在調(diào)研大量工業(yè)VOCs氣體處理工程案例的基礎(chǔ)上,分析了不同工業(yè)VOCs氣體處理技術(shù)的應(yīng)用狀況,包括不同處理技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的市場(chǎng)占有率、處理氣體流量、VOCs濃度、VOCs種類(lèi)以及所應(yīng)用的行業(yè)等.結(jié)果表明,催化氧化、吸附、生物法是應(yīng)用較多的VOCs處理技術(shù).冷凝、膜分離和吸附工藝多用于處理濃度大于10000mg/m3的VOCs氣體,并可回收VOCs;催化燃燒、熱力燃燒工藝多用于處理濃度2000~10000mg/m3且不具回收價(jià)值的VOCs氣體;生物處理、等離子體多用于處理濃度低于2000mg/m3的VOCs氣體.在進(jìn)行VOCs處理技術(shù)選擇時(shí),應(yīng)綜合考慮VOCs氣體特性(VOCs濃度、流量、溫濕度、顆粒物含量)、VOCs處理技術(shù)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能、排放標(biāo)準(zhǔn)等因素.

揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)包括各種脂肪烴、芳香烴和烴的衍生物等.VOCs的來(lái)源十分廣泛,除了植物揮發(fā)等自然源外,人為源包括各種工業(yè)源、農(nóng)業(yè)源、交通源和生活源,其中以工業(yè)源的排放量和影響最大.工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的VOCs排放,不僅直接危害周邊居民的身體健康,還會(huì)促進(jìn)城市光化學(xué)煙霧和霾的生成,間接影響區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量.

目前,對(duì)于工業(yè)VOCs排放的控制越來(lái)越受到各級(jí)環(huán)境保護(hù)部門(mén)和企業(yè)的重視.在生產(chǎn)過(guò)程中采用替代產(chǎn)品和實(shí)施清潔生產(chǎn)是減少VOCs氣體產(chǎn)生和排放的首選措施.然而在多數(shù)情況下,對(duì)所產(chǎn)生的VOCs氣體進(jìn)行收集處理(包括回收)還是必不可少的控制措施.目前,常見(jiàn)的工業(yè)VOCs氣體處理技術(shù)包括熱力燃燒、催化燃燒、吸附、生物處理(包括生物過(guò)濾、生物滴濾、生物洗滌等工藝)、等離子體氧化(簡(jiǎn)稱(chēng)等離子體)、吸收、冷凝、膜分離、光氧化、光催化氧化等.其中,吸附、吸收、冷凝和膜分離技術(shù)在一定條件下可用于氣體中VOCs的回收,而其他技術(shù)則是通過(guò)氧化破壞VOCs分子實(shí)現(xiàn)凈化.目前,關(guān)于VOCs處理技術(shù)的研究大多關(guān)注某一項(xiàng)技術(shù)的效果與優(yōu)化,而缺乏針對(duì)不同技術(shù)實(shí)際應(yīng)用狀況、適用范圍和選擇方法的研究,尤其缺乏相關(guān)的案例研究和數(shù)據(jù)支持.因此,管理部門(mén)或企業(yè)面對(duì)紛繁復(fù)雜的技術(shù)和工藝,往往難以進(jìn)行選擇和判斷.

本研究在調(diào)研大量工業(yè)VOCs處理技術(shù)工程案例的基礎(chǔ)上,分析了不同VOCs處理技術(shù)針對(duì)不同行業(yè)、不同性質(zhì)氣體的應(yīng)用狀況,歸納了不同技術(shù)的適用性和特點(diǎn),為VOCs處理技術(shù)選擇和評(píng)估提供了有價(jià)值的參考依據(jù).

1數(shù)據(jù)調(diào)查與分析方法

獲得大量工業(yè)VOCs處理工程案例是深入分析VOCs處理技術(shù)應(yīng)用狀況的前提和基礎(chǔ).本研究通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研2種方式搜集了國(guó)內(nèi)外大量工業(yè)VOCs處理工程案例.其中,文獻(xiàn)調(diào)查以VOCs、典型VOCs物質(zhì)(如苯、甲苯等)和各類(lèi)處理技術(shù)或工藝(如吸附、催化氧化等)的中英文作為關(guān)鍵詞,通過(guò)谷歌、百度等網(wǎng)站或中國(guó)知網(wǎng)、中文科技期刊、萬(wàn)方數(shù)據(jù)庫(kù)、webofscience等數(shù)據(jù)庫(kù)搜索相關(guān)VOCs處理工程案例.現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研則是直接到有關(guān)企業(yè)已建成的VOCs處理工程開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與訪談.針對(duì)每一個(gè)工程案例,調(diào)研內(nèi)容包括所采用的技術(shù)和工藝、應(yīng)用行業(yè)、處理的氣體流量、VOCs濃度、組分、處理效果和經(jīng)濟(jì)性等.

為提高分析結(jié)果的可靠性,本研究根據(jù)數(shù)據(jù)的完整性和規(guī)范性對(duì)所獲得的工程案例進(jìn)行了篩選.在此基礎(chǔ)上,對(duì)不同來(lái)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,具體做法是摘錄各工程案例中的有用信息列入表格,對(duì)于流量、濃度等數(shù)據(jù)統(tǒng)一單位和格式.通過(guò)篩選與歸一化處理,共獲得了771個(gè)有效的VOCs處理工程案例樣本,其中來(lái)源于文獻(xiàn)調(diào)研的案例724個(gè),來(lái)源于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的案例47個(gè).國(guó)外案例441個(gè),國(guó)內(nèi)案例330個(gè),這些工程絕大多數(shù)建造于2000年以后.

針對(duì)所獲得的歸一化數(shù)據(jù),從市場(chǎng)占有率、所適用行業(yè)、氣體流量、VOCs濃度、組分等方面對(duì)不同VOCs處理技術(shù)的應(yīng)用狀況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析.數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和作圖均采用Origin7.5軟件.

2結(jié)果與討論

2.1不同VOCs處理技術(shù)的市場(chǎng)占有率


催化燃燒和熱力燃燒均包括蓄熱式和非蓄熱式;吸附未區(qū)分是否進(jìn)行VOCs回收;生物處理包括生物過(guò)濾、生物滴濾和生物洗滌工藝

從全球范圍來(lái)看,催化燃燒、吸附和生物處理是目前應(yīng)用較多的VOCs處理技術(shù),市場(chǎng)占有率分別為26%、25%和24%,其次是熱力燃燒和等離子體技術(shù),市場(chǎng)占有率分別為10%和9%.從圖1可以看出,國(guó)內(nèi)外VOCs處理技術(shù)的市場(chǎng)占有情況具有一定差異.吸附技術(shù)在國(guó)外(主要為歐美國(guó)家)的市場(chǎng)占有率為16%(排第3位),而其在國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)占有率高達(dá)38%(排第1位).通過(guò)對(duì)典型案例的分析和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn),在適于回收VOCs的情況下,吸附技術(shù)是一種經(jīng)濟(jì)、符合清潔生產(chǎn)理念的選擇,因此在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用.而國(guó)內(nèi)許多中小企業(yè)選擇吸附技術(shù)是追求其建設(shè)成本低的特點(diǎn),并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)VOCs回收和有效的運(yùn)行維護(hù).從圖1還可看出,生物處理技術(shù)在國(guó)外工業(yè)VOCs處理市場(chǎng)中應(yīng)用更為廣泛,顯示出其正日益成熟,具有良好的應(yīng)用前景.

從不同技術(shù)市場(chǎng)占有率可以看出,在實(shí)際應(yīng)用中并不存在某項(xiàng)技術(shù)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的情況.這是由于不同技術(shù)的特點(diǎn)和適用范圍不同,而實(shí)際工程中需要處理的工業(yè)VOCs氣體性質(zhì)也多種多樣,從而造成了多種技術(shù)共存的情況.對(duì)于具體的VOCs處理工程,并不一定要選擇應(yīng)用最多的主流技術(shù),還是要根據(jù)處理要求和不同技術(shù)特點(diǎn)選擇最適合的技術(shù).

2.2不同技術(shù)處理VOCs氣體的流量分布


如圖2所示,除冷凝和膜分離外,多數(shù)技術(shù)所應(yīng)用的氣體流量范圍差異并不明顯,冷凝和膜分離主要應(yīng)用于流量小于3000m3/h的VOCs氣體處理,這主要是由于冷凝器和膜分離組件的工作原理限制了其應(yīng)用于大流量氣體處理.而催化燃燒、吸附、生物處理等VOCs處理技術(shù)的流量應(yīng)用范圍較廣,從1000~50000m3/h均有較多工程案例.

2.3不同技術(shù)處理氣體的VOCs濃度分布


從圖3可以看出,不同技術(shù)所應(yīng)用的VOCs氣體濃度范圍差異較大.等離子體、吸收主要應(yīng)用于總揮發(fā)性有機(jī)物(TVOC,表示氣相VOCs濃度)濃度小于500mg/m3的低濃度氣體,生物處理主要應(yīng)用于500~2000mg/m3的中低濃度氣體,催化燃燒和熱力燃燒主要應(yīng)用于TVOC2000~10000mg/m3的高濃度氣體,冷凝和膜分離則主要應(yīng)用于TVOC大于10000mg/m3的氣體.吸附雖然在TVOC500~10000mg/m3都有較多的工程案例,但一般認(rèn)為,吸附在處理VOCs體積分?jǐn)?shù)小于0.1%(TVOC約2000~4000mg/m3)的氣體時(shí),VOCs回收的難度加大、處理成本會(huì)相應(yīng)增高.并且,TVOC過(guò)高也不宜直接用吸附技術(shù)進(jìn)行VOCs回收處理.

2.4不同技術(shù)處理的VOCs種類(lèi)分布

依據(jù)官能團(tuán)不同將VOCs分為苯系物、鹵代烴、醇、醛、醚、酮、酚、酸、酯、胺、烷烴、烯烴12類(lèi).從表1可以看出,某些技術(shù)對(duì)于VOCs種類(lèi)表現(xiàn)出一定的普適性和廣泛性,如催化燃燒、熱力燃燒和吸附等.而另外一些技術(shù)則對(duì)VOCs種類(lèi)表現(xiàn)出一定的偏好,例如生物處理較少應(yīng)用于鹵代烴和烷烴處理,吸收和冷凝較少應(yīng)用于烷烴、烯烴處理,而膜分離的應(yīng)用案例主要為烷烴和烯烴處理.技術(shù)應(yīng)用于VOCs種類(lèi)的偏好可以用技術(shù)本身的原理和特點(diǎn)進(jìn)行解釋.例如,烷烴和鹵代烴類(lèi)VOCs生物降解性一般比苯系物要差,而許多烷烴和烯烴的沸點(diǎn)較低,也不適合用冷凝法處理.


2.5不同VOCs處理技術(shù)的行業(yè)應(yīng)用狀況

按照國(guó)民經(jīng)濟(jì)分類(lèi)方法,對(duì)VOCs處理工程所應(yīng)用的行業(yè)進(jìn)行歸類(lèi).其中,化學(xué)原料及化學(xué)制品制造業(yè)又被分為若干個(gè)子行業(yè),分析結(jié)果如表2所示.


由表2可知,吸附、催化燃燒、熱力燃燒、生物處理在VOCs處理方面所應(yīng)用的行業(yè)最廣泛.其中,吸附技術(shù)在化工、醫(yī)藥、設(shè)備制造和印刷行業(yè)應(yīng)用較廣,而催化燃燒和熱力燃燒法在設(shè)備制造、化工、塑料、石油行業(yè)應(yīng)用較廣泛,而生物處理則主要應(yīng)用于廢物處理、食品等行業(yè)惡臭氣體處理(除VOCs外,還含有硫化氫、氨等污染物).

其他技術(shù)中,吸收和冷凝主要應(yīng)用于醫(yī)藥和化工行業(yè),膜分離主要應(yīng)用于化工(合成材料)行業(yè),等離子體主要應(yīng)用于食品等行業(yè).

2.6影響VOCs控制技術(shù)選擇的主要因素分析

根據(jù)以上關(guān)于VOCs處理技術(shù)應(yīng)用狀況的分析可知,工業(yè)VOCs氣體特性對(duì)處理技術(shù)選擇有重要影響.其中,VOCs濃度可作為技術(shù)初步篩選的一個(gè)重要影響因素.根據(jù)本研究調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果,對(duì)于高濃度(TVOC>10000mg/m3)有回收價(jià)值氣體,可考慮采用冷凝技術(shù)進(jìn)行處理(VOCs的沸點(diǎn)越高越適宜),對(duì)于TVOC濃度2000~10000mg/m3的有回收價(jià)值氣體,可考慮采用吸附技術(shù)處理.對(duì)于高濃度氣體,當(dāng)流量不大且溫度不高時(shí)還可以考慮采用膜分離技術(shù)進(jìn)行回收處理.對(duì)于TVOC濃度大于2000mg/m3、沒(méi)有回收價(jià)值的氣體,可以采用催化燃燒、熱力燃燒等技術(shù)進(jìn)行處理.對(duì)于TVOC濃度低于2000mg/m3的氣體,可以采用生物處理或等離子體技術(shù)進(jìn)行處理.除了濃度外,氣體的流量、VOCs組成、氣體溫濕度、顆粒物及其他污染物含量等均會(huì)對(duì)工藝選擇和設(shè)計(jì)有重要影響.

除了所處理VOCs氣體本身的特性外,技術(shù)選擇時(shí)還應(yīng)綜合考慮各種技術(shù)本身的性能指標(biāo)、建設(shè)和運(yùn)行成本、執(zhí)行的排放標(biāo)準(zhǔn)等因素.在VOCs處理技術(shù)選擇方面雖然有一些共性的規(guī)律和標(biāo)準(zhǔn)可以遵循,但是由于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中不同行業(yè)企業(yè)所排放VOCs氣體的組成和特性往往存在較大差異,因此很難用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)覆蓋所有的情形.

在實(shí)際工程中,往往單一處理工藝難以滿足排放要求,常常需要在主體工藝前加入預(yù)處理單元或進(jìn)行不同工藝的組合.比如對(duì)于含有顆粒物的氣體,需要在VOCs去除單元之前加入水洗或過(guò)濾等預(yù)處理單元.對(duì)于濃度較低、不適于直接催化燃燒的氣體,可采用吸附濃縮+催化燃燒的工藝組合進(jìn)行處理.

3結(jié)論

3.1

吸附、催化燃燒、生物處理、熱力燃燒、等離子體等工藝在國(guó)內(nèi)外工業(yè)VOCs氣體處理領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛.

3.2

冷凝、膜分離和吸附工藝多用于處理TVOC>10000mg/m3的VOCs氣體并回收VOCs,催化燃燒、熱力燃燒工藝多用于處理TVOC>2000mg/m3且不具回收價(jià)值的氣體,生物處理、等離子體多用于處理TVOC<2000mg/m3的氣體.

3.3

催化燃燒、熱力燃燒、吸附對(duì)所處理的VOCs種類(lèi)表現(xiàn)出廣譜性,而生物處理、冷凝、膜分離則表現(xiàn)出一定的偏好和選擇性.

3.4

VOCs處理技術(shù)的選擇和應(yīng)用既有共性的規(guī)律,也同時(shí)存在復(fù)雜性和各種例外,應(yīng)綜合考慮VOCs氣體特性、VOCs處理技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能、排放標(biāo)準(zhǔn)等因素進(jìn)行技術(shù)的選擇.