喷淋-吸附联合处理在化工行业VOCs废气治理与控制中的应用实践

余敏 王骏 蒋莎莎

摘      要：探究喷淋-吸附技术在化工行业VOCs废气治理中的应用。首先阐述了该技术的工作原理，再深入讨论其在实际操作中的设计和应用要点。揭示了通过结合喷淋与吸附，高效地去除VOCs，为化工行业提供了一种创新而实用的废气治理方案。

关  键  词：喷淋-吸附联合处理；VOCs废气治理；化工行业

中图分类号：TQ028     文献标识码： A     文章编号： 1004-0935（2024）06-0967-03

随着工业化进程的加速，化工行业不断扩张，其产生的挥发性有机化合物（VOCs）排放问题日益受到关注。VOCs不仅是空气污染的主要原因，还可能导致人体健康问题和生态系统的破坏。为此，科研和工业界纷纷探索高效、经济的VOCs废气治理技术。喷淋-吸附技术作为其中的一个新兴策略，因其结合了物理和化学处理的双重优势，逐渐受到广泛关注和应用。这种技术不仅可以高效去除废气中的VOCs，还能实现资源的回收和再利用。在这一背景下，对喷淋-吸附技术的深入理解与应用实践成了环境工程和化工领域的重要研究课题。

1  喷淋与吸附的基本原理

化工及其他相关行业中的废气治理经常涉及两种主要技术：喷淋和吸附。这两种技术各自具有独特的机理，但在实际应用中，它们的结合提供了一个高效的策略，用于去除和控制废气中的污染物，特别是挥发性有机化合物（VOCs）。

1.1  喷淋的基本原理

喷淋技术是一种基于液-气相间物质传递的废气治理方法。其核心设备是喷淋塔，其目的是确保废气与吸附液（常为水或特定的化学溶液）产生高效的质量交换，从而实现VOCs从气相到液相的转移[1]。在这一过程中，物质传递系数、Henry常数和废气的分子扩散系数都是关键的参数。喷嘴的设计和配置在此过程中起到了决定性的作用。特别是喷嘴的雾化效果和水滴粒径分布直接影响着液-气接触的表面积和传递效率。优质的喷嘴设计可以产生细小的水滴，其平均粒径一般在50～150 μm，从而确保与废气的充分混合和接触。这样不仅可以提高VOCs的吸附效率，还能节省吸附液的使用量，进一步提高废气治理的经济效益。

1.2  吸附的基本原理

吸附是一种物理或化学过程，其中固体表面（称为吸附剂）吸附气态或液态分子（吸附质）。在VOCs废气治理中，废气通过充满特定吸附材料的吸附塔，使得VOCs等污染物在吸附材料的表面或微孔内得到固定。这一过程的效率高低与吸附材料的选择、比表面积、孔径分布和孔容密切相关。例如，活性炭通常具有800～1 200 m2·g-1的比表面积，而沸石和硅胶的比表面积分别为约400～800 m2·g-1和500～900 m2·g-1。这些吸附材料的多孔结构为其提供了大量的微孔和介孔，从而确保了高效的VOCs去除。此外，吸附材料的孔径分布、化学稳定性和吸附热也是影响其性能的重要指标。因此，在选择吸附材料时，需要综合考虑这些因素，以确保达到最佳的废气治理效果。

1.3  两者结合使用在VOCs处理上的优势

在化工行业废气治理领域，喷淋与吸附的联合使用为VOCs的处理带来了显著的优势。这两种方法的协同作用能够在多个层面上提高污染物的去除效率，从而为工业废气治理提供了一个高效和经济的策略。当喷淋技术首先被应用于废气处理时，其主要依赖于液-气物质传递的原理。液体喷淋系统中的化学溶液或水能够有效地溶解和吸收大部分的VOCs。这一阶段的处理主要基于废气与吸附液之间的分子间作用力、解离和溶解度等化学和物理性质。通过选择特定的溶液，可以增强对某些特定VOCs的去除率。而随后的吸附阶段则进一步强化了去除效果。在这一阶段，残留的VOCs分子通过固-气界面的相互作用，被吸附到活性炭、沸石或其他吸附剂的表面或孔隙中。这一过程受到吸附材料的特性、孔径大小、比表面积等因素的影响，从而确保了对VOCs的高效去除。

2  设计和应用

2.1  设备设计

喷淋-吸附系统是专门针对化工行业VOCs设计的一种废气治理装置。这种联合系统的主要优点是将两种废气处理技术相结合，实现更高的VOCs去除效率。

2.1.1  设备主要构成

喷淋塔： 作为前端处理单元，使用特定的化学溶液或水喷淋，旨在吸收和溶解大部分VOCs。喷淋塔的设计要确保流体动力学的合理性，其流速通常在1～2 m·s-1。此塔包括进气段、喷嘴、填料区（具有约200～500 m2·m-?的比表面积）和出气段[3]。

吸附塔：后端处理单元，利用如活性炭或沸石这类具有800～1 200 m2·g-1比表面积的吸附材料，进一步去除经喷淋后的残余VOCs。它由进气段、填充材料区和出气段组成。

循环系统：为确保喷淋液的连续循环使用，系统设有一个存储与循环单元，能降低资源消耗约10%～15%。

监测与控制单元： 通过传感器进行实时监测，如VOCs质量分数（（0～1 000）×10-6）、温度（通常25～45 ℃）、压力（约0.1～0.5 MPa）等，并对设备参数实时调整[2]。

2.1.2  工作流程

预处理阶段：首先，化工废气经过冷却装置将温度降至约25～30 ℃以减少VOCs的挥发性。接下来，使用除尘系统，通常为电除尘或布袋除尘，去除颗粒物并确保颗粒浓度低于50 mg·m-3，随后废气进入喷淋塔。

喷淋阶段： 在喷淋塔内，通过专业设计的喷嘴，废气与喷淋液（其pH通常控制在6.5～8.5）充分接触，使得VOCs的去除效率可达70%～85%。通过流体动力学的优化，使液气比保持在1.0～1.5 L·m-3。经处理的喷淋液收集在塔底，并通过循环泵进行再次利用，达到循环使用率的90%以上。

吸附阶段： 经喷淋处理后的废气进入吸附塔。这里采用具有800～1 200 m2·g-1比表面积的活性炭或沸石进行吸附。在典型的运行条件下，当吸附材料的饱和度达到80%～90%时，需要进行更换或热再生。

出气处理：经过喷淋-吸附双重处理后的废气，其VOCs浓度已降低至（10～50）×10-6范围，满足大部分地区的排放标准，并从出气段安全排放。

监测与调整：配备先进的监测与控制单元，实时监测VOCs浓度、温度、压力（通常控制在0.1～0.5 MPa）等关键参数。系统根据实时数据自动调整喷淋量、循环速率和吸附塔的流速，确保持续地高效处理。

2.2  运行参数

喷淋-吸附系统的处理效率在很大程度上依赖于其运行参数的设定和调整[3]。其中，喷淋速度，也称为液气比（L/G），是指单位时间内喷淋液的量与单位时间内处理的废气体积的比值，它的适当选择可以确保充分的液气接触并最大化VOCs的溶解和去除；喷淋液的pH也会影响VOCs的溶解效率；吸附材料，如活性炭、沸石等的选择则取决于需要处理的VOCs种类和浓度；吸附时间，即废气在吸附塔内的停留时间，与塔的高度和废气的流速有关，而且长时间有助于提高VOCs的去除效率；塔的填充材料，如耐酸碱的材料，会影响液气接触效率。废气的温度和压力也会对VOCs的吸收和吸附效率产生影响[5]。具体参数如表1所示。

合理的参数选择和调整是实现喷淋-吸附系统高效、稳定和经济运行的关键。

2.3  实际应用案例

案例：某石油化工企业的苯系物处理。

石油化工企业在生产过程中经常会产生含有苯、甲苯和二甲苯的废气，这些VOCs对环境和人体健康有害[6-10]。在该企业的实际情况中，苯系物的废气处理一直是一个技术和经济挑战。在采用传统的单一喷淋或吸附方法进行处理前，其VOCs的去除率往往在70%～80%，且运行成本较高。引入喷淋-吸附联合技术后，企业对其废气处理流程进行了全面的优化。首先，针对苯系物的物化性质，选择了适合的喷淋液，调整了L/G比，确保了充分的液气接触和VOCs的溶解。接着，采用了特定的吸附材料，如活性炭或特种沸石，这些材料对苯系物有很高的选择性吸附能力。通过这种两步处理策略，VOCs的去除率达到了95%以上。对比引入喷淋-吸附联合技术前后的处理效果，明显可以看到该技术带来的显著提升，如表2所示。

从表2中可以看出，喷淋-吸附联合技术不仅显著提高了VOCs的去除率，还具有较低的运行成本和维护频率，且适应性更强。这在很大程度上帮助石油化工企业实现了环境友好和经济有效的废气处理。

3  结论

化工行业的VOCs废气治理与控制对于环境保护和工业持续发展至关重要。经过深入研究和对比分析，喷淋-吸附联合技术展现出超越传统方法的多方面优势。首先，其VOCs的去除率达到了令人满意的>95%，确保了废气的高效净化。其次，相对于其他技术，如冷冻凝结，其具有较低的运行成本和设备复杂度。此外，喷淋-吸附技术的高适应性使其能够处理多种VOCs，满足化工企业的多样化需求。由此可见，对于追求经济效益与环境效益双赢的化工企业，喷淋-吸附联合技术无疑是一个值得考虑的优选方案。

参考文献：

[1] 鲁明亮，王利，蒋中正.论化工行业VOC废气治理措施[J].皮革制作与环保科技，2023，4（7）：5-7.

[2] 陈刚，陆晓昊，潘春雷，等.化工行业VOC废气治理措施分析[J].皮革制作与环保科技，2023，4（13）：143-145.

[3] 曹珊珊.VOCs废气治理的技术探究[J].皮革制作与环保科技，2021，2 （5）：120-121.

[4] 戴燕，王瑞文，谭劭康，等.广东省典型塑料制品企业VOCs排放特征和环境影响[J].环境科学学报，2023，43（6）：155-163.

[5] 彭昆.常见的VOC废气治理技术分析[J].皮革制作与环保科技，2023，4 （12）：122-124.

[6] 王威.化工行业VOCs废气治理措施分析[J]. 石化技术， 2023， 30 （9）： 10-12.

[7]侯衍哲.ABS树脂装置的废气治理研究[J].辽宁化工，2022，51 （5）：706-708.

[8] 夏杰，肖庆军.精细化工行业有机废气的治理措施[J].当代化工研究， 2023 （9）：70-72.

[9] 王伟江，卢晓锋，丁强.浅谈化工行业VOC废气综合治理的有效措施[J].当代化工研究，2023（7）：94-96.

[10] 李林燠，玛尔湖兰·霍依巴哈尔，董小林.工业废气治理成效研究——以各省级区域为例[J].环境科学与管理，2023，48（8）：33-38.

[11]梁长华.化工行业VOCs废气治理措施分析[J].皮革制作与环保科技， 2022， 3 （10）：7-9.

Application Practices of Spray-Adsorption Combined Treatment Process

in Treatment and Control of VOCs Waste Gas From Chemical Industry

YU Min 1， WANG Jun 2， JIANG Shasha 3

（1. Zhejiang Xiushui Environmental Protection Co.， Ltd.， Hangzhou Zhejiang 310000， China;

2. Zhejiang Jiaoke Environmental Technology Co.， Ltd.， Hangzhou Zhejiang 310000， China;

3. Wenling Environmental Comprehensive Improvement Center， Taizhou Zhejiang 317500， China）

Abstract： The application of spray-adsorption technology in VOCs waste gas treatment in the chemical industry was explored. Firstly， the working principle of the technique was introduced， as well as the design and application in practice. How to efficiently remove VOCs by combining spraying spray and adsorption were revealed， in order to provide an innovative and practical waste gas treatment scheme for the chemical industry.

Key words： Spray-adsorption joint treatment; VOCs waste gas treatment; Chemical industry