双碳政策形势下VOCs治理路线分析

于示林

双碳政策形势下VOCs治理路线分析

于示林

（中海油节能环保服务有限公司，天津 300450）

挥发性有机物（VOCs）在“十三五”期间被列入最重要的大气污染物之一，在“十四五”期间仍为重点管控大气污染物，然而，随着“碳达峰、碳中和”目标的建立，在进行VOCs治理的同时，要充分权衡各VOCs治理技术的优缺点，特别要考虑对双碳目标的影响，在消除VOCs、实现环保达标排放的同时，要充分考虑VOCs治理设备的节能、低耗，要尽量降低CO2的产生量，甚至不产生CO2排放。

挥发性有机物；VOCs治理；碳排放

自“十三五”开始，VOCs被列为重要的大气污染物，国家及各级地方环保部门相继制定和出台了一系列VOCs污染防治的法规、政策、标准及规范[1]，各种各样的VOCs末端治理技术相继出现，随着近几年的发展，逐渐形成了以吸附回收和燃烧为主两大类的VOCs末端治理技术。吸附回收类的技术包括“冷凝+吸附”“吸收+吸附”“加压冷 凝+吸附”等不同组合工艺，燃烧类的技术包含了“催化燃烧”“蓄热式燃烧”“表面燃烧”等燃烧工艺，为满足不同工况或不同环保排放指标的要求，也常将回收类和燃烧类工艺组合使用。无论是采用哪种工艺，VOCs的治理过程不可避免地会带来不同程度的能源和化石燃烧的消耗，带来更多的碳排放。“十四五”期间，VOCs替代二氧化硫列入大气环境质量的约束性指标，VOCs的污染防治将成为大气污染控制的关键和重点。然而，随着“碳达峰、碳中和”目标的建立，VOCs控制手段和措施将迎来重要变更，VOCs末端治理系统的建立、工艺的选择在追求排放达标的前提下，要充分考虑对双碳目标的影响，要充分做到节能、低耗、能量回收利用[2]。

1 VOCs末端治理过程中的碳排放来源

1.1 VOCs收集及输送过程

VOCs的有效收集是VOCs废气治理的基本，如在有机液体装载过程、储罐呼吸口呼吸过程中，只有首先实现VOCs的有效收集，才能为实现VOCs的治理打下基础。在VOCs收集阶段，往往因废气压力较低、管线太长等因素，需要配套废气输送风机，带来电力消耗。

1.2 VOCs回收过程

回收类的工艺主要包括“冷凝+吸附”“吸 收+吸附”“加压冷凝+吸附”等不同组合工艺，为实现更好的回收效率，一般采用三级冷凝，最低温度可达到-75 ℃，其制冷方式为机械制冷，为保证设备具有较低的相应温度，往往将冷凝器设置为常开状态，在非回收过程阶段，采用低功率运行，以保证整套系统的温度，在回收过程时，可迅速将温度降低到设计温度，实现冷凝效果。因此，这必将带来极大的电力消耗。

在吸附阶段，一般采用活性炭或树脂材料作为吸附剂，为避免经常性的更换吸附材料，在设计中一般采用真空解析，由真空泵来实现真空环境，同样此部分的电力消耗也是不可忽略的。

1.3 补充燃料燃烧过程

采用燃烧工艺处理VOCs废气时，需要根据VOCs废气的热值和工艺需要配备补充燃料，采用催化燃烧或蓄热式燃烧等工艺时，为保证系统的安全性，首先需要将VOCs废气浓度降低到5 g·m-3以下，因废气不具备自行燃烧的条件，需要补充大量的天然气进行助燃，以保证系统燃烧温度，确保VOCs的处理达标[3]，因此，在采用催化燃烧或蓄热式燃烧时，补充燃料燃烧过程所产生的CO2排放量是不容忽视的。但采用表面燃烧工艺时，当VOCs废气浓度和热值较高的情况下，可实现自行燃烧，不需要进行空气稀释，也不需要配套补充燃料，仅在VOCs废气浓度和热值较低的情况下，需要配套天然气进行助燃，因此，相比较而言，采用表面燃烧的处理工艺是相对更为降碳的VOCs燃烧类处理工艺。燃烧类处理工艺特点如表1所示。

表1 燃烧类处理工艺特点

1.4 VOCs燃烧过程

燃烧类工艺是利用VOCs的可燃烧特点，将VOCs与空气混合，发生氧化反应，将VOCs转化为CO2和H2O，因此，所需处理的VOCs排放量越大，所产生的CO2排放量就越多，从本质上讲，燃烧类的VOCs处理工艺是增加CO2排放的过程[4]。

2 VOCs末端治理系统优化设计建议

2.1 VOCs收集及输送单元

在石化行业，VOCs主要的排放源项包括有机液体的装卸过程、储罐呼吸阀呼吸过程，其中有机液体装卸过程的VOCs排放治理系统一般包括油气收集系统、油气输送系统、油气处理系统。油气收集系统一般指油气回收鹤管（陆地装车）或输气臂（岸上码头），油气输送系统指为使油气能够有效输送至VOCs处理装置而配备的增压风机，因此，在VOCs收集及输送单元最主要的碳排放来源为风机的电力消耗。为减少此部分的碳排放产生量，在系统优化设计中建议如下：

1）陆地装车过程由顶部装卸改部底部密闭装卸，顶部装卸过程油气为常压状态，为达到收集效率，必须要在油气管道上设置油气风机，如改成底部密闭装卸，油气管线为正压工况，油气可自流至VOCs末端治理设备，无需增加油气风机，因此，可减少电力消耗，降低碳排放。但要注意的是，需要尽量将VOCs末端治理设备布置于装车站附近，合理选择油气输送管道管径，缩短油气输送距离。

2）码头装船过程的油品及化学品船舶大多已设置油气回收管线，船舱压力一般为14 kPa上下，正常状态下，油气可靠压力自流至VOCs末端治理设备，因此，在设计时，应合理选择油气输送管道管径，合理布置管线路由，减少油气输送阻力，可不再设置油气输送风机，减少电力消耗，降低碳排放。

2.2 VOCs处理单元

回收类VOCs处理单元在设计中要充分考虑VOCs组分、含量、公用工程条件以及当地环保达标排放指标要求，建议如下：

1）对于油气相对分子质量比较高的有机物挥发气，其浓度相对来说较低，可优先选用“吸收+吸附”类的VOCs处理工艺，可选用柴油或汽油作为吸收剂，富液打回流程或存入储罐中，剩余未被吸收的有机气体可通过活性炭床进行吸附，可根据被吸收后的有机气体浓度和当地的环保排放指标来合理确定活性炭床结构及停留时间，以满足环保达标要求。因“吸收+吸附”工艺电能消耗较少，且不额外产生碳排放，未来将是VOCs治理的主流工艺，而未来发展的难点是低分子、高浓度VOCs工况下的应用，实现毫克级达标排放。

2）对于汽油、石脑油、有机化学品等浓度高、稳定且易回收类的VOCs气体易采用“吸收+吸附”或“冷凝+吸附”的回收工艺，采用冷凝回收工艺要计算回收的能耗收益比，传统的冷凝吸附工艺利用压缩机进行制冷，深冷工艺最低温度可达-75 ℃，但要消耗大量的电能，在“双碳”背景下是不合适的。在此情况下，“加压+冷凝+吸附”工艺是可以考虑的工艺，以某厂为例，废气为甲醛和甲醇废气，装置采用“水洗+压缩+冷凝+吸附复叠法”的回收工艺，如图1所示。

图1 水洗+压缩+冷凝+吸附复叠法

本工艺针对甲醛和甲醇气体分别由单独的管路汇集到废气处理单元，其中甲醛气体汇集后先进入水洗塔，水洗塔可去除80%的甲醛气体，剩下气体与甲醇管路一同进入压缩冷凝单元，废气经废气压缩机压缩至0.8～1.0 MPa之间，进入冷凝系统，冷凝至-10 ℃左右后成液体的废气被打回储液罐，未被冷凝的部分废气进入到吸附单元后，由两个交替切换的活性炭床组成，活性炭的再生则通过真空泵抽真空完成，并且在再生循环的最后四分之一时间里以一定的控制方式引入空气进行吹扫。再生阶段从活性炭床脱附下来的废气通过真空泵脱附后再回到压缩机的入口复叠处理。当所有发油泵停止发油后，主进气管线上的压力低于设定值时，回收系统自动停止运转。

经冷凝+吸附后的废气中甲醇回收率可达97%以上，可以将甲醇打回生产流程中进一步提纯，提高了生产效益。

3）对于相对分子质量较小、沸点较低的VOCs组分，因其极难以冷凝和吸附，不适合采用冷凝回收的工艺。对于此类VOCs气体，可采用表面燃烧类的VOCs处理工艺，比较具有代表性的是高效燃烧处理工艺。在VOCs废气浓度高时，废气可直接燃烧，不需要补充天然气等补充燃料，在实现VOCs达标排放的同时，可最大限度地降低碳排放量[5]。例如在某企业的原油外输码头VOCs治理项目上，采用的是高效燃烧处理工艺，废气依次通过输气臂、船岸安全装置、增压风机进入高效燃烧处理装置，在运行过程中，通过数据监测，在原油外输的2 h之后的时间，船舱中逸散出的可燃气浓度达到高峰，此时高效燃烧装置所消耗的天然气量非常少，甚至可以不再补充燃烧天然气，极大地减少了天然气燃烧过程所带来的CO2排放。同样，由于高效燃烧处理工艺不需要高能耗动力设备的介入，整体设备功耗较其他工艺低，而目前传统电能主要来源依旧是煤炭发电，因此，也减少了由于电能消耗增加所带来的CO2排放增加。

3 VOCs末端治理技术低碳化发展路线

3.1 源头削减

治理VOCs的排放最重要，也是最根本消除VOCs排放的措施，不仅可以减轻企业的成本压力，也可以避免CO2的排放，尤其是在喷漆、涂漆作业中，目前的VOCs治理方式为集中收集后进RTO等装置燃烧处理，会因电力消耗、天然气燃烧产生大量的碳排放，VOCs治理成本极高，但若从根本上选用低VOCs的水性漆后，车间中VOCs的含量很低，经过简单的文丘里水系后即可实现达标排放，极大地降低了设备的投资成本和碳排放量。如果使用了低VOCs原辅材料，经过监测，如果排放浓度稳定达标且排放速率满足行业及地方排放标准规定的，可不要求建设VOCs末端治理设施。

3.2 VOCs处理工艺的低碳化发展

对于有机化学品、汽油、石脑油等挥发气体组分相对单一的挥发性有机气体可以优先采用能耗及燃烧消耗相对较低且有回收产品价值的“吸收+吸附”类技术，而避免使用“冷凝+吸附”的高耗能技术[6]。而对于原油或其他无回收价值且废气组分复杂的高浓度挥发性有机气体建议选用“高效燃烧处理技术”进行处理，因此技术在高浓度有机废气条件下可以自行燃烧，在同等处理规模下，电能及资源消耗在燃烧类工艺中是最低的，且处理效率是最高的，因此，在未来的双碳目标背景下值得推广应用。

3.3 VOCs排放标准更加针对性和合理性

目前虽然制定了各行业的VOCs排放标准，但是各排放标准有明显的相似性，不同的行业性质、不同的排放源类型、不同的工况条件未充分得到考虑，制定的排放标准缺乏针对性，对于那些原本排放浓度和排放速率较低的VOCs排放源需要消耗大量的资源实现VOCs排放要求，与双碳目标是相背离的。因此，未来需要各行各业的专家和标准制定者在深入掌握我国VOCs排放情况下，细化VOCs排放标准，实现VOCs环保排放与双碳目标的和谐共赢。

4 结束语

综上所述，“十四五”期间，VOCs仍是大气污染物控制的重要指标，各行各业在制定各自的VOCs治理方案时，应切合自身实际进行选择VOCs治理方案，同时在不同行业、不同VOCs排放源项、不同工况下需更加细化VOCs排放标准，实现VOCs环保达标排放的同时符合双碳目标的总体要求。

［1］于飞．挥发性有机物污染及防治对策[J]．低碳世界，2020，10（6）：22-22.

［2］化工高质量发展研究中心.碳排放被纳入环评，涉及6地区化工行业[J]．染整技术，2021，43（8）：63-64．

［3］张旭．农药行业有机废气蓄热焚烧炉RTO设计要点探讨[J]．辽宁化工，2022，51（8）：1162-1165．

［4］李一倬．低温等离子体耦合催化去除挥发性有机物的研究[D]．上海：上海交通大学，2017．

［5］于示林，王海影，张帅．高效燃烧技术在VOCs废气治理上的应用[J]．资源节约与环保，2022（2）：4-6．

［6］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.

Analysis of VOCs Control Route Under the Situation of Double-carbon Policy

（CNOOC Energy Conservation and Environmental Protection Service Co., Ltd., Tianjin 300450, China）

Volatile organic compounds (VOCs) were listed as one of the most important air pollutants during the "13th five year plan" period. During the "14th five year plan" period, it is still the key air pollutant to be controlled. However, with the establishment of the goal of "carbon peaking and carbon neutralization", while dealing with the VOCs, the advantages and disadvantages of various VOCs treatment technologies should be fully weighed, especially considering the impact on the double carbon goal, and eliminating VOCs, while achieving environmental protection and emission standards, the energy conservation and low consumption of VOCs treatment equipmentshould be fully considered, as well as reducing the production of CO2, or even no CO2emissions.

Volatile organic compounds; VOCs governance; Carbon emission

X701

A

1004-0935（2023）09-1327-04

2022-09-02

于示林（1988-），男，山东省烟台市人，中级工程师，硕士研究生，2014年毕业于中国石油大学（华东）机械工程学院，研究方向：VOCs污染防治。