某工业区VOCs典型末端治理方法应用状况分析

上海市环境科学研究院 费波，杨超

当前，我国以细颗粒物（PM2.5）和臭氧（O3）为特征污染物的大气复合污染形势依然严峻[1-2]。挥发性有机物（volatile organic compounds，VOCs）作为形成O3和PM2.5的重要前体物，是导致大气复合污染形势日益严峻的主要诱因之一[3-4]。VOCs的来源，主要包括人为源和自然源[5]。其中，工业源是人为源中环境空气VOCs的主要贡献源之一[6]。研究[7]表明，我国工业源VOCs排放对人为源的贡献高达50%以上，工业源VOCs还具有涉及行业多、生产工艺繁、原辅料种类多样、废气排放组分不一、大气光化学反应活性强等特点[8]。工业源VOCs排放贡献较大的区域主要集中在京津冀、珠三角、长三角等发达地区[9]。《2020年挥发性有机物治理攻坚方案》等文件中均提出了综合整治重点行业高VOCs排放问题，并要求持续推进工业源VOCs管控与治理工作。

安装VOCs末端治理设施，对各排放环节VOCs进行收集处理、达标排放，是当前管控工业源VOCs排放的主要方法之一。目前应用较为广泛的VOCs治理技术主要包括吸附、吸收、热氧化、燃烧、冷凝及以上技术的优化组合等。近些年，国内较多研究[10]根据VOCs管控技术特点、治理技术应用情况、VOCs排放特征及治理现状等因素。探讨了不同治理技术对VOCs的治理效果。为进一步研究各类VOCs治理技术的实际去除效果及应用现状，综合考虑行业企业生产过程中VOCs排放组分复杂、排放浓度变化剧烈等因素。对企业正常生产情况下开展VOCs治理技术效果实测研究，应掌握当前主流VOCs治理技术应用现状尤为重要。研究聚焦某工业区，基于区内行业VOCs治理技术应用情况调研数据。聚焦区内涂料油墨制造、汽车及零部件制造、机械制造及包装印刷4大行业，选取13家企业6种典型VOCs治理技术处理效果开展现场实测，对比各类技术对VOCs的处理效果，且分析技术适用性，并从经济性、适用性等方面进行分析评估，以期为工业源VOCs污染管控技术的选择提供参考借鉴。

一、材料与方法

（一）研究对象

对某工业区进行实地调研发现，区内所有企业VOCs末端治理设施安装率达100%。应用较为广泛的技术包括，活性炭吸附、活性炭吸附+催化氧化（CO）、蓄热式热力氧化技术（RTO）、沸石转轮+RTO及沸石转轮+CO等。为进一步调查研究，区内涂料油墨制造、汽车及零部件制造、机械制造及包装印刷4大行业企业数量合计占比75%、排放贡献率高达80%以上，因此，主要选择区内以上4个行业作为研究对象。选取安装活性炭吸附、活性炭吸附+CO、RTO、沸石转轮+RTO、沸石转轮+CO及低温冷凝等治理技术的多家企业末端治理装置。在其治理设施前后采样口进行现场测试分析。

（二）检测仪器及方法

VOCs治理装置排口浓度连续检测使用德国JUM3-900 109A非甲烷总烃分析仪，风向风速的测定选用三杯风速仪。现场实测行业企业具体信息如表1所示。

表1 VOCs治理设施现场检测基础信息

（三）质量控制和质量保证

为确保企业数据的可靠性，检测在企业生产负荷不低于75%的条件下进行。另一方面，为保证德国JUM3-900 109A非甲烷总烃分析仪检测的规范性及数据的有效性，检测工作开始前需对仪器进行校准。并采用99.9%高纯度氮气对仪器进行零点标定，选用100ppm甲烷对仪器进行标气标定。

二、结果与讨论

（一）典型行业VOCs排放特征及治理技术应用现状

涂料油墨制造、机械制造、汽车及零部件制造及包装印刷4个行业VOCs主要排放特征如下表2所示。除涂料油墨制造行业外，其余3个行业属于典型的溶剂使用行业。由下表可知，不同行业VOCs排放环节、排放特点差异较大。这主要由行业生产工艺过程决定。不同行业排放废气主要组分也有所差异。但主要都包含苯系物、醇类、酮类、醛类、酯类等，这可能与行业原辅材料类别及生产的产品有关。基于调研的4个重点行业，有13家典型企业VOCs治理应用不同治理技术的现状如图1所示。这其中，沸石转轮+RTO治理技术应用最广，占比46%；其次为活性炭吸附+CO技术，应用占比15%；活性炭吸附技术、RTO技术、沸石转轮+CO技术、活性炭吸附+低温冷凝技术应用占比相当，均为8%；旋转式RTO应用占比7%。

图1 VOCs典型治理技术应用现状

表2 典型行业VOCs排放特征及主流治理技术

（二）VOCs治理技术效果实测及分析

研究选取涂料油墨制造、机械制造、汽车及零部件制造，及包装印刷4个行业典型企业。在末端治理装置排放进出口开展VOCs处理效果现场测试，其结果如图2所示。RTO、沸石转轮+RTO、活性炭吸附+氮气脱附+低温冷凝及沸石转轮+CO技术，对VOCs废气治理极为高效且处理效果稳定，处理效率可稳定达90%以上。

图2 不同VOCs治理技术处理效率

6种VOCs治理技术平均处理效率如下图3所示。在现场实测条件下，6种VOCs治理技术的平均处理效率，在42.5%～99.5%之间，热氧化技术处理效率普遍较高，而单一技术处理效率相较于其组合技术处理效率普遍较低。其中，RTO对VOCs的平均处理效率为95.7%，而沸石转轮+RTO组合技术对VOCs的平均处理效率最高达99.5%；沸石转轮+CO的平均处理效率达94.8%；活性炭吸附的平均处理效率为42.5%；活性炭吸附+CO的平均处理效率达89.7%；活性炭吸附+低温冷凝治理技术的平均处理效率可达91.3%。由下图可见，而多种处理技术优化组合对VOCs的去除效果要优于单一处理技术。

（三）VOCs治理技术应用讨论与建议

现场调研及实测情况表明，RTO、沸石转轮+RTO装置对废气具有较好地且稳定的处理效果，并对废气浓度波动有很强的适应性。活性炭吸附+CO装置对废气处理效果受活性炭的影响较大。根据现场调研及实测数据发现颗粒活性炭碘值较高时对VOCs吸附效果较好。活性炭吸附+氮气脱附+冷凝技术对有机废气处理效果极佳，氮气对活性炭脱附具有很好的效果。

使用物理方法，对含VOCs物料进行回收利用是最佳的控制方式。其中，吸附法和吸收法的应用较为广泛。吸附法包括颗粒活性炭吸附、碳纤维吸附、沸石分子筛吸附等；吸收法主要以低温冷凝为主，其也是高浓度、低风量VOCs废气预处理常用的方法之一。但其处理后的废气常常难以达标排放，因此常采用活性炭吸附+低温冷凝相结合的方法进行处理。

使用销毁方法将VOCs氧化分解成CO2和H2O是VOCs处理最常用的方法，通常还会将VOCs废气分解的热量进行回收利用。RTO是最常用的方法之一，其对废气的处理效率可高达99%以上。在高效处理废气的同时还能减少能源消耗；采用CO技术通过催化剂的使用可大幅降低废气热氧化温度，显著降低能源消耗。此外，通常利用沸石转轮等浓缩装置，并针对风量大、浓度低的废气，将其浓缩后再采用热氧化方式进行处理。

三、结论

（1）研究选取的4个典型行业中，沸石转轮+RTO技术处理VOCs废气应用最广，其占比为46%；其次为活性炭吸附+CO技术，应用占比为15%；活性炭吸附技术、RTO技术、沸石转轮+CO技术、活性炭吸附+低温冷凝技术应用占比相当，均为8%；旋转式RTO应用占比7%。（2）现场实测的6种VOCs主流治理技术中，沸石转轮+RTO技术处理效率最高，可达99.5%。而活性炭吸附对VOCs的平均处理效率最低，为42.5%。RTO装置对VOCs的平均处理效率为95.7%。活性炭吸附+CO装置对VOCs的平均处理效率达89.7%，活性炭吸附+低温冷凝治理技术的平均处理效率达91.3%，沸石转轮+CO处理装置对VOCs的平均处理效率可达94.8%。多种处理技术的优化组合，对VOCs的去除效果要优于单一处理技术。（3）筛选VOCs可行治理技术时，应充分了解行业企业VOCs排放特征。对治理手段开展技术适用性、运行稳定性、经济效益性等方面综合考量评估。在VOCs高效治理的同时，应考虑到政府监管能力、企业运营成本及区域大气污染物排放政策，从而兼顾社会、环保、经济三重效益。