铁路行业VOCs治理技术设计及案例分析

＊王晓伟 闵朝辉 刘子展 宋珺 张晶华 曹晨 刘天赋

（1.北京工商大学生态环境学院 北京 100048 2.中国铁路哈尔滨局集团有限公司计划统计部 黑龙江 150006 3.中国国家铁路集团有限公司发展和改革部 北京 100844 4.中车环境科技有限公司 北京 100070）

大多数挥发性有机物（VOCs）具有毒性、刺激性、致畸性和致癌作用，常温下易挥发，易对周边环境和居民身体健康造成危害。2022年11月14日，生态环境部发布关于印发《深入打好重污染天气消除、臭氧污染防治和柴油货车污染治理攻坚战行动方案》（环大气〔2022〕68号）的通知，指出要加强VOCs源头、过程和末端的全流程治理。国铁对铁路运输生产单位VOCs拉网式全覆盖排查，发现了铁路尚存在大量无组织排放，且VOCs呈低浓度和中风量的特点，暴露出铁路行业目前尚未形成合适铁路行业的VOCs治理技术。因此，有必要研究形成适合铁路VOCs治理关键技术方案迫。

1.国内外研究现状

(1)国内研究现状

目前国内的VOCs控制技术包括源头减量及过程控制技术和末端处理技术。源头减量技术包括减少溶剂用量、减少溶剂VOCs含量，改进工艺等。过程控制技术主要考虑过程收集管控。末端处理技术包括回收技术、销毁技术和联合技术。在处理VOCs污染物时，要根据铁路行业特点和实际情况，选用合适的末端治理技术。

(2)国外研究现状

国外以美国、日本、欧盟为主，进行了大量研究。从治理方法和工艺上来说，总体分为回收法、销毁法以及新型的多种处理方法联合使用。对于浓度较高的含VOCs废气优先回收使用，对于低浓度、不便于回收利用及回收利用价值不高的含VOCs废气进行销毁处理。联合技术是多种技术的组合，在单一技术原有优势的同时，在相互协同作用下可抑制二次污染的产生，是未来发展的主流方向。

2.VOCs治理技术

国内外对VOCs管控技术，主要从源头管理（替代或减量）、过程控制和末端治理的全流程管控。

(1)VOCs源头控制

VOCs的源头减量技术包括减少溶剂用量、减少溶剂VOCs含量，改进工艺、呼吸损耗控制等。比如由于油性漆的高污染性和对人体的高危害性，目前国内正在积极寻找油性漆的替代品，水性漆以水作为分散介质，较油性漆危害性小，现北京铁路局已经基本实现用水性漆代替油性漆。

(2)VOCs过程收集控制

铁路行业应当从生产源头开始，对生产全过程进行资源利用和污染物削减控制。铁路中存在有全密闭集气罩或密闭空间，其应保持微负压状态，并根据相关规范合理设置通风量。采用局部集气罩的，距集气罩开口面最远处的VOCs无组织排放位置，控制风速应不低于0.3m/s。遵循“应收尽收、分质收集”的原则，科学设计废气收集系统，铁路中无组织排放的部分，除减少正常工况下的排放量外，应将无组织排放最大化转变为有组织收集，从而实现集中处理。

(3)VOCs末端治理技术

综合技术原理、技术成熟程度和应用推广程度等多维度，又可将末端治理技术分为新型治理技术、吸附-回收技术及燃烧技术三类。

①新型治理技术

主要指回收法中的冷凝、膜分离、吸收技术及破坏法中的生物、光催化氧化、低温等离子技术等。其中膜分离、光催化氧化和低温等离子技术尚未广泛应用于市场。冷凝法用于高浓度有机蒸汽的净化回收或预处理，对成份单一、浓度高的有机废气具有很大优势，但该方法不适合用于低浓度有害气体。吸收法适合温度低、中高浓度的废气，但由于溶剂与吸收剂的分离较为困难，其应用受到了一定限制，同时存在二次污染，导致净化效果不理想。生物法虽有能耗较低、运行成本低的优势，但处理效率不高，单位体积的生物量也不高，只适用于生物降解性好、毒性较小的有机废气，同时也存在净化效率不高，易形成二次污染。这些新型治理技术显然不适合铁路VOCs治理的需求。

②吸附-回收技术

具有吸附能力的多孔吸附剂吸附通过吸附层的有机废气中的有机物，氮气、氧气等无机气体透过排放，从而达到回收有机物、净化空气的目的。该技术可以净化大流量、低浓度废气，净化单一品种废气时可回收溶剂，回收溶剂可再用产生收益，综合运行费用低。但吸附剂使用一段时间后会出现衰减，需要补充和再生，增加运行成本。复杂的废气需要预处理，存在二次污染，且能源耗费大，项目运行成本高。单一的吸附-回收技术不适合铁路VOCs治理。

③燃烧技术

大部分VOCs具有可燃性，燃烧技术利用热氧化作用将废气中的可燃有害成分转化为无害物或进一步处理。催化燃烧法（CO）针对铁路运营生产作业中大风量、低浓度的特点，可达到治理的目标。如果浓度实在太低，达不到平衡浓度的水平，则可采用近些年国内外较先进的吸附净化工艺—沸石转轮浓缩工艺，主要用于处理低浓度的VOCs气体，使经过浓缩的气体浓度达到平衡浓度，降低系统运行的成本，达到90%以上的VOCs去除率。

(4)铁路VOCs治理技术模式分析

从源头控制、过程收集到末端治理是开展铁路VOCs治理的全流程设计思路，见图1。源头控制主要集中在铁路运营阶段优先使用低挥发涂料原辅料，采用先进的工艺设备，完善操作程序并改进排放方式。铁路能源消耗以电力、柴油和燃煤等为主，可大力推行“以电代油”。不断优化能源结构，减少高排放能源的使用，不仅提高了能源效率还减少了污染物的排放，清洁环保。使用水性漆代替高污染的油性漆，减少对环境的污染破坏。

图1 VOCs全流程控制技术模式

在铁路检修作业VOCs收集中，应该科学设计废气收集系统，全密闭集气罩或密闭空间应保持微负压状态，距集气罩开口面最远处的VOCs无组织排放位置，控制风速应不低于0.3m/s，从而实现无组织排放转变为有组织排放。

组合治理是VOCs末端消减技术的热点，较多采用“吸附法+催化燃烧法”。铁路VOCs主要排放场景为补喷漆作业，比较常用的是“活性炭+催化燃烧”工艺，是吸附和催化燃烧法优点组合。基于铁路列车整车喷漆VOCs组分，通过VOCs吸附性能测试，选择窄微孔（D＜0.7nm）孔容对低浓度涂料废气吸附与脱附性能优越的活性炭材料，为复杂工况下活性炭高效吸附脱附提供保障。活性炭的吸附效率应满足LY/T 3284—2021要求。针对典型铁路作业点VOCs排放特性，选择可耦合低浓度VOCs的含过渡金属催化剂。“活性炭+催化燃烧”组合技术具有可净化大流量、低浓度废气、去除率高、高全性能高、能耗低的优点，同时解决了活性炭吸附法诸多缺点，以及催化燃烧法中的只适合处理体积分数在20%以下的有机废气、催化剂存在中毒的问题。然而针对活性炭吸附法的容易饱和、脱附效率有限、置换作业费时费力、置换后活性炭固废的运输与储存以及燃烧过程存在发生爆炸的风险等缺点，近些年国内外出现比较先进的吸附净化工艺沸石转轮，逐渐被越来越多的使用。针对铁路检修生产作业中VOCs排放风量大、浓度低的特点，尤其是浓度极低，达不到平衡浓度的水平、活性炭吸附效率有限的情况，则可采用沸石转轮浓缩工艺，使经过浓缩的气体浓度达到平衡浓度，沸石转轮脱附效率高可长期使用，达到降低系统运行成本的目的。

3.应用实例分析

在某铁路局试点中，采用“沸石分子筛转轮吸附+催化式燃烧脱附法”实现有机废气治理。

实例分析发现，选用“沸石分子筛转轮吸附法”吸附浓缩废气中的VOCs，吸附率可达≥90%。沸石（分子筛）转轮区分为吸附区、脱附区和冷却区，各区域之间通过耐热、耐溶剂的密封材料分隔开来。废气通过多级过滤器后，送至沸石转轮吸附区，在此区沸石分子筛吸附VOCs，被净化后的废气从吸附区排出，进而进入脱附区；经220℃左右的热风处理被脱附、浓缩。脱附后的小风量、高浓度废气进入后端的热氧化设备净化处理。其中高温脱附再生后的沸石分子筛转轮在冷却区被冷却，之后再经过加热作为再生空气使用，不仅能达到节能效果还可以提高吸附效率。

脱附气体采用比例阀控制并和在线温度检测仪连锁，保证脱附气体温度维持在180～300℃之间。达到反应温度条件的有机废气进入催化燃烧室，经CO系统处理，催化氧化分解后形成CO2和水，达标排放。原理如以下公式所示。

催化氧化产生的热量可降低系统辅助燃料消耗量，当到达一定的浓度时，氧化释放的热量不仅能满足CO系统自身运行需求，同时可为脱附系统提供热量。整个过程中选用贵金属催化剂，通入有机废气前，在200～300℃温度下预热30～60min，催化去除效率可＞97%，在中低温度下（250～350℃）运行。

采用“沸石分子筛转轮吸附+催化式燃烧脱附法”治理有机废气，监测到排放的VOCs数值≤40mg/m³，执行标准《大气污染物综合排放标准》（GB 16297），但满足北京地标DB 11/1226—2015要求。

4.结论

针对VOCs污染特性，展开对铁路生产单位VOCs的排查，发现了诸多问题，暴露出了铁路行业目前尚未形成适合的VOCs治理技术。通过对国内外VOCs治理技术现状的研究，发现单一技术组合治理VOCs是目前研究的热点，也是VOCs未来主要的技术发展方向。因此在末端治理技术中通过对冷凝法、吸附法、常温氧化法、高温氧化法、生物法、吸收法、膜分离法等的综合比较，得出“吸附+催化燃烧”组合技术为末端治理的研究热点。从生产的源头开始减少溶剂中VOCs的含量，在生产的全过程中优化处理工艺，进行资源利用和污染物消减控制，再根据铁路行业的特点和实际情况，应用“吸附和催化燃烧法”的组合进行末端治理的全流程治理技术。某铁路局试点中，应用了“沸石分子筛转轮吸附+催化式燃烧”来改造有机废气治理设备，实现了排放的VOCs数值≤40mg/m³的显著成效。