化工行业VOCs废气治理措施分析

梁长华

（沈阳绿恒环境咨询有限公司，辽宁 沈阳 110169）

近年来，随着我国工业化和城市化的快速发展，以及城市机动车保有量的持续增长，城市区域以细颗粒物（PM2.5）和臭氧（O3）为特征污染物的大气污染现象日益凸显。十三五以来，为了切实改善大气环境质量，从根本上解决PM2.5和O3等污染问题，协同控制温室气体排放，国家出台了一系列政策标准、工作方案，并制定了挥发性有机物（VOCs）阶段性减排的目标任务，旨在积极推进臭氧和雾霾生成关键前体物VOCs的污染防治工作，建立健全VOCs污染防治管理体系。但是，由于我国VOCs污染防治起步较晚，且VOCs物质种类繁多、排放形式多样、理化性质复杂，现阶段的治理基础以及技术水平仍较为薄弱。化工行业作为VOCs的重点排放源是现阶段治理的重点行业，如何结合我国化工行业发展的实际过程开展VOCs污染防治工作，选取有针对性的治理方式实现废气达标排放，是一项艰巨而复杂的任务。

1 化工行业VOCs废气基本概述

1.1 主要含义

挥发性有机物（又称VOCs）通常是指常温下，沸点在50 ℃至260 ℃的各种有机化合物的总称，其包含的多数有机物质均具备一定的易挥发性，并且能参加大气光化学反应，对大气臭氧污染、PM2.5污染具有重要的影响。

1.2 VOCs废气的产生环节

工业生产中诸多行业都会产生挥发性有机物，如在油漆、涂料、油墨、胶粘剂、溶剂、农药等生产和使用过程中，以及燃油储存、运输和销售过程，都会产生VOCs废气。同时VOCs废气也会分布在化工行业生产的各个环节，其产生的主要环节如下：一是有机液体储罐区，受限于储罐“大呼吸”以及“小呼吸”会产生一定的挥发性气体；二是化工生产环节，比如合成、蒸馏以及成型等相关生产环节均会产生VOCs废气；三是物料转移环节，从一个储存器向另一个器具转移时，因为其中会涉及气体的吸收及放出，因此会有VOCs废气的形成；四是在化工生产中出现跑冒滴漏，长时间处在运行状态的生产设备会被磨损、腐蚀，加之没有及时采取针对性的养护手段，易引发物料的泄露；五是事故排放，因工作人员操作不当，致使有机物无法规范排放或是出现泄露。

1.3 主要危害

在空气中弥漫VOCs废气有很多危害，由于其理化性质不稳定，在日光照射下易发生化学反应而产生雾霾。大多数挥发性有机物是有毒且致癌的，如果人们吸入这些空气，很容易对肺部功能造成影响，若是大量且长时间吸入，会增加细胞癌变的概率，从而引发癌症疾病。与此同时，多数挥发性有机物为易燃易爆化学品，存在安全隐患[1]。

2 常用的挥发性有机物废气治理技术

2.1 “物理-化学”治理技术

2.1.1 吸收法

该方法通过利用污染物质能够与特定吸收剂发生化学反应的特征，不仅可以将污染物分离，还能进行废气净化。目前这项技术已广泛应用于化工行业的废气治理中，例如通过水和表面活性剂吸收废气，这种方法具有较好的净化效果。化工企业在治理氮氧化物废气时，可以将尿素溶液（酸性）作为吸收液进行氮氧化废气的还原及吸收，且吸收效果优良。通过吸收塔之后，氮氧化物的含量从原来的857～4 285 mg/L下降到85.7～128 mg/L，且废气的排放速率维持在0.299～0.45 kg/h，符合我国大气污染物排放的规范标准。

2.1.2 吸附法

该方法通过吸附剂能够在液相、气相中有效吸附其中含有的有害以及有毒污染组分的特性来进行废气净化。现阶段，常见的吸附剂为具备孔状结构的活性炭、沸石，以及传质速率较强的纤维结构合成材料。例如，利用活性炭吸附硫化氢，经分析发现利用活性炭进行脱硫不仅性能优良而且容量较大；用活性炭吸附碘代甲烷的去除率为98.1%；通过废物进行高温分解获得活性炭，吸附烟道含有的氯代废气，在实验中发现其去除毒物质PCDD以及PCDF的效率分别为85%和41%。这项工艺采用的活性炭是二次产物，而且对二噁英等废气具有很好的吸附效果。沸石是硅铝酸盐且具备孔状结构，其中分布的各种电荷与离子不仅具备特殊的极化电场，并且选择性与吸附能力较强。通过合成材料也可达到处理化工废气的目的，例如，通过PEBAX1657材质纤维及其表面通过沸石所形成的合成膜，能够有效分离废气当中含有的有毒气体与二氧化碳。

2.1.3 放电等离子体法

这种方法是目前国际公认的有害气体的高效处理方法，其依托高压放电得到的等离子体，能够获得很多活性粒子以及高能电子，破坏C-H、C-C键，使污染物进行置换反应，从而获得二氧化碳和水。例如，有关研究人员通过脉冲电晕法进行含苯废气的治理实验，当电压设定为140 kV并且进行混合电晕时，能有效去除82.73%的苯，这项技术一般用于浓度较低的有机废气治理。再比如，通过热等离子体进行PFCs裂解实验，这种技术破坏污染物的程度能够达到96%。同样在脱色过程中，使用这项技术处理约2 h之后，脱色率可以达到99%，因此，这种方法因其效率较高而获得研究人员的高度重视。

2.1.4 焚烧氧化技术

这种方法通常用于化工行业不能回收利用且有毒的废气治理，既可以通过有机物质充分燃烧最终生成水和二氧化碳，同时还可以释放大量的热能，将热能回收后便可以再利用。这种治理技术净化彻底，对部分特殊废气具有良好的治理效果。通过添加合适的助燃剂、催化剂，可进一步优化这种方法的使用条件，由此提升治理效率[2]。例如PTA装置排出的浓度较高的污染废气，流经合适的处理设备将其进行高温焚烧，可有效控制尾气的排放，并在一定程度上降低了空气污染程度，同时将溴化氢作为催化剂，能够降低废气中溴的含量。

2.1.5 光催化氧化技术

这项技术是通过在光照环境下，使部分金属氧化物质产生一定的自由基活性物质，受到其高氧化性的影响，VOCs污染物质能够在浓度较低情况下分解生成没有毒害的简单物质。该项技术因其稳定的化学性质、较低的运行成本等优势得到科研工作者的广泛关注。现阶段，多采取半导体ZnO作为催化剂。例如，可以降解废气中的苯系物，将粒径为20.7 nm的二氧化钛作为催化剂、初始甲苯的质量浓度为200 mg/m3、体系湿度为45%，反应时间为60 min，能够有效去除超过46%的甲苯。例如通过这种方法进行氯甲烷的处理时，可将三氧化二铝作为催化剂，并且在温度为350 ℃、空速为4 800 h-1的条件下，转化氯甲烷效率与总烃转化效率都能超过99%。

2.2 生物治理技术

2.2.1 生物滤池技术

该技术主要是把预处理完成的废气送入生物滤池，通过由土壤、有机堆肥、木屑等组成的有机填料层，将污染物从气相转移进入生物层，填料层含有的微生物能够对有机物进行氧化分解，生成一些小分子物质，并从滤池顶端的位置排出。当前通过接种生物滤池进行苯乙烯的处理，当进气浓度在200～800 mg/m3的情况下，其去除能力最高是66.78 g/（m3·h），具有较为理想的处理效果。据相关研究试验表明，如果实验温度处在20～30 ℃范围，二甲苯质量浓度为200～800 mg/m3，容积负荷为6.2～24.7 mg/L·h，时间为117 s，投配液量为40 L/h，去除对二甲苯的效率为74%～100%。

2.2.2 生物吸收技术

在采用这种方法的过程中，生物悬浮液能通过压力喷淋，使化工生产产生的废气进入水相，通过污泥池含有的活性物质实现废气污染物的去除。例如某家铸造厂，通过这一技术进行含有乙醛、酚等废气的处理，流经两段洗涤去除污染物的效率能超过95%。再比如用该方法处理含有苯酚等物质的废气，在其流量为21～194 mg/h，浓度为650～850 mg/m3的情况下，去除苯酚的效率可以达到99%。

3 治理化工行业VOCs废气的常见技术及适用条件

3.1 回收技术

化工行业产生的废气中大部分可作为原辅材了，具有一定的回收价值，因此，回收技术可在污染物减排的同时，实现资源再利用。治理化工行业VOCs废气使用的回收技术，主要原理为转变物自身的物理性质，比如压力和温度等，与此同时还能通过质量较高的透膜，消除废气中所含的有机物质。常见回收技术能够划分为吸收、吸附、冷凝、以及膜分离等。例如，吸收技术。所使用的吸收剂在废气治理的过程中占据十分关键的地位，关于吸收剂的选择，应选用没有挥发性、较低挥发性液体用作吸收剂。具体使用时，需研究VOCs废气的组成成分，分析吸收剂当中废气溶解的程度，再利用合适的吸收装置吸收废气中挥发性较强的有机物。同时吸收技术也对VOCs废气提出较高的要求，例如备气量应尽可能小、压力高以及低温，只有满足上述条件才可以通过吸收技术进行VOCs废气的治理。利用吸附技术治理VOCs废气时，可通过吸附剂所具备的吸附选择性，使废气中所含的挥发性物质吸附在其表面，再针对有害气体统一回收和净化。同样该技术也会受限其适用条件，即一般适用于净化要求较低、浓度低与大气量的废气。冷凝技术在净化与回收废气时，要求废气均具备饱和性，因物质种类不同会存在一定差异，例如废气在蒸汽状态下实施冷凝液化，可以通过两种技术实现，分别是降低温度和提高压力，这样能够有效分离VOCs废气中含有的有害气体。需要注意的是这项技术一般运用于单组分、高浓度与沸点高的废气处理。而膜分离技术首先要对废气进行冷凝，然后将利用透膜完成冷凝的废气与液体分离，从而达到净化VOCs废气的目的。该技术的适用条件为小气量、低浓度、具有较高回收价值的化工行业产生的VOCs废气[3]。

3.2 销毁技术

治理化工行业VOCs废气使用的销毁技术，重点是利用废气自身具备的一些化学性质，合理运用微生物、催化剂与热能辅助，进行生化以及常规反应，这样可以将废气中所含的各种有害物质，有效转化成小分子无机化合物。常见的处理技术是催化燃烧以及热力焚烧等。其中催化燃烧技术在治理过程中，主要运用具备催化属性的相关物质，依托其能催化废气进行氧化反应的特点，在这一过程中反应温度的控制十分重要，通常应保持在250～500 ℃的范围内。催化燃烧法虽然不需要投入较大的使用成本，但如果成分中包含硫、卤素等，最好不要选择该技术。采用热力焚烧技术治理VOCs废气时，应该先对废气进行加热，当温度超过700 ℃时，能够分解有机物质，并进一步转化生成二氧化碳或是水，而且净化率能够超过九成。但是热力焚烧的治理成本较高，如果在低浓度条件下应该补充燃料，因此通常用在治理较大危害的化工行业VOCs废气。采取低温等离子体技术也可进行销毁治理，一般在常温条件通过高压脉冲获得高能量的或是活性粒子，得到的物质能够和废气互相作用，从而将其中的有害气体变为低害或是无害物质，这项技术主要应用于较低浓度化工行业VOCs废气的治理。

以上两大类VOCs废气治理技术均是相对成熟并广泛运用在工业生产环节中，治理化工企业VOCs废气具有可观的治理效果，各种处理技术均具备各自的优缺点和不同的适用条件。关于集中处理方法的选择，需结合VOCs废气的化学及物理性质进行，也可以选择不同方法的组合模式进行治理[4]。另外，在对化工行业VOCs废气进行防治时，主要技术体系为源头取替、过程控制以及末端治理等，相关企业及工厂应加大在原材料使用、生产工艺等方面的研究力度，最大限度减少VOCs的使用及废气排放量。

4 未来发展方向设想

4.1 通过隔离治理提取废气中的有害物质

这一技术首先会提取废气中含有的有害物质，再对相关有害物质进行隔离治理，该工艺技术不仅能够实现对废气中所含各类有机物质有效地回收利用，体现出理想的节能降耗优势。同时，采用该项技术治理废气还能避免产生严重的空气污染问题，降低生产活动对附近自然环境造成的污染。但该技术成的本投入相对较高，因此不适合在小规模化工企业使用。一般运用在较大废气排放量，并且使用此技术所得的回收物质具备更高使用价值的行业。该项技术虽然成本投入相对较高，但因其环保优势突出，因此，未来应通过技术水平的提升降低投入成本，这样能够将其适用范围扩大[5]。

4.2 通过生物分子转化实现污染物的充分利用

我国近些年十分重视节能环保工作，并在研发废气治理技术方面投入了大量的物力及人力，同时获得了相对理想的成绩和成果，而生物分子转化更获得了行业的高度认可。一方面这项技术能够有效转化废气中含有的有害物质，另一方面能够实现“变废为宝”的目标。该技术不仅投入成本低而且操作简单，所以在我国拥有广泛的使用推广空间。此技术也是我国未来主要推广及扶持的化工行业废气处理技术，定能获得更大发展。

4.3 光催化分解化工行业废气

光催化分解法是国内现阶段最具代表性的一项废气处理工艺，是通过光照和催化剂的反应特征实现废气分解。该技术在实际使用时要求运用催化效果较强的催化剂，由于催化剂价格合理，而且不具备危害性，因此受到多数化工行业的认可。基于不断进步的科技与不断发展的经济，在未来应该研究出节能性与环保性更出色的催化剂[6]，例如纳米材料就拥有这一特性，不管在取材或是用料上均十分安全环保，而且能在今后的发展中获得全新的进步和突破。

5 结语

化工行业产生了大量的VOCs废气，一方面严重污染了自然生态环境，另一方面还会严重威胁人类健康。基于此，应针对VOCs废气采取合适的治理措施，减少挥发性有机物的排放。现阶段化工行业VOCs废气治理主要采取销毁与回收技术，在具体使用中，应立足VOCs废气的理化特征，选择有针对性的治理方式实现废气净化，进而降低其对自然环境造成的污染程度。但是这些治理技术具有二次污染、成本偏高等局限性，在未来期待有更多高效的治理技术投入到实际生产，一方面可以促进化工行业的绿色发展，另一方面也可以为保护自然环境做出贡献。