干貨 | VOCs治理設施工藝介紹和成本分析
VOCs治理設施工藝介紹和成本分析
一、VOC廢氣處理簡介
（一）來源
大氣中VOCs污染物是人為源和天然源排放到大氣中有機化合物-非甲烷烴類的總稱，目前正受到日益廣泛的關注。
全世界在空氣中檢出的VOCs已經有約150余種，其中有毒的約80余種。人們關注的大氣中的VOCs主要來自人為污染源：即生產工藝過程排放。這些工藝過程包括：石化廠、煉油廠及在生產過程中大量使用有機溶劑的相關行業，如涂料生產、涂裝、印刷、制藥、皮革加工、樹脂加工等。
（二）危害
VOCs是強揮發、有特殊氣味、有刺激性、有毒的有機氣體，部分己被列為致癌物，如氯乙烯、苯、多環芳烴等。其危害主要有：
(l)在陽光照射下，NOx和大氣中的VOCs發生光化學反應，生成臭氧、過氧硝基酞(PAN)、醛類等光化學煙霧，造成二次污染，刺激人的眼睛和呼吸系統，危害人的身體健康。這些污染物同時也會危害農作物的生長，甚至導致農作物的死亡。
(2)大多數VOCs有毒、有惡臭，使人容易染上積累性呼吸道疾病。在高濃度突然作用下，有時會造成急性中毒，甚至死亡。
(3)大多數VOCs都易燃易爆，在高濃度排放時易釀成爆炸。
(4)部分VOCs可破壞臭氧層。
（三）污染控制技術
VOCs的控制技術基本分為兩大類。
第一類是預防性措施，以更換設備、改進工藝技術、防止泄漏乃至消除VOCs排放為主，這是人們所期望的，但是以目前的技術水平，向環境中排放和泄露不同濃度的有機廢氣是不可避免的，這時就必須采用第二類技術。
第二類技術為控制性措施，以末端治理為主。末端控制技術包含兩類，第一類是非破壞性方法，即采用物理方法將VOCs回收；第二類是通過生化反應將VOCs氧化分解為無毒或低毒物質的破壞性方法。
對于比較高濃度的或比較昂貴的VOCs宜采用回收技術加以循環利用。常用的回收技術主要有吸附、吸收、冷凝、膜技術等。
揮發性有機化合物（VOCs）廢氣處理的控制技術包括直燃焚化法、觸媒焚化法、活性碳吸附法、吸收法、冷凝法等。
有機廢氣的處理方法主要有兩類:一類是回收法。就是通過物理方法 ,在一定溫度、壓力下 ,用選擇性吸附劑和選擇性滲透膜等方法來分離揮發性有機化合物(VOCs) ,主要包括活性碳吸附、變壓吸附、冷凝法和生物膜法等;另一類是消除法。消除法是通過化學或生物反應 ,用光、熱、催化劑和微生物等將有機物轉化為水和二氧化碳 ,主要包括熱氧化、催化燃燒、生物氧化、電暈法、等離子體分解法、光分解法等。
表99 VOC廢氣處理技術簡介
處理方法 | 原 理 | 適 用 | |
回 收 技 術 | 吸附 技術 | 吸附法是目前最廣泛使用的VOCs回收法。它屬于干法工藝，是通過具有較大比表面積的吸附劑對廢氣中所含的VOCs進行吸附，將凈化后的氣體排入大氣。常見的的吸附劑有粒狀活性炭、活性炭纖維、沸石、分子篩、多孔粘土礦石、活性氧化鋁、硅膠和高聚物吸附樹脂等。活性炭吸附法最適于處理VOCs濃度為300-5000ppm的有機廢氣， | 主要用于吸附回收脂肪和芳香族碳氫化合物、大部分含氯溶劑、常用醇類、部分酮類和酯類等;活性炭纖維吸附低濃度以至痕量的吸附質時更有效，可用于回收苯乙烯和丙烯腈等，但費用較活性炭吸附法高。該法已廣泛用于噴漆行業的苯、乙醇和醋酸乙酯，制鞋行業的三苯(苯、甲苯、二甲苯)和丙酮，印刷行業的異丙醇、醋酸乙酯和甲苯，電子行業的二氯甲烷和三氯乙烷的吸附回收。 |
吸收 技術 | 吸收法是利用液體吸收液從氣流中吸收氣態VOCs的一種方法，其常用方式有填料塔和噴淋塔兩種吸收法，吸收效果主要取決于吸收劑的吸收性能和吸收設備的結構特征。該法對吸收劑和吸收設備的有較高的要求，而且需要定期更換吸收劑，過程較復雜，費用較高。 | 常用于處理高濕度>(50%)VOCs氣流。該法的處理濃度范圍為500-5000ppm，效率高達95%~98%，但投資較大，設計困難，應用較少。 | |
冷凝 技術 | 冷凝法是利用物質在不同溫度下具有不同飽和蒸汽壓這一性質，采用降低溫度、提高系統的壓力或者既降低溫度又提高壓力的方法，使處于蒸氣狀態的VOCs冷凝并從廢氣中分離出來的過程。在給定的溫度下，VOCs的初始濃度越大，VOCs的去除率越高。 | 冷凝法特別適用于處理VOCs濃度在10000ppm以上的較高濃度的有機蒸氣，VOCs的去除率與其初始濃度和冷卻溫度有關。 冷凝法在理論上可達到很高的凈化程度，但是當濃度低于幾個ppm時，須采取進一步的冷凍措施，使運行成本大大提高，所以冷凝法不適宜處理低濃度的有機氣體，而常作為其他方法（如吸附法、焚燒法和使用溶劑吸收）凈化高濃度廢氣的前處理，以降低有機負荷，回收有機物。 | |
膜技 術 | 冷凝法是利用物質在不同溫度下具有不同飽和蒸汽壓這一性質，采用降低溫度、提高系統的壓力或者既降低溫度又提高壓力的方法，使處于蒸氣狀態的VOCs冷凝并從廢氣中分離出來的過程。 | 冷凝法特別適用于處理VOCs濃度在10000ppm以上的較高濃度的有機蒸氣，VOCs的去除率與其初始濃度和冷卻溫度有關。 在給定的溫度下，VOCs的初始濃度越大，VOCs的去除率越高。冷凝法在理論上可達到很高的凈化程度，但是當濃度低于幾個ppm時，須采取進一步的冷凍措施，使運行成本大大提高，所以冷凝法不適宜處理低濃度的有機氣體，而常作為其他方法（如吸附法、焚燒法和使用溶劑吸收）凈化高濃度廢氣的前處理，以降低有機負荷，回收有機物。 | |
銷 毀 技 術 | 燃燒 技術 | 熱破壞是目前應用比較廣泛也是研究較多的有機廢氣治理方法，特別是對低濃度有機廢氣。有機化合物的熱破壞可分為直接火焰燃燒和催化燃燒。燃燒時所發生的化學作用主要是燃燒氧化作用及高溫下的熱分解。 直接燃燒法：把廢氣中可燃的有害組分當作燃料直接燃燒。因此，該方法只適用于凈化可燃有害組分濃度較高的廢氣，或者是用于凈化有害組分燃燒時熱值較高的廢氣。 催化燃燒法：在催化劑作用下，使廢氣中的有害可燃組分完全氧化為CO2和H2O等。由于絕大部分有機物均具有可燃燒性，因此催化燃燒法己成為凈化含碳氫化合物廢氣的有效手段之一。又由于很大一部分有機化合物具有不同程度的惡臭，因此催化燃燒法也是消除惡臭氣體的有效手段之一。 | 因此，這種方法只能適用于凈化那些可燃的或在高溫情況下可以分解的有害物質。對化工、噴漆、絕緣材料等行業的生產裝置中所排出的有機廢氣，廣泛采用了燃燒凈化的手段。由于VOCs燃燒氧化的最終產物是CO2，H2O等，因而使用這種方法不能回收到有用的物質，但由于燃燒時放出大量的熱，使排氣的溫度很高，所以可以回收熱量。 優點：一般情況下去除率均在95%以上。 |
光催 化降 解 | 利用催化劑(如TiO2)的光催化性，氧化吸附在催化劑表面的VOCs，最終產生CO2和H2O。其利用用光照射半導體光催化劑，使半導體的電子充滿的價帶躍遷到空的導帶，而在價帶留下帶正電的空穴(h+)。光致空穴具有很強的氧化性，可奪取半導體顆粒表面吸附的有機物或溶劑中的電子，使原本不吸收光而無法被光子直接氧化的物質，通過光催化劑被活化氧化。光致電子還具有很強的還原性，使得半導體表面的電子受體被還原。 | 由于該技術還沒有很完備的理論，在光催化TiO2的產物上一直存在爭論，不能確定中間產物是否會造成二次污染。而且，光催化氧化法存在著催化劑的失活、催化劑難以固定，且催化劑固定后催化效率降低的缺點，因此該技術目前尚未商業化。 | |
生物 降解 技術 | 生物降解技術最早應用于脫臭，近年來逐漸發展成為VOCs的新型污染控制技術。該技術中，含有VOCs的廢氣由濕度控制器進行加濕后通過生物濾床的布氣板，沿濾料均勻向上移動，在停留時間內，氣相物質通過平流效應、擴散效應、吸附等綜合作用，進入包圍在濾料表面的活性生物層，與生物層內的微生物發生好氧反應，進行生物降解，最終生成CO2和H2O。 | 生物降解法設備簡單，運行維護費用低，無二次污染等優點，尤其在處理低濃度、生物可降解性好的氣態污染物時更顯其經濟性。體積大和停留時間長是生物法的主要問題，同時該法對成分復雜的廢氣或難以降解的VOCs去除效果較差。 | |
等離 子體 技術 | 等離子體被稱為物質的第四種形態，由電子、離子、自由基和中性粒子組成，是導電性流體，總體上保持電中性。發展前景比較廣闊的等離子體技術是電暈放電技術，用其處理VOCs具有效率高、能量利用率高、設備維護簡單、費用低等優點。電暈放電是指在非均勻電場中，用較高的電場強度使氣體產生“電子雪崩”，出現大量的自由電子，這些電子在電場力的作用下做加速運動并獲得能量。當這些電子具有的能量與C-H、C=C或C-C鍵的鍵能相同或相近時，就可以打破這些鍵，從而破壞有機物的結構。電暈放電可以產生以臭氧為代表的具有強氧化能力的物質，可以氧化有機物。所以電暈法處理VOCs理論上是上述兩種機理共同作用的結果。 | 電暈放電技術對VOCs的處理效率很高，應用范圍廣，基本上各類VOCs都能有效處理，對低濃度VOCs處理效果顯著。運行工藝簡單，維護方便、能耗低，比傳統方法更經濟有效。存在的問題是，該技術還處于實驗室研究階段，處理量較??；該技術對電源的要求很高，在分解VOCs分子的同時，還有一些有害副產物產生，如NOx、CO、O3等。 | |
表100 VOCs處理技術能力比較
工藝 | 高濃度 | 低濃度 | 最終產物 | 適用范圍 | 不足 | |||
效率 | 費用 | 效率 | 費用 | |||||
回收技術 | 吸附 | 中 | 中 | 高 | 高 | 有機物 | 低濃度，范圍廣 | 吸附劑需再生處理 |
吸收 | 高 | 高 | 中 | 高 | 有機物 | 高濃度，特定范圍 | 吸收劑難以選擇 | |
冷凝 | 中 | 低 | 中 | 高 | 有機物 | 高濃度，單組份 | 高濃度特定組分 | |
膜 | 高 | 低 | 中 | 中 | 有機物 | 高濃度，范圍廣 | 作為冷凝前處理工序 | |
銷毀技術 | 燃燒 | 高 | 高 | 高 | 高 | CO2,H2O | 高濃度，范圍廣 | 易產生有毒中間產物 |
光催化 | 高 | 中 | 中 | 中 | CO2,H2O | 高濃度，范圍廣 | 催化劑難固定，失活 | |
生物 | 低 | 低 | 高 | 低 | CO2,H2O | 低濃度，范圍廣 | 對溫度濕度變化靈敏 | |
等離子體 | 中 | 中 | 高 | 低 | CO2,H2O | 低濃度，范圍廣 | 電源要求高，有毒產物 | |
VOC處理工藝對比(不考慮進風風機運行成本)
處理工藝名稱 | 工藝處理原理 | 適用范圍 | 去除效率 | 使用壽命 | 進風量及濃度 | 投資 | 運行成本 （電按1元/度 天然氣按3.5元/m3計） | 維護與安全 | 備注 |
活性炭吸附 | 利用活性炭吸附性能對有機物進行吸附
| ＜5000m3 VOC總量小的廢氣處理 | ＞90% ≤20mg/m3 | 活性炭一般設計使用壽命為15-60天 | 10000m3/h VOC 200mg/m3 | 6萬左右 | 按照活性炭6000元/噸，60天更換計算，每天工作8h， 每天運行成本480元/天 | 更換更換活性炭操作繁瑣；安全性能高 | 需活性炭4.8t，定期更換活性炭計為成本費用，活性碳直接吸附工藝目前已被淘汰。 |
低溫等離子 | 利用電子束，瞬時產生的能量對有機分子進行分解 | 適用于大風量VOC小于300mg/m3廢氣處理 | ＞50% ≤100mg/m3
| 3-5年 | 110000m3/h VOC 200mg/m3 | 8萬左右 | 按照每天工作8小時計算，1.6元/h。每天運行費用12.8元/天
| 定期清理簡單；安全性能高 | 裝機功率2-6kw，實際使用效能80%計1.6kw可按照風量疊加成本 |
UV光催化氧化 | 利用紫外光特定波段產生能量對有機分子進行分解 | 適用于大風量VOC小于300mg/m3廢氣處理 | ＞50% ≤100mg/m3 | 1-3年 燈管使用壽命8000-12000小時 | 10000m3/h VOC 200mg/m3 | 9萬左右 | 照每天工作8小時計算，6元/h。每天運行費用48元/天
| 更換更換紫外燈操作繁瑣；安全性能高 | 裝機功率6-15kw，可按照風量疊加成本 |
RCO活性炭吸附脫附催化燃燒 | 利用活性炭吸附后，解析活性炭中的有機物，并引到催化燃燒室在280-370攝氏度與催化劑的作用對有機分子進行降解 | 適用于小風量VOC小于300-500mg/m3廢氣處理 | ＞95% ≤10mg/m3 | 活性炭2-3年，催化劑14400小時 | 10000m3/h VOC 200mg/m3 | 50萬左右 | 4-8元/h 實際運行中加熱過程要考慮預熱回用，因此實際運行費用要低一些。 每天運行費用64元/天 | 更換活性炭和催化劑操作繁瑣，設備多維護費用高；安全存在風險 | 活性炭工藝吸附后，脫附時產生費用，活性炭填充量3.6t，一般脫附時間為1個小時，燃燒室裝機功率在17.2KW左右，預熱到280-370攝氏度左右后，填充量0.3 15萬/m3 14400小時更換，按照每天正常脫附1-4次，按照脫附時間2次計算，活性炭更換費用不考慮計算。 成本不需疊加。 |
RTO燃燒 | 利用天然氣再800攝氏度高溫對有機物進行燃燒降解 | 適用于小風量VOC300-2000mg/m3廢氣處理 | ＞98% ≤4mg/m3 | 3-10年 | 10000m3/h VOC 200mg/m3 | 200萬左右 | 100元/h 根據廢氣濃度低需要天然氣一直補充，一般按照空塔燃燒100元/h計算 每天工作8h，每天運行費用為800元/天 | 設備多維護費用高，安全存在風險 | 根據廢氣濃度計算，一般采用天然氣空燃，每小時運行成本在100元，廢氣濃度居中一般天然氣運行費用在30-50元/小時，濃度高經過預熱到800攝氏度后可自行燃燒時，無需添加天然氣，運行成本很低，只需考慮燃燒后氣體降溫循環泵2.2kw費用，一般起燃升溫時大概1小時內，運行成本最高。 |
火炬燃燒 | 利用天然直接燃燒降解 | 適用于小風量VOC300-2000mg/m3廢氣處理 | ＞96% ≤8mg/m3 | 5-10年 | 10000m3/h VOC 200mg/m3 | 50萬左右 | 100元/h每天工作8h，每天運行費用為800元/天 | 設備多維護費用高，安全存在風險 | 采用天然氣直接燃燒。成本不需疊加。 |
VOC處理設備運行成本(不考慮進風風機成本)
名稱 | 風量 | 運行成本 （電按照1元/度 天然氣按照3.5元/m3計算） | 備注 |
低溫等離子 | 10000m3/h | 1.6元/h | 裝機功率2kw，實際使用效能80%計1.6kw可按照風量疊加成本 |
UV光催化氧化 | 10000m3/h | 6-9元/h | 裝機功率6-9kw，可按照風量疊加成本 |
RCO活性炭吸附脫附催化燃燒 | 10000m3/h | 4.5元/h 實際運行中加熱過程要考慮預熱回用，因此實際運行費用要低一些。 | 活性炭工藝吸附后，脫附時產生費用，一般脫附時間為1個小時，燃燒室裝機功率在17.2KW左右（脫附風機7.5kw，加熱功率7.5kw、冷卻風機2.2kw），預熱到280-370攝氏度左右后，填充量0.3 15萬/m3 14400小時更換，按照每天正常脫附1-4次，按照脫附時間2次計算，活性炭更換費用不考慮計算。 成本不需疊加。 |
RTO燃燒 | 10000m3/h | 2.2-100元/h 根據廢氣濃度得出運行成本，濃度越低用天然氣量越大，運行成本越高，濃度越高，運行成本越低，行業一般水平30-50元/小時，空塔燃燒100元/h | 根據廢氣濃度計算，一般采用天然氣空燃，每小時運行成本在100元，廢氣濃度居中一般天然氣運行費用在30-50元/小時，濃度高經過預熱到800攝氏度后可自行燃燒時，無需添加天然氣，運行成本很低，只需考慮燃燒后氣體降溫循環泵2.2kw費用，一般起燃升溫時大概1小時內，運行成本最高。 根據風量及濃度確定天然氣使用量來確定運行成本。 |
火炬燃燒 | 10000m3/h | 100元/h | 采用天然氣直接燃燒。成本不需疊加。 |
來源 | 生態環境部
編輯 | 環小云.環評互聯網
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