机械加工企业VOCs废气处理中活性炭吸附效率的研究

吴丽娟(英格尔检测技术服务(上海)有限公司，上海 201100)

0 引言

挥发性有机化合物(volatile organic compounds,VOCs)，一般指的是20 ℃下蒸气压不小于10 Pa、常压下沸点低于250～260 ℃的有机化合物的总称。常见种类的有烷烃、芳香烃、烯烃、卤代烃、酯类、醛酮类和其他化合物等，其污染主要来自石油化工、油墨涂料、医药制造等行业，具体发生于生产或使用含VOCs相关物料的环节。VOCs对生态环境影响极大，其在太阳光紫外线照射下可与氮氧化合物及卤素自由基等发生光化学反应，是光化学烟雾的主要来源之一。根据国家标准GB 37822—2019 《挥发性有机物无组织排放控制标准》，VOCs被定义为“参与大气光化学反应的有机化合物，或者根据相关规定确定的有机化合物”。由此可见VOCs在大气光化学污染中的重要影响。VOCs危害人体生命健康，部分过量VOCs可能导致中毒和致癌，当人吸入过高浓度VOCs会引起急性中毒，导致头晕、恶心、昏迷甚至肝中毒。

VOCs类污染物易挥发、废气来源广、危害大、治理难度高，目前属于第二大大气污染物。工业上低浓度VOCs废气(浓度低于1 500 mg/m3)一般采取转移法进行处理。本文以上海该机械加工企业为例，对生产过程中“塑粉喷涂-烘干固化”工段产生的VOCs废气处理过程进行分析，简要介绍VOCs废气产生环节、废气特点，评价企业原VOCs废气治理方案处理效果和显著缺点。根据废气高温、含尘、低浓度特点，挖掘处理方案的改善潜力，提出优化方案并组织建议企业实施。

1 上海某机械加工企业喷涂废气产生与处理的特点

上海某机械加工企业(以下简称“本企业”)位于上海市闵行区，VOCs废气排放标准执行上海市DB 31/933—2015 《大气污染物综合排放标准》，即要求在15 m高排气筒排放时，非甲烷总烃的排放浓度＜70 mg/m3，排放速率＜3 kg/h。本企业主要经营范围包括五金冲压，金属制品喷涂，汽车配件加工等[1-2]。其中含尘VOCs废气主要产生于汽车金属配件“塑粉喷涂-固化烘干”过程中，VOCs废气产生环节及采取的治理措施如图1所示。

图1 生产工艺及产排污节点

工艺流程简介：待喷涂金属材料进入“机械加工”工艺，包括激光切割、数冲、折弯、焊接(焊丝不含铅、锡)和打磨等，主要通过各种机械加工设备对来料金属材料进行机械加工。后进入 “前处理”工艺，包括脱脂、清洗、硅烷化、清洗等，脱脂采用脱脂剂去除材料表面油脂类杂物，操作温度为50 ℃，脱脂液循环使用不外排；硅烷化处理采用硅烷处理剂，提高塑粉对基材的附着力。脱脂、硅烷化工序后清洗均采用常温自来水清洗。再进入“烘干”工艺，烘干热源由柴油锅炉供应，烘干室采用热风间接加热方式去除工件表面水分，烘干温度为120 ℃。

烘干后待喷涂金属材料送入静电喷涂一体化设备，经过塑粉喷涂处理，最后烘干室进行烘干固化，温度条件为180 ℃。“塑粉喷涂”过程会有少量未附着汽车金属配件表面塑粉形成喷涂粉尘，“烘干固化”过程有少量有机物从汽车金属配件表面塑粉中挥发，形成固化有机废气，喷涂一体化出气主要污染因子为粉尘与VOCs，废气温度约70～100 ℃。

原治理方案及效果评价：本企业原针对含尘VOCs废气采用“旋风除尘+UV光催化氧化+活性炭吸附”废气治理措施。本企业原废气设施存在一定的缺陷：VOCs废气的高温直接影响活性炭吸附效率。通常条件下，活性炭吸附一般要求废气温度在40 ℃以下，对于25 ℃废气吸附效率最佳。参考《活性炭的应用技术：其维持管理及存在问题》，本企业现有废气温度条件下100 ℃下活性炭吸附效率不到11%，远低于活性炭90%吸附效率的理论数值[3-5]。参考《VOCs废气治理之UV光解与UV光催化氧化浅析》中提到，UV光催化氧化工艺对温度100 ℃的VOCs废气，停留时间大约2～5 s, VOCs去除效率约40%，因此，本企业原VOCs废气两级治理综合效率仅达到47%左右。根据本企业“环境整顿规范评估”报告，VOCs生产量为0.58 t/a，经原废气治理后VOCs排放量为0.31 t/a。

综上所述，较高温度的VOCs废气不仅直接影响废气治理措施的处理效率，增加本企业废气中VOCs的排放量，进而影响本企业环保税收的支出，还间接导致本企业环保设备使用寿命缩短，并且吸附材料活性炭表面附着粉尘也会导致其“中毒”失活。

2 优化方案的评价治理效果

对VOCs的处理工艺，常见的有吸附法、UV光催化氧化、低温等离子、催化燃烧和生物降解等技术。单一的活性炭吸附技术由于处理能力有限，更换频次不合理会导致治理效率不稳定，已经逐步退出重点行业的适用范围。单一的UV光催化氧化法、单一的低温等离子体法均会产生中间产物，造成二次污染。催化燃烧法适合高浓度的VOCs废气处理，且从经济角度看运维成本较高，不适合本项目的应用范围。生物降解法、光降解法在工业领域应用较少，偶有条件符合的企业使用。据相关文献研究，在东莞地区的家具制造、制鞋、印刷、塑胶、涂料和表面涂装等工业领域，UV光催化氧化+活性炭吸附是最常用、最经济的低浓度VOCs治理方案，使用占比为六成以上。因为UV光催化氧化和活性炭吸附方法联用处理方案，既兼顾了UV光催化氧化法的高效率和活性炭吸附法的低成本、安全稳定，同时也减少产生二次污染，是运用最广泛、处理效率高、经济成本低廉的低浓度VOCs综合处理方案。因此，UV光催化氧化和活性炭吸附方法联用仍然适用于本企业VOCs废气治理，但需要在前段增设降温、除尘预处理设施。

优化后处理工艺：优化后处理工艺为“二级循环水冷却装置+除湿干燥装置+旋风除尘+UV光催化氧化+活性炭吸附”(如图2所示)；优化后的废气治理具备以下优势：(1)两级水冷却对废气中的粉尘和VOCs有一定的过滤吸附效率、避免粉尘造成后续活性炭中毒；(2)两级循环水冷却降低废气温度(25 ℃)，提高活性炭吸附效率；(3)除湿干燥装置去除冷却后废气中多余含水率，更适合活性炭和UV光催化氧化[6]。

图2 优化后的VOCs废气处理工艺

建议本企业控制废气经两级水冷却装置后出气温度在25℃左右，此温度下的VOCs废气的活性炭吸附效率可达40%。因此，本企业VOCs废气优化方案治理综合效率可达64%。因此，本企业废气治理后VOCs排放量仅为0.21 t/a。相对本企业原处理工艺，VOCs排放量降低了32%。

综上所述：根据本企业“环境整顿规范评估”报告，本企业年运行时间为2 800 h，塑粉喷涂-烘干固化产生的VOCs废气经废气治理方案处理后，尾气分别经两根15 m高排气筒排放[7-9]。原处理方案处理后VOCs废气的排放情况：排放浓度为6.15 mg/m3，排放速率为0.06 kg/h，总排放量为0.31 t/a。优化方案处理后VOCs废气的排放情况：排放浓度为4.14 mg/m3，排放速率为0.04 kg/h，总排放量为0.21 t/a。该优化方案在原方案的基础上增加了两级循环水冷却装置+除湿干燥装置三个工序，降低了VOCs废气温度和废气中粉尘含量，显著提高活性炭处理活性与效率，优化方案处理后废气排放浓度和排放速率均满足DB 31/933—2015表1中限值要求[10]。该优化方案实施后与原方案的技术参数如表1所示。

表1 优化方案与原方案的技术参数对比表

通过两方案的对比，总结得出该优化方案的优点和不足。

优点主要有：(1)提高了VOCs17%的去除效率，降低了外排废气中VOCs(以非甲烷总烃计)的浓度和速率，治理效果彻底；(2)废气温度和含尘量降低，有利于环保设备运行的稳定与安全，节省企业设备运营与维护成本；(3)VOCs排放量降低了32%，大大削减了企业的环保税支出，同时响应国家“蓝天保卫战”、上海市VOCs深化改革治理要求，加快削减VOCs排放量，企业可获得上海市政府“扶持补贴”。

不足之处为该二级循环冷却水装置，定期更换会产生少量循环废水，造成次生污染。

3 结语

工业领域处理VOCs废气一般采用焚毁法或转移法，但针对低浓度VOCs废气通常采用转移法进行治理。企业实际具体治理方案的选择，应根据废气成分、物理化学性质特点，再结合企业现场工作环境条件(包括温度、湿度、酸度、灰尘等因素)与当地排放标准要求来确定[11-14]。针对本企业的较高温度、含尘、低浓度VOCs废气，本文推荐采用循环水冷却方式降温除尘，并搭配采用除湿干燥+旋风除尘+UV光催化氧化+活性碳吸附法进一步去除粉尘与VOCs，达到废气稳定达标排放要求，经济适用性强。在工业领域实际应用中，企业可根据自身条件与环境需求选择组合方案，发挥各种方法的优势以达到最优治理效果。