喷淋吸收-活性炭吸附工艺在化工行业VOCs废气治理与控制中的应用

摘 要：喷淋吸收-活性炭吸附工艺是一种有效的挥发性有机化合物VOCs（Volatile Organic Compounds）治理技术，现已广泛应用于化工行业VOCs废气治理和控制。鉴于此，在介绍各种VOCs末端处理技术工艺原理的基础上，重点分析了喷淋吸收-活性炭吸附工艺流程和优化，结合某化工企业罐区和装车区废气特点和成分，分析了废气入口工况、工艺选择，研究了工艺流程设计、设备选型、运行参数及安全自控保障措施，探讨了该工艺在化工行业VOCs废气治理与控制中的应用前景和发展方向。

关键词：VOCs；喷淋吸收-活性炭吸附工艺；化工行业；废气治理与控制

中图分类号：X511    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2023）13-0085-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.13.022

1    VOCs的定义、产生原因与危害

1.1    VOCs的定义

挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）是指室温下饱和蒸汽压超过133.32 Pa的有机化合物，它可以从固体或液体表面挥发出来，且易于在空气中传播。VOCs包括多种不同的化学物质，如烃类、醇类、酮类、醛类、酯类、苯系化合物等[1]。

1.2    VOCs的产生原因

VOCs产生的源头非常广泛，主要表现在：1）工业过程，许多工业过程中会产生大量的VOCs，尤其是化学品制造、印刷、金属加工、油漆和涂料等行业；2）在交通运输方面，汽车、货车、船舶和飞机等交通工具都会排放VOCs，其中尤以汽车为主，在交通堵塞区域，排放的VOCs占总排放量的比例更高；3）农业活动也是一种重要的VOCs来源，如肥料和农药的使用、畜禽养殖和农作物的生长和收获等，此外，农牧产品的后期处理，如食品加工、制药等，也会产生较多的VOCs；4）日常生活中各种日用品和家居产品也会释放出VOCs，例如清洁剂、化妆品、办公用品、家具、地毯、油漆和涂料等都会释放出一些挥发性有机物；5）现实中还存在大气化学反应，加重了大气污染问题。

1.3    VOCs的危害

VOCs对人类健康和环境都有着很大的危害。VOCs对人体健康的影响包括可引起头痛、眼部和呼吸道刺激、恶心等症状，甚至能诱发癌症和神经系统损伤等严重疾病。一些VOCs被归类为致癌物质，例如苯、甲醛等。大气污染和光化学smog（烟雾和雾霾组成的空气污染物）的形成：VOCs是光化学反应的重要组成部分，与NOx等其他污染物反应后，会促进臭氧和PM2.5等有害物质的形成。这些大气污染物对人体健康和环境都带来极大的威胁。VOCs对环境的影响包括会对水体和土壤造成污染，影响生态平衡和生物多样性。例如，含有VOCs的水体可能导致微生物和其他生物受到毒性影响。VOCs是温室气体之一，它们的释放也会加剧全球气候变暖问题。

2    现阶段VOCs废气治理工艺综述

2.1    政策和标准

目前，国际上对VOCs排放控制的主要政策和标准有歐盟VOCs指令、美国EPA的VOCs排放标准、日本的VOCs排放限值等。这些政策和标准主要针对涂料、印刷、表面处理、汽车等行业。我国对VOCs排放控制的政策和标准主要有《大气污染防治法》、《VOCs排放标准》、《VOCs治理技术政策》、GB 31571—2015《石油化学工业污染物排放标准》和HJ 656—2013《环境空气颗粒物（PM2.5）手工监测方法（重量法）技术规范》等。地方层面的则有各省市颁布的相关规定和标准，如北京市的《北京市大气污染防治条例》等。

2.2    VOCs治理技术分类

为减少VOCs废气的排放，各种废气治理技术被开发出来，每种技术都有其独特的处理原理和优缺点，可以根据不同的废气成分和排放条件选择合适的技术。在实际应用中，需要根据废气成分、排放浓度和处理要求等多种因素综合考虑，选择合适的废气治理技术。随着技术的不断发展和创新，VOCs废气治理技术将会变得更加高效、经济和环保[2]。VOCs废气治理技术分类以及应用对比如表1所示。

不同的技术适用于不同浓度的废气处理，也具有不同的优缺点。在选择废气治理技术时，需要根据废气的浓度大小以及实际情况综合考虑各种因素。

3    喷淋吸收-活性炭吸附工艺在化工行业VOCs废气治理与控制中的应用

喷淋吸收-活性炭吸附工艺是一种常用于化工行业VOCs废气治理与控制的技术。该工艺通过喷淋液将有机废气污染物溶解于液相中，然后利用活性炭吸附剂对液相中的有机物进行吸附，从而净化废气。

3.1    工艺原理

喷淋吸收：喷淋吸收一般采用水作为溶剂，将VOCs废气冷却、湿润和稀释，使有机物质溶解在水中，达到去除效果。喷淋吸收通过在喷淋塔内部安装填料，增加相界面的接触，从而提高有机物与水之间的传递速率。同时，在喷淋过程中可以添加酸、碱等物质调节pH，以便改善有机物的溶解度和吸附效果。

活性炭吸附：活性炭是一种具有高比表面积和孔隙率的固体吸附剂，可以有效吸附废气中的有机物质。其原理是利用吸附剂表面的活性位点与有机物分子间的作用力，使有机物分子被分离出来并吸附在吸附剂表面。活性炭吸附优势在于比表面积大，可提供更多的吸附位点，且可以重复使用，易再生。经过喷淋吸收和活性炭吸附处理后，废气中的VOCs被去除，处理后的废气可以安全地排放到大气中[3]。

3.2    工艺应用及优缺点

该工艺广泛应用于化工、印染、涂装等行业的废气处理和控制中，如汽车尾气、油漆废气、化工生产中的挥发性有机物等，其具有以下优点：1）适用范围广：喷淋吸收-活性炭吸附工艺能够处理多种类型的有机废气，具有很好的通用性。同时，该工艺还适用于处理含有水溶性有机物的废气。2）效率高：该工艺的废气去除率通常能达到90%以上，且不受温度影响。此外，当废气中的水溶性有机物较高时，其处理效果更佳。3）运行成本低：相对于其他技术，该工艺的运行成本较低，因为该工艺不需要使用昂贵的催化剂，仅需周期性更换活性炭即可。此外，该工艺还可以回收有机物，实现资源化利用，降低了处理成本。4）操作简便：此工艺采用普通设备运作，操作方便，维护容易，而且废水经过初步处理后，也可以回收利用。

该技术的主要缺点是废水处理难度大，需要进一步处理才能排放。此外，若废气中VOCs浓度低，会导致活性炭使用率低，降低吸附效果。

4    化工行业VOCs废气喷淋吸收-活性炭吸附工艺治理案例

4.1    尾气工况介绍

该案例企业主要生产甲醇、醋酸，在生产、存储、运输、装卸等过程中会产生大量的挥发性有机气体，主要涉及甲醇成品储罐、醋酸成品储罐、甲醇及醋酸装车等区域，目前这些区域基本还未安装废气治理设备，不论是罐顶气还是装车过程中的挥发气，简单治理后排入大气中，对空气造成污染，无法满足当地环保要求。因此，需收集甲醇、醋酸各单元产生的废气，并加装废气处理装置，使处理后的尾气满足GB 31570—2015《石油炼制工业污染物排放标准》及相关地方标准要求，最终由排气筒统一达标排放。储罐区及装卸区来气各组分源强统计如表2所示。

4.2    工艺设计

本案例拟在以上废气设备之后建设废气处理装置一套，治理储运车间甲醇、醋酸罐区及甲醇、醋酸装车区产生的挥发性有机物。装置拟采用吸收加吸附工艺对甲醇和醋酸的挥发性有机物进行混合治理，吸收废液通过管线接至醋酸车间原有排污管线排至污水处理厂[4]。治理工艺示意图如图1所示。

4.3    工艺原理详细介绍

本案例工艺采用“两级吸收+吸附”的工艺来处理甲醇和醋酸的混合废气，整个工艺分为废气收集单元、吸收单元、吸附单元和排放单元四部分。

废气收集单元是从灌顶呼吸阀和装车鹤管开始，包含管道、三通、阀门等，将现有储运车间灌顶气及装车鹤管引出，汇合收集至废气母管，最终进入废气处理装置，其中管道材质选用316L，醋酸废气过流管道需采用伴热和保温。从汇总母管收集的废气首先进入吸收单元，吸收单元分为预吸收和粗吸收两部分，其中一级塔为预吸收塔，二级塔为粗吸收塔，两个塔底部连通。脱盐水作为吸收剂首先进入二级塔中，通过在填料层中的气液充分接触，甲醇、醋酸气体溶于水中，变成低浓度的甲醇、醋酸水溶液，由于两个塔塔釜连通，甲醇、醋酸水溶液通过自流进入预吸收塔，在预吸收塔设有两台循环泵，将溶液通过塔顶的喷嘴喷到填料上方，作为预吸收塔的吸收剂，预吸收塔的吸收剂和废气进气充分接触，将大量的甲醇和醋酸溶于水中，得到一定浓度的废气，废气通过输送泵输送至甲方指定的位置。

经过吸收单元后废气中甲醇及醋酸的含量已经非常低，为保证最终环保达标，在吸收单元后设置吸附单元，吸附单元内装填有活性炭，废气进入吸附单元后，在范德华力作用下，部分甲醇及醋酸分子会吸附在活性炭上，进一步减少废气中的甲醇、醋酸含量，使废气满足环保要求，通过风机和烟囱达标排放。喷淋吸收-活性炭吸附工艺流程如图2所示。

4.4    主要设备选型

主要设备选型结果如表3所示。

4.5    安全与控制

工艺装置及辅助生产设施的压力容器、压力管道的设计及制造严格执行GB 150—2011《压力容器》、GB 50316—2000《工业金属管道设计规范》及其他有关的标准规范，所用气动阀、变频风机、循环泵、温度测量仪表、压力测量仪表等均为防爆产品，系统吸收单元和吸附单元之间应设置阻火阀。装置设计也充分考虑了冬季正常运行及异常停车状态下的防冻要求。

整个系统采用PLC全自动控制运行，现场控制柜中触摸屏只用作观察，控制信号传送至车间操作室，在上位机上进行操作和监控，同时传送给车间DCS系统。正常时全自动控制运行，若触发报警或联锁则执行相应的安全措施。

4.6    处理效果及经济效益分析

实际处理后VOCs浓度检测数据如表4所示，可知该工艺可以实现95%以上VOCs的去除，去除率高。

喷淋吸收-活性炭吸附工艺操作简便，易于维护和管理；此外，在废气量小、污染物浓度较低的情况下，该工艺还能直接以自然对流方式进行处理。在经济效益方面，相对于其他处理技术，该工艺成本较低，具有较好的经济性；该工艺的能耗主要集中在风机和泵的使用上，由于该工艺的操作压力较低，因此能耗相对较低；此外，工艺的设备结构简单，吸收液和活性炭的更换也相对容易，因此维护成本也较低。

5    結论与展望

喷淋吸收-活性炭吸附工艺在处理VOCs废气方面具有较好的效果和经济效益，它在不同类型的废气治理中均可采用，操作简便，易于维护和管理，成本较低，节省能源，具有回收价值。但需要注意的是，该工艺液体吸收剂和吸附剂的选择需根据废气成分和处理要求进行调整，否则可能会导致处理效果下降或者产生新的环境问题；此外，吸附剂的再生也需要进行专业处理，否则会产生二次污染。未来VOCs废气治理技术的发展方向主要包括以下几个方面：一是提高VOCs废气治理的效率和稳定性；二是探索新型吸附材料的开发，例如基于纳米技术的新型吸附材料，可有效提高VOCs废气治理的效率和成本效益；三是强化废气治理技术集成和智能化，例如将多种废气治理技术进行互补和集成，同时采用物联网、大数据等信息技术加强废气治理设备的监测和管理，以提高废气治理的整体水平。因此，在VOCs废气治理技术的研究和应用方面，还有很大的发展空间。

[参考文献]

[1] 刘立新.工业企业对VOCs污染的控制与治理[J].化工管理，2022（35）：30-32.

[2] 孟凡飞，王海波，刘志禹，等.工业挥发性有机物处理技术分析与展望[J].化工环保，2019，39（4）：387-395.

[3] 刘洋，王新，刘忠生，等.炼油厂VOCs吸收-吸附耦合工艺研究[J].炼油技术与工程，2022，52（5）：6-10.

[4] 张国臣，庄涛，刘善军，等.碱液喷淋在污水处理废气治理中的应用与影响[J].环境保护科学，2018，44（4）：44-48.

收稿日期：2023-03-14

作者简介：魏建波（1985—），男，陕西宝鸡人，硕士研究生，工程师，研究方向：化学工程。