酮等。

化学合成制药行业在反应体系溶解、分离提纯等过程广泛使用二氯甲烷、二氯乙烷、丙酮、甲醇、乙腈、苯等易挥发有机溶剂 。

橡胶制品是指以橡胶为原材料加工制得的成品，为建筑、机械、电子、医药、汽车等行业提供需要橡胶产品，橡胶制品生产中主要污染物为苯、甲苯、二甲苯、甲酚等。

2 有机废气工况特征

由于有机废气来源广泛，成分复杂，条件多样，导致有机废气工况情况差别也很大，主要工况特征如下：

1）组分种类多样：常见的有机化合物有100多种，在不同生产过程中都可能存在，并且各个化合物的物理和化学性质差异较大；2）多组分复杂体系：在大多数情况下，污染物是以多组分混合物的形式排放，部分组分之间还可能存在协同作用；3）排放行业众多：涉及的行业有上百个，主要行业也有几十个；4）排放条件复杂：温度、湿度、压力、颗粒物等情况各不相同；5）排放点多样：排放点源多而分散，无组织排放情况严重。

3 常用废气处理工艺

VOCs控制技术主要通过生产过程控制、产品替代、末端控制，同时结合检测技术，实现全面的控制（如图1）。其中生产过程控制和产品替代与行业和工艺生产过程密切相关。本文主要介绍末端控制工艺。

由于有机废气污染物种类繁多，特性各异，因此相应采用的末端控制工艺也各不相同，目前常用的有：吸收法、吸附法、冷凝法、生物法、燃烧法等；近年来，国外也发展出一些新的工艺技术如光催化、低温等离子法等。

图1 有机废气处理工艺分类

3.1 吸收法

吸收法可分为化学吸收和物理吸收，化学吸收是利用化学反应而实现吸收的过程，目前采用最多的是酸/碱吸收。物理吸收要求吸收剂应具有与吸收组分有较高的亲和力，低挥发性，如要吸收剂回用，需对饱和的吸收液进行解析或精馏，目前采用最多的是以水为吸收剂，吸收废气中水溶性物质，废水排至污水处理装置。该方法常作为废气的预处理过程，用于除去废气中部分水溶性或部分酸性/碱性物质。吸收喷淋塔结构如图2。

图2 吸收喷淋塔结构示意图

3.2 吸附法

吸附法是通过多孔活性炭或活性碳纤维吸附有机物，饱和后可采用水蒸汽/热氮气等对吸附饱和的活性炭进行再生，再生时排出溶剂和水蒸汽/凝结水的混合物，经冷凝水分离后回收溶剂，适合VOCs有回收价值的场合，但运行费用较高，需要使用蒸汽/氮气且会产生一定量的废水。吸附装置结构布置如图3。

图3 吸附装置结构布置

3.3 冷凝法

冷凝法是将废气直接导入冷凝器冷凝，冷凝液经分离可回收有价值的有机物。采用冷凝法要求废气中有机物浓度高，一般有机物浓度要达到几万甚至几十万ppm，对于低浓度有机废气此法不适用。目前，此方法主要应用于油库、加油站和码头。冷凝装置三维图如图4，冷凝装置实物图如图5。

3.4 生物法

生物法是基于成熟的生物处理污水技术上发展起来的，具有能耗低、运行费用少等特点，此法在国内外都有一定规模的应用。其缺点是污染物在传质和消解过程中需要有足够的停留时间，从而增大了设备的占地，同时，由于微生物具有一定的耐冲击负荷限值，增加了整个处理系统在停启时的控制。为了弥补以上缺点，基于传统生物法，衍生出生物洗涤法和生物滴滤法。该法目前在国内污水处理站的废气除臭中有不少应用，对工业废气治理的应用较少。

3.5 燃烧法

燃烧法又称为热氧化法、热力燃烧法，是利用燃气或燃油等辅助燃料燃烧放出的热量将混合气体加热到一定温度，驻留一定的时间，使可燃的有害物质进行高温分解变为无害物质。常用的燃烧工艺又可分为催化燃烧、直接燃烧和蓄热燃烧。工艺的特点：工艺简单、去除率高，尤其对于一些复杂组分的废气处理效果较好，但一次性投资较高，适合处理中等浓度废气。蓄热式燃烧（RTO）工艺流程如图6。

图4 冷凝装置三维图

图6 蓄热式燃烧（RTO）工艺流程

图5 冷凝装置实物图

4 有机废气处理工艺选择

由于有机废气工况复杂，处理方法也多种多样，导致根据不同的工况选用最为合适的处理工艺（单一或组合工艺）成为重要并困难的事情。本文从不同角度对有机废气处理工艺选择进行分析。

4.1 按风量选择

一般情况下，风量在1000Nm3/h以内的可采用吸附或冷凝回收法；风量在1000~100,000Nm3/h的可采用吸附法、生物法或燃烧法；风量在100,000Nm3/h以上的建议采用转轮或活性炭浓缩后处理。风量与处理工艺的关系见图7。

图7 风量与处理工艺的关系

4.2 按浓度选择

根据有机废气浓度分为低浓度、中等浓度和高浓度，低浓度适合采用生物法、低温等离子、光催化等工艺，因为此几种工艺在浓度较高时处理效率会下降；中等浓度废气适合采用活性炭吸附回收、热力燃烧法，进入处理装置的废气浓度必须低于爆炸下限25%；高浓度能采用冷凝或直接燃烧（TO）。浓度与处理工艺的关系见图8。

图8 浓度与处理工艺的关系

4.3 按组分选择

以水溶性组分为主可采用吸收法，但后端需设置分离或废水处理设备；废气组分具有一定的经济回收价值，易采用碳纤维或炭颗粒吸附-脱附回收法；组分沸点高，容易通过降低温度冷凝回收的可考虑通过泠凝法回收部分组分；硫化氢、硫醇、硫醚等含硫化合物在浓度较低的情况下也存在较大的臭味，特别适合采用生物法；在废气组分特别复杂且去除率均要求较高时适宜采用热力氧化法。

组分中含有高沸点难脱附组分不易选用吸附-脱附回收法，会导致吸附剂难以再生，吸附效率下降很快，更换频繁；含有高浓度的可转化有机酸的物质（如氯、氟、硫和卤素）时不能采用RTO、RCO或CO等热力燃烧法，会有产生二英问题，且对设备会造成严重的腐蚀或令催化剂中毒。当有机废气中含有微小颗粒或油雾时，需要在处理装置前设置预处理设备，同时要对预处理设备经常维护和更换。

4.4 按温度选择

由于温度越高越不利于吸收或吸附（一般需低于40℃），高温不适合采用吸收法或吸附法，如要采用，需经过降温处理。

冷凝法是采用压缩机制冷降温，能耗较高，来气温度越低，越有利于后端制冷机组的节能，所以，来气建议采用冷却水或冷冻水降温后进入后端制冷机组。

生物法对废气的温度十分敏感，温度变化可能会导致大量生物死亡，故在温度过高或温度不稳定的情况下，不建议采用生物法。

适当的温度对热力燃烧工艺是有利的，能降低整体的能耗。但待处理有机废气的温度在300℃以上时，是不适合采用蓄热式系统（RTO）的，这是因为高温的待处理有机废气会大大降低换向阀的可靠性和寿命。另外，在高温时, 建造RTO的高成本也不足以抵消在节省燃料和电力消耗所带来的好处。如果待处理有机废气的温度超过500℃，采用蓄热式系统（RTO）不如采用直燃式焚烧系统，因为在燃料消耗的差距太小，不足以抵消增加的热回收器带来的投资成本。

4.5 按湿度选择

废气湿度越大越不利于吸附过程，所有进入炭颗粒、碳纤维或转轮的废气湿度需在控制范围内，进入转轮的相对湿度一般需要控制在90%内。过大的湿度对采用热力燃烧的能耗控制不利，故在湿度特别大的情况下，在选用吸附或热力燃烧工艺时需特别注意。

4.6 按排放方式选择

废气排放方式主要有两种：连续排放和间歇排放。一般吸收法、吸附法、生物法、冷凝法均比较适合在连续状态下运行，但短时间停止运行不会有太大影响。燃烧法最好连续运行，间歇运行的能耗高，不经济。

4.7 其他

除了考虑以上因素外，还需结合设备运行安全性、可布置面积、公用条件（水、电、蒸气、氮气等）、投资、运行费用等情况综合考虑。

5 结论

对于有机废气处理，合理的工艺选择必须是能满足装置稳定运行和长期达标排放的条件，同时，也应该从一次性投资、运行费用、操作的难易程度等方面为客户考虑。应根据有机废气不同的工况条件，选择一个兼具安全性、有效性、稳定性、经济性、合理性的处理工艺。

[1] 陆震维.有机废气净化技术[M].北京：化工工业出版社，2011，3.

[2] 环境保护部，国家质量监督检验检疫总局.石油炼制工业污染物排放标准[S].2015.

[3] 上海环境保护局，上海市质量技术监督局.大气污染物综合排放标准（上海市）[S]. 2015.

[4] 白烨，毛鹤群.浅谈有机废气的危害及治理方法[J].资源节约与环保，2015（6）：123.

[5] 赵琳，张英锋，李荣焕，马子川.VOC的危害及回收与处理技术[J].化学与社会，2015（1）.

Selection of Treatment Process for Organic Waste Gas

CAI Bing-liang

(Zhejiang Huanyao Environmental Construction Co., Ltd, Hangzhou 310012, China)

The paper introduces the definition of volatile organic compounds, analyzes the main pollutants of organic waste gases in different industries, and gives a general description of the main treatment processes of organic waste gases.The paper also puts emphasis upon how to select a safe, effective, stable, economical and reasonable treatment process in accordance with the different working conditions of organic waste gas.

organic waste gas; volatile organic compounds (VOCs); NMHC

X701

A

1006-5377（2017）10-0057-05