VOCs废气治理9大工艺、适用范围和成本控制

随着工业化程度的不断提高，VOCs的污染有进一步扩大的趋势。而随着最近环保政策的愈加严厉，对有机污染废气的排放控制就显得更为重要了。下面一起来看看国内外都有哪些技术呢？各有什么优缺点呢？

一、处理原理及分类

目前的挥发性有机污染物的治理包括破坏性，非破坏性方法，及这两种方法的组合。

破坏性的方法包括燃烧、生物氧化、热氧化、光催化氧化，低温等离子体及其集成的技术，主要是由化学或生化反应，用光，热，微生物和催化剂将VOCs转化成CO2和H2O等无毒无机小分子化合物。

非破坏性法，即回收法，主要是碳吸附、吸收、冷凝和膜分离技术，通过物理方法，控制温度，压力或用选择性渗透膜和选择性吸附剂等来富集和分离挥发性有机化合物。

传统的挥发性废气处理常用吸收、吸附法去除，燃烧去除等，在最近几年中，半导体光催化剂的技术体，低温等离子得到了迅速发展。

二、处理工艺解析

1、吸附工艺

（1）吸附工艺简介

吸附法主要适用于低浓度气态污染物的净化，对于高浓度的有机气体，通常需要首先经过冷凝等工艺将浓度降低后再进行吸附净化。吸附技术是最为经典和常用的气体净化技术，也是目前工业VOCs 治理的主流技术之一。吸附法的关键技术是吸附剂、吸附设备和工艺、再生介质、后处理工艺等。

活性炭因其具有大比表面积和微孔结构而广泛应用于吸附回收有机气体。目前，对活性炭吸附有机气体的研究主要集中在吸附平衡的预测、活性炭材料的改性及有机物的物化性质对活性炭吸附性能的影响。

（2）活性炭吸附工艺原理及流程

    活性炭纤维吸附有机废气是当今世界上最为先进的技术之一，活性炭纤维比颗粒状活性炭具有更大的吸附容量和更快的吸附动力学性能，活性炭吸、脱附工艺流程见图1。

（3）活性炭吸附工艺影响因素

（4）活性炭净化空气的物理吸附，如图2所示四种情况：

·                     分子直径大于孔的直径，由于空间位阻，分子不能入孔，因此不吸附；

·                     分子直径等于孔的直径，吸附剂的捕捉力很强，非常适合低浓度吸附；

·                     分子直径小于孔的直径，孔内发生毛细管冷凝，吸附容量大；

·                     分子直径远小于孔的直径，吸附分子很容易解吸，解吸速率高，低浓度下的吸附量较小。

（5）活性炭吸附工艺的优缺点

优点：

·                     适用于低浓度的各种污染物；

·                     活性炭价格不高，能源消耗低，应用起来比较经济；

·                     通过脱附冷凝可回收溶剂有机物；

·                     应用方便，只与同空气相接触就可以发挥作用；

·                     活性炭具有良好的耐酸碱和耐热性，化学稳定性较高。

缺点：

·                     吸附量小，物理吸附存在吸附饱和问题，随着吸附剂的消耗，吸附能力也变弱，使用一段时间后可能会出现吸附量小或失去吸附功能；

·                     吸附时，存在吸附的专一性问题，对混合气体，可能吸附性会减弱，同时也存在分子直径与活性炭孔径不匹配，造成脱附现象；

2、吸收工艺

（1）吸收工艺简介

用溶液、溶剂或清水吸收工业废气中的挥发性气体，使其与废气分离的方法叫吸收法。溶液、溶剂、清水称为吸收剂。吸收剂不同可以吸收不同的有害气体。

吸收法使用的吸收设备叫吸收器、净化器或洗涤器。吸收法的工艺流程和湿法除尘工艺近似，只是湿法除尘工艺用清水，而吸收法净化有害气体要用溶剂或溶液。

（2）吸收工艺原理及流程

以石油和天然气回收为例，石油和天然气回收应包括炼油厂，化工厂，石油和天然气站装卸、产生的油气。石油和天然气出厂到销售终端是一个完整的系统。

美国和欧洲国家，通常是在加油站采用一阶段和两阶段油气回收措施，即密闭卸油与加油，储罐内油气返回油罐车，在加油时使用真空辅助装置或油箱内压返回储罐。在油库，炼油厂和其他石油制品经销地设置油气回收装置，回收油气。

吸收法通常用于油气回收。装卸油品时产生的油气进入吸收塔，从出口排出贫油空气，解吸塔内进行吸收液的真空解吸，解吸的吸收液再循环利用，回收塔用汽油将进入的解吸气进行回收，尾气返回吸收塔重复该过程。用溶液吸收法回收挥发性有机物的吸收液通常是特殊的吸收液，吸收液的选择将影响回收效果。

（3）吸收工艺优缺点

优点：

        吸收法工艺比较简单，设备投资较低，操作和维修费用基本与碳吸附法相当，由于吸收介质是采用煤油和吸收液，因此没有二次污染问题。

缺点：

        此工艺方法回收效率低，对于环保要求较高时，很难达到允许的油气排放标准；设备占地空间大；能耗高；吸收剂消耗较大，需不断补充。

3、冷凝工艺

（1）冷凝工艺简介

油品在储运和销售过程中部分轻烃组分挥发进入大气，造成资源浪费和环境危害。同时有机溶剂广泛应用于工业生产中，每年都有大量的有机溶剂挥发到空气中，危害人类健康，造成严重的环境污染。采取合适的方法回收这些挥发性有机物不但可以降低企业生产成本，而且具有巨大的环保效益。

冷凝法是用来回收VOCs的一种有效方法，其基本原理是利用气态污染物在不同的温度和压力下具有不同饱和蒸汽压，通过降低温度和增加压力，使某些有机物凝结出来，使VOCs得以净化和回收。

（2）冷凝工艺原理及流程

冷凝式油气回收设备采用多级复叠或自复叠制冷技术，系统流程虽然相对复杂，但其关键部件压缩机和节流机构已全部实现本土化生产，投资和运行成本较低。

根据换热管工作原理可分为制冷剂回路和气体回路部分，换热管连接两部。在气体循环部分，低温冷媒在换热器中和热的有机溶剂混合气体进行热交换，有机溶剂液化后回收，制冷剂流入储液罐。

制冷剂回路，压缩机将制冷剂压缩成高温高压气态制冷剂，通过风冷冷凝器液化，通过干燥过滤器，在冷媒-制冷剂热交换器中冷的液态制冷剂与冷媒进行热交换，低温冷媒进入储液罐，制冷剂通过吸入过滤器进入压缩机入口，完成整个的制冷剂冷媒换热过程。

（3）冷凝工艺的影响因素

冷凝分离法回收轻烃要对原料气体冷却降温。根据原理可分为节流膨胀制冷，膨胀机膨胀制冷。根据工艺可分为制冷剂制冷（如丙烷制冷），节流膨胀制冷，膨胀机膨胀制冷，混合制冷（在膨胀机膨胀制冷或工艺流体自身节流膨胀制冷的基础上外加冷剂制冷）。

分离方法包括精馏系统精馏分离，分离器相平衡分离。这个过程一般包括脱水、增压（低压力气体）、精馏和制冷。以上冷凝工艺的各个部分的选择都会影响最终的冷凝效果。

（4）冷凝工艺优缺点

优点：

冷凝法是利用物质沸点的不同回收，适合沸点较高的有机物，该方法具有回收纯度高、设备工艺简单、能耗低的优点；并有设备紧凑、占用空间小、自动化程度高、维护方便、安全性好、输出为液态油可直接利用等优点；

缺点：

单一冷凝法要达标需要降到很低的温度，耗电量巨大，不是真正意义上的“节能减排”。

4、膜分离工艺

（1）膜分离工艺简介

在石油开采和储运过程中，部分油品挥发到大气中形成的油气中，除空气外，主要C4-C5以及少量芳香烃。这些有机蒸气排放不仅造成严重的资源浪费，而且对空气质量有很大影响，进而影响人类的健康，目前，有机蒸气的分离回收方法主要是冷凝、活性炭吸附、膜分离法、溶剂吸收法。膜分离技术是一种效率较高的分离方法 。

（2）膜分离工艺原理及流程

膜分离有机蒸气回收系统是通过溶解-扩散机理来实现分离的。气体分子与膜接触后，在膜的表面溶解，进而在膜两侧表面就会产生一个浓度梯度，因为不同气体分子通过致密膜的溶解扩散速度有所不同，使得气体分子由膜内向膜另一侧扩散，最后从膜的另一侧表面解吸，最终达到分离目的。

膜分离装置设于高压冷凝器之后，缓冲罐前，由于排放气压缩机能力不足，只有一部分气体经过膜分离装置，其他部分直接进入缓冲罐，渗透气返回至低压冷却器前，尾气进入缓冲罐。

（3）膜分离工艺的影响因素

支撑层的材质对渗透速率和烃类VOCs回收率产生重要影响，对于同一种材质的支撑层，渗透速率和烃类VOCs 回收率随孔径的减小而增大，但当孔径减到某一临界值时，随孔径的继续减小，渗透速率和烃类VOCs 回收率将减小。

（4）膜分离工艺优缺点

优点： 

膜分离技术是近代石油化工学科中分离科学的前沿技术。它具有投资小、见效快、流程简单、回收率高、能耗低、无二次污染的特点，具有较高的科技含量；

缺点：

投资大；膜国产率低，价格昂贵，而且膜寿命短；膜分离装置要求稳流、稳压气体，操作要求高。

5、燃烧工艺

（1）燃烧工艺简介

一类VOCs 处理方法是所谓破坏性技术，即通过化学或生物的技术使VOCs 转化为二氧化碳、水以及氯化氢等无毒或毒性小的无机物。燃烧法即属此类技术。

燃烧法分直接燃烧法和催化燃烧法。直接燃烧法适合处理高浓度 VOCs 的废气，因其运行温度通常在800-1200℃时，工艺能耗成本较高，且燃烧尾气中容易出现二恶英、NOx等副产物；由于废气中VOCs浓度一般较低，仅仅依靠反应热，一般难以维持反应所需的温度。

为了提高热经济性，人们开展了大量的研究，一个方向是改进催化剂的性能使反应温度降低。另一个方向是研究新的工艺技术、新的反应器设计以使反应能在较高的温度下自热地实现。

（2）燃烧工艺原理及流程

催化燃烧中，预热式是一种基本的流程形式。有机废气在进入反应器之前，要在预热室中的加热，因为有机废气温度低于100摄氏度时，浓度低，热量不能自给。燃烧净化后，与未处理的废气进行热交换，回收部分的热量。煤气或电加热是该工艺常用的方法，加热到催化反应所需的点火温度。

（3）燃烧工艺的影响因素

催化燃烧催化剂的选择是关键，在消除效率和能耗方面其性能具有决定性的作用。对于挥发性有机化合物氧化催化剂一般可分为2类：贵金属催化剂（铂，钯等）和金属氧化物催化剂（铜，铬，锰等），贵金属催化剂被广泛使用于挥发性有机化合物的催化燃烧，因其具有良好的起燃活性。在用于催化氧化VOCs的贵金属催化剂中，铂比钯活性要高。

（4）燃烧工艺优缺点

优点：

相较与直接燃烧法其辅助燃料费用低，二次污染物NOx生成量少，燃烧设备的体积较小，VOCs去除率较高；

缺点：

催化剂价格较贵，且要求废气中不得含有会导致催化剂失活的成分。

6、生物过滤工艺

（1）生物过滤工艺简介

利用微生物的新陈代谢过程对多种有机物和某些无机物进行生物降解，可以有效去除工业废气中的污染物质，此即为处理有机废气的生物法。

最先提出采用微生物处理废气构想的是 Bach，他曾于1923年利用土壤过滤床处理污水处理厂散发的含 H2S 恶臭气体。在德国和荷兰的许多地区，该技术已大规模并成功地应用于控制气味，挥发性有机化合物和空气中的有毒排放，许多常见的空气污染物的控制效率已经达到90％以上。

（2）生物过滤工艺原理及流程

生物过滤工艺系统通过气体输送装置，喷淋装置和过滤塔主体三个部分组合而成。挥发性有机化合物通过加压预湿，在过滤塔内与填料层表面的生物膜相接触，挥发性有机物从气相转移到生物膜，进而被微生物分解利用，并且被转化成二氧化碳，水和其他的分子物质，然后将净化后的气体排出。喷淋装置定期向填料层喷洒喷淋液, 以调节填料层的水分含量、pH 值和营养盐含量。

（3）生物过滤工艺的影响因素

填料：生物滴滤器中, 生物膜生长在填料的表面, 气态有机物流通于填料之间的空隙。填料比表面积的大小在一定程度上反映了微生物的多少, 孔隙率则影响气体、液体的流速, 而填料层的高度对有机物是否处理完全有着重要意义。

营养液：生物滴滤塔中的营养物质，微量元素和缓冲液均匀喷洒在填料上，以提供生物膜中生物菌群生长和繁殖所需的营养物质。挥发性有机物的去除率一定程度上受营养液的流量，氮和磷的含量等的影响。

进气：生物滴滤器运行过程中, 气体流量、入口气体浓度的大小都对气体本身的去除效率有着显著的影响。

（4）生物过滤工艺优缺点

优点：

适用范围广，处理效率高，工艺简单，费用低，无二次污染 。

缺点：

对高浓度、 生物降解性差及难生物降解的 VOCs 去除率低 。

7、等离子体工艺

（1）等离子体工艺简介

等离子体污染物控制技术利用气体放电产生具有高度反应活性的粒子与各种有机、无机污染物发生反应，从而使污染物分子分解成为小分子化合物或氧化成容易处理的化合物而被去除。

这一技术的最大特点是可以高效、便捷地对多种污染物进行破坏分解，使用的设备简单，占用的空间较小，并适合于多种工作环境。

（2）等离子体工艺原理及流程

用于处理挥发性有机物的主要是电晕放电,主要的降解机制如下：在施加的电场下，在电极空间中的电子获得了能量并开始加速。运动的过程中的电子与气体分子相互碰撞，使气体分子被激发、电离或吸附电子成为负离子。

（3）等离子体工艺的影响因素

在降解过程中，电极电压的选择和控制是其主要内容，它会影响放电介质的放电和电子的携能，以及之后的一系列反应，进而影响到降解效率；同时电极电压也作为该方法达到商业应用的一个重要参数，因此电极电压的选择特别关键。

低温等离子体降解VOCs除了和电极电压有密切关系外,其还受反应器结构、反应背景气氛、VOCs 废气中含水量、放电频率、放电电压、VOCs 的化学结构、催化剂种类、低温等离子体放电形式、反应温度以及 VOCs的初始浓度等的影响,其中以气体浓度和气流量的影响为主。

（4）等离子体工艺优缺点

优点：

处理效率高，运行费用低，特别对芳烃的去除效率高。

缺点：

对高浓度 VOCs 处理效率一般，目前主要停留在实验室阶段，缺乏实际应用。

8、光催化氧化工艺

（1）光催化氧化工艺简介

光化学和光催化氧化法是目前研究较多的一种高级氧化技术。光催化反应即在光的作用下进行的化学反应。分子吸收特定波长的电磁辐射后，是分子达到激发态，然后发生化学反应，产生新的物质，或成为热反应的引发剂。

（2）光催化氧化工艺原理及流程

Ti02作为一种半导体材料其自身的光电特性决定了它可以用作光催化剂。半导体的能带结构通常是一个电子填充低能量价带（VB）和一个空的高能量的导带（CB），导带和价带之间的区域被称为禁带。

当照射半导体的光能量等于或大于禁带宽度时，其价带电子被激发，跨过禁带进入导带，并在价带中产生相应空穴。电子从价带激发到导带，激发后分离的电子和空穴都有一部分进一步进行反应。

光催化反应机理见图：

（3）光催化氧化工艺的影响因素

研究表明，反应物初始浓度对光催化效率或降解速率有明显的影响。光催化效率随着初始浓度增加而波动，存在明显的浓度转变点；低浓度目标物的光催化降解效率大于高浓度目标物的光催化降解效率。

湿度对光催化反应的影响尚无一致性结论。对于不同化合物或者不同浓度等实验条件，存在很大的差别。

（4）光催化氧化工艺优缺点

优点：

处理效率高，运行费用低，适用于低浓度广范围的 VOCs特别对芳烃的去除效率高；

缺点：

对高浓度 VOCs 处理效率一般；主要还停留在实验室阶段，缺乏实际应用。

9、沸石转轮+RTO工艺

（1）工艺原理：

VOCs废气通过沸石浓缩转轮后，能有效被吸附于沸石中，达到去除的目的。经过沸石吸附的挥发性气体被洁净后直接通过烟囱排放到大气中，转轮持续以1-6转/小时的速度旋转。

同时将吸附的挥发性有机物传送至脱附区，于脱附区中利用一小股加热气体将挥发性有机物进行脱附，脱附后的沸石转轮旋转至吸附区，持续吸附挥发性有机气体。脱附后的浓缩有机废气送至焚化炉进行燃烧转成二氧化碳及水蒸气排放至大气中。

2.技术特点

三、工艺选择

1.技术选择

2.根据VOCs浓度及流量

3.相对费用