揮發(fā)性有機(jī)廢氣熱氧化技術(shù)研究進(jìn)展

來(lái)源：上海寶英光電科技有限公司     點(diǎn)擊量：載入中...

　　揮發(fā)性有機(jī)廢氣(VOCs)是一種單位體積能量密度低、成分復(fù)雜、熱值波動(dòng)大的有毒有害大氣污染物。本文分別介紹了吸附濃縮、蓄熱氧化和催化燃燒3類(lèi)VOCs處理工藝，并主要從工程應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)研究?jī)煞矫鎸?duì)當(dāng)前3類(lèi)工藝在國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展進(jìn)行了回顧，還重點(diǎn)從有機(jī)廢氣性質(zhì)和工藝特點(diǎn)兩方面分析了不同技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和制約各自發(fā)展瓶頸。通過(guò)分析比較發(fā)現(xiàn)吸附濃縮對(duì)復(fù)雜有機(jī)廢氣的適應(yīng)性較強(qiáng)，但單位體積吸附材料利用率較低、占地面積大;催化燃燒具有起燃溫度低、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，但運(yùn)行成本較高且單一催化劑對(duì)組分復(fù)雜的VOCs適應(yīng)性差;蓄熱燃燒具有較高的熱回收率，但濃度低、熱值波動(dòng)大的有機(jī)廢氣限制了其運(yùn)行的穩(wěn)定性;組合式工藝相比3類(lèi)基本工藝綜合性能較好，但系統(tǒng)較復(fù)雜、穩(wěn)定性較差以及占地面積大。未來(lái)，對(duì)不同工藝的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行組合與優(yōu)化將成為經(jīng)濟(jì)、治理?yè)]發(fā)性有機(jī)廢氣的途徑之一。
　　揮發(fā)性有機(jī)廢氣(volatileorganiccompounds，VOCs)是指蒸氣壓在室溫下大于70.91Pa、沸點(diǎn)在常壓下低于260℃的有毒有害有機(jī)化合物，其存在于煉油與石化、汽車(chē)制造、工業(yè)噴涂、電路板制造等領(lǐng)域。工業(yè)有機(jī)廢氣主要成分為芳香烴，該廢氣的大量排放不僅對(duì)環(huán)境會(huì)造成破壞，還會(huì)對(duì)生命健康形成巨大威脅，其主要表現(xiàn)為4個(gè)方面：①VOCs中所含的芳香烴可通過(guò)人體和動(dòng)物的呼吸系統(tǒng)以及皮膚組織進(jìn)入體內(nèi)，對(duì)生命健康產(chǎn)生直接危害;②VOCs造成環(huán)境中O3濃度升高、光化學(xué)煙霧以及霧霾等會(huì)對(duì)生命體產(chǎn)生致癌作用;③VOCs中部分物質(zhì)極易與臭氧發(fā)生反應(yīng)，從而對(duì)臭氧層產(chǎn)生不可逆的破壞;④VOCs中多數(shù)成分具有易燃、易爆特性，對(duì)生產(chǎn)的造成隱患。出臺(tái)的《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》明確規(guī)定要加強(qiáng)VOCs的控制與治理[6]，因此，加強(qiáng)工業(yè)源VOCs的防控對(duì)減少大氣污染物的排放具有重要意義。
　　1VOCs廢氣排放特點(diǎn)及治理難點(diǎn)
　　1.1工業(yè)源VOCs廢氣排放特點(diǎn)
　　(1)排放量大據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2011—2013年期間，我國(guó)的VOCs年排放量從1534.3萬(wàn)噸增長(zhǎng)至2935.6萬(wàn)噸，通過(guò)科學(xué)研究預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)，2020—2050年工業(yè)源VOCs排放將在2013年的基礎(chǔ)上增加13.3%～361.3%。
　　(2)VOCs濃度因地區(qū)、行業(yè)的不同而不同如石油、化工以及專(zhuān)用設(shè)備制造業(yè)的總VOCs排放濃度大多超過(guò)103mg/m3，而橡膠、塑料以及毛皮等輕工業(yè)的總VOCs濃度一般在500mg/m3以內(nèi)。
　　(3)同一工業(yè)源VOCs的成分復(fù)雜且隨時(shí)間變化波動(dòng)較大。
　　(4)工業(yè)源VOCs相對(duì)其他類(lèi)型VOCs的排放更集中。
　　1.2工業(yè)源VOCs廢氣治理難點(diǎn)
　　(1)單位體積VOCs能量密度低，一般不能維持系統(tǒng)熱平衡。
　　(2)VOCs成分復(fù)雜，相比單一組分治理更困難。
　　(3)VOCs熱值波動(dòng)范圍大，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性差。
　　目前工業(yè)中常用的有機(jī)廢氣的治理方式有吸收法、燃燒法、冷凝法、吸附法、光催化法、生物降解法、低溫等離子法以及膜分離法等[9]。另外，對(duì)有關(guān)VOCs的處理技術(shù)調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，吸附、催化燃燒和熱力燃燒在國(guó)內(nèi)分別占38%、22%和6%，在國(guó)外相應(yīng)為16%、29%和12%。因此，這3類(lèi)工藝已經(jīng)發(fā)展成為國(guó)內(nèi)外治理VOCs的主流。
　　2工業(yè)源VOCs熱氧化技術(shù)研究進(jìn)展
　　揮發(fā)性有機(jī)廢氣(VOCs)的治理主要受現(xiàn)有技術(shù)的特點(diǎn)和有機(jī)廢氣特性兩方面因素的限制，傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)高濃度VOCs的治理一般都具有較好的效果，然而對(duì)工業(yè)有機(jī)廢氣的處理便表現(xiàn)出較大的不足。針對(duì)有機(jī)廢氣治理的難點(diǎn)，本文對(duì)國(guó)內(nèi)外應(yīng)用、研究的吸附濃縮、蓄熱氧化、催化燃燒和以此3類(lèi)基本工藝組合而成的復(fù)合熱氧化技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，為穩(wěn)定、地處理工業(yè)有機(jī)廢氣工藝的選取和新工藝的開(kāi)發(fā)提供理論與現(xiàn)實(shí)依據(jù)。
　　2.1VOCs吸附濃縮-燃燒技術(shù)
　　吸附濃縮-燃燒法(concentratedcombustionmethod)是一種由吸附濃縮和直接燃燒相結(jié)合的技術(shù)。其處理工藝如圖1所示，VOCs廢氣首先經(jīng)過(guò)濾沉降裝置預(yù)處理，然后進(jìn)入吸附濃縮裝置實(shí)現(xiàn)VOCs與空氣分離，凈化后的大部分冷空氣直接排大氣，小部分和高溫?zé)煔饣旌线M(jìn)入吸附濃縮裝置對(duì)VOCs脫附，產(chǎn)生的高濃度有機(jī)廢氣進(jìn)入預(yù)熱回收裝置吸熱，進(jìn)入燃燒室燃燒，產(chǎn)生的一部分煙氣與冷空氣混合對(duì)VOCs進(jìn)行脫附，另一部分高溫?zé)煔膺M(jìn)入余熱回收裝置中放熱后排放。
　　在生產(chǎn)應(yīng)用中，針對(duì)某橡膠制品硫化工段產(chǎn)生的風(fēng)速約為1.3m/s、風(fēng)量為540000m3/h、VOCs濃度為20～30mg/m3、惡臭濃度為3000(量綱為1)、顆粒物濃度約為5mg/m3的有機(jī)廢氣，奚海萍設(shè)計(jì)了一套系統(tǒng)鋼平臺(tái)占地415m2、運(yùn)行總功率約為854kW的蜂窩狀活性炭立式固定床吸附濃縮-熱力燃燒裝置，該系統(tǒng)運(yùn)行成本9.34元/(W˙m3)，對(duì)VOCs和惡臭的去除率均≥90%。
　　吸附濃縮-直接燃燒技術(shù)核心在VOCs的吸附。該過(guò)程是利用吸附劑對(duì)混合物中特定成分實(shí)現(xiàn)分離，吸附濃縮工藝性能主要受兩方面因素影響：吸附材料和吸附方式的選擇。
　　轉(zhuǎn)輪和固定床是當(dāng)前有機(jī)廢氣濃縮基本的兩種方式。固定床吸附系統(tǒng)采用兩個(gè)或多個(gè)吸附床交替工作對(duì)VOCs實(shí)現(xiàn)濃縮;轉(zhuǎn)輪濃縮系統(tǒng)是將轉(zhuǎn)輪沿圓周方向依次分為吸附、脫附和冷卻3區(qū)域，通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)廢氣的連續(xù)吸附濃縮。相對(duì)固定床而言，轉(zhuǎn)輪吸附濃縮系統(tǒng)具有穩(wěn)定性強(qiáng)、技術(shù)適應(yīng)性廣、運(yùn)行費(fèi)用低、去除率高以及二次污染低等優(yōu)點(diǎn)，但該方法初期投入大。
　　目前，活性炭、炭纖維和分子篩是國(guó)內(nèi)外吸附濃縮低濃度有機(jī)廢氣應(yīng)用研究的3種材料。WANG等對(duì)揮發(fā)有機(jī)混合物在球狀活性炭顆粒上的吸附和脫附進(jìn)行了研究。為驗(yàn)證環(huán)境中甲基叔丁醚的來(lái)源，GIRONI等采用活性炭對(duì)稀釋蒸汽流中的VOCs脫除進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。NAHM等]對(duì)活性炭的熱化學(xué)再生以及對(duì)甲苯吸附特性進(jìn)行了相關(guān)研究。另外，張吉發(fā)現(xiàn)蜂窩狀活性炭對(duì)甲苯的工作吸附容量隨活性炭相對(duì)濕度的增加而降低，床層厚度對(duì)顆?；钚蕴颗c蜂窩活性炭工作吸附容量的影響同相對(duì)濕度類(lèi)似，但顆粒活性炭對(duì)甲苯的工作吸附容量隨空塔流速的增加先增大后減小。劉月穎發(fā)現(xiàn)疏水性沸石篩ZSM-5與蜂窩結(jié)構(gòu)陶瓷基結(jié)合制作成的吸附轉(zhuǎn)輪可使C7H8含量400mg/m3的10℃有機(jī)廢氣凈化率在90%以上。閆茜等發(fā)現(xiàn)對(duì)以MCM-41分子篩作為模板制備的多級(jí)孔碳材料在60℃時(shí)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的硝酸溶液中改性10h后可使其吸附量增加6倍以上。李梁波研究表明苯、甲苯從活性炭纖維上脫附的速率隨溫度和氣流速度的增大而增加，且活性炭纖維多次再生后吸附性能仍在90%以上。趙海洋等還發(fā)現(xiàn)活性炭纖維對(duì)甲苯的吸附特性受溫度影響較小。另外，周宇在對(duì)VOCs的吸附凈化與分離提純LPG的相關(guān)應(yīng)用中表明活性炭在固定床中的無(wú)效層厚度隨活性炭纖維裝填量的增大而減小，且對(duì)正丁烷、異丁烷和丙烷的吸附選擇性吸附由強(qiáng)到弱。活性炭和沸石分子篩來(lái)源、價(jià)格低廉，然而活性炭纖維成本相對(duì)更貴;活性炭在高溫條件下易燃、抗?jié)裥阅懿睿惺肿雍Y抗?jié)裥阅軆?yōu)良、吸附過(guò)程選擇性強(qiáng)、疏水性好寬孔徑的活性炭能較好地適應(yīng)工業(yè)VOCs的治理，然而分子篩和碳纖維的孔徑分布均勻、范圍較窄。雖然3種材料性質(zhì)差異較大，但它們對(duì)工業(yè)有機(jī)廢氣的凈化率均≥95%。
　　針對(duì)吸附濃縮技術(shù)，吸附過(guò)程幾乎都在室溫下進(jìn)行，然而脫附條件卻因后處理設(shè)備的不同而有較大差異。郭昊發(fā)現(xiàn)循環(huán)風(fēng)量為300m3/h的170℃熱氮?dú)鈱?duì)活性炭吸附的有機(jī)溶劑脫附回收相對(duì)更經(jīng)濟(jì)，當(dāng)廢氣在床層中停留時(shí)間在0.4s以上時(shí)脫附效率，顆粒活性炭在195℃氣流中的再生率為88%。沸石分子篩脫附溫度一般較高，脫附溫度區(qū)間較寬，盧晗鋒等采用高溫?zé)崴畬?duì)NaY分子篩進(jìn)行改性后的Y分子篩對(duì)甲苯的脫附溫度可降低140℃左右?；钚蕴坷w維的脫附效率隨著升溫速率的加快而提高，且其重復(fù)性較好，對(duì)較高濃度甲苯的吸附容量為434.8mg/g，但解析脫附過(guò)程可產(chǎn)生二次污染。針對(duì)活性炭吸附濃縮的不同組合工藝，其藝脫附氣流溫度如表1所示。

　　從表1中數(shù)據(jù)分析可知：在有機(jī)廢氣的吸附濃縮組合工藝中，脫附氣流溫度的選擇隨燃燒反應(yīng)溫度水平的提高而增加，一般在100～200℃之間選定。其主要原因?yàn)椋孩俑邷責(zé)煔饨禍匦枰a(bǔ)充冷空氣，因此在傳統(tǒng)燃燒組合工藝中選擇較低的脫附床溫，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低;②脫附主要通過(guò)高溫氣流加熱床料，使VOCs掙脫與吸附床之間的范德華力束縛實(shí)現(xiàn)分離，脫附效率一般隨著床料溫度的升高而升高，但過(guò)高的脫附溫度可能導(dǎo)致爆炸事故的發(fā)生;③脫附溫度一般都>100℃，主要因?yàn)闇囟冗^(guò)低不能克服分子間的范德華力且VOCs揮發(fā)困難，不利VOCs的濃縮，具體要視吸附材料的不同而定。
　　目前，國(guó)內(nèi)外主要從吸附材料種類(lèi)、性質(zhì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化方面對(duì)有機(jī)廢氣的吸附濃縮燃燒進(jìn)行了大量研究，力求限度地提高單位體積吸附材料的吸附容量。吸附濃縮燃燒技術(shù)能夠很好地將濃度低、熱值波動(dòng)大的有機(jī)廢氣轉(zhuǎn)化為可直接進(jìn)行燃燒的高濃度混合氣流，使得后續(xù)處理連續(xù)、穩(wěn)定，大大提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。
　　2.2VOCs蓄熱氧化技術(shù)
　　VOCs蓄熱氧化(regenerativethermaloxidation)是一種采用接觸式換熱技術(shù)，主要利用VOCs自身燃燒或反應(yīng)的放熱來(lái)維持系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行。其工藝流程如圖2所示，揮發(fā)性有機(jī)廢氣經(jīng)吸附沉降裝置預(yù)處理后進(jìn)入蓄熱床2吸熱升溫達(dá)到指定溫度后再進(jìn)入燃燒室進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生高溫?zé)煔膺M(jìn)入蓄熱床1對(duì)床料進(jìn)行放熱降溫完成處理;當(dāng)蓄熱床2無(wú)法對(duì)氣體預(yù)熱到指定溫度后切換系統(tǒng)，如此循環(huán)工作。

• 上一個(gè)：VOCs氣態(tài)污染物監(jiān)測(cè)：罐采樣-GC/MS結(jié)合技術(shù)概述與進(jìn)展

• 下一個(gè)：化工園區(qū)大量整頓撤銷(xiāo)，數(shù)萬(wàn)化工企業(yè)何去何從？