【環(huán)保智庫】廢氣處理9大工藝、適用范圍、成本控制

2018-10-23 10:25:11 小沐管家 0

目前的揮發(fā)性有機污染物的治理包括破壞性，非破壞性方法，及這兩種方法的組合。

破壞性的方法包括燃燒、生物氧化、熱氧化、光催化氧化，低溫等離子體及其集成的技術(shù)，主要是由化學(xué)或生化反應(yīng)，用光，熱，微生物和催化劑將VOCs轉(zhuǎn)化成CO₂和H₂O等無毒無機小分子化合物。

非破壞性法，即回收法，主要是碳吸附、吸收、冷凝和膜分離技術(shù)，通過物理方法，控制溫度，壓力或用選擇性滲透膜和選擇性吸附劑等來富集和分離揮發(fā)性有機化合物。

傳統(tǒng)的揮發(fā)性廢氣處理常用吸收、吸附法去除，燃燒去除等，在最近幾年中，半導(dǎo)體光催化劑的技術(shù)體，低溫等離子得到了迅速發(fā)展。

處理工藝解析

1.吸附工藝

（1）吸附工藝簡介

吸附法主要適用于低濃度氣態(tài)污染物的凈化，對于高濃度的有機氣體，通常需要首先經(jīng)過冷凝等工藝將濃度降低后再進(jìn)行吸附凈化。吸附技術(shù)是最為經(jīng)典和常用的氣體凈化技術(shù)，也是目前工業(yè)VOCs 治理的主流技術(shù)之一。吸附法的關(guān)鍵技術(shù)是吸附劑、吸附設(shè)備和工藝、再生介質(zhì)、后處理工藝等。

活性炭因其具有大比表面積和微孔結(jié)構(gòu)而廣泛應(yīng)用于吸附回收有機氣體。目前，對活性炭吸附有機氣體的研究主要集中在吸附平衡的預(yù)測、活性炭材料的改性及有機物的物化性質(zhì)對活性炭吸附性能的影響。

（2）活性炭吸附工藝原理及流程

活性炭纖維吸附有機廢氣是當(dāng)今世界上最為先進(jìn)的技術(shù)之一，活性炭纖維比顆粒狀活性炭具有更大的吸附容量和更快的吸附動力學(xué)性能，活性炭吸、脫附工藝流程見圖1。

（3）活性炭吸附工藝影響因素

（4）活性炭凈化空氣的物理吸附，如圖2所示四種情況：

分子直徑大于孔的直徑，由于空間位阻，分子不能入孔，因此不吸附；
分子直徑等于孔的直徑，吸附劑的捕捉力很強，非常適合低濃度吸附；
分子直徑小于孔的直徑，孔內(nèi)發(fā)生毛細(xì)管冷凝，吸附容量大；
分子直徑遠(yuǎn)小于孔的直徑，吸附分子很容易解吸，解吸速率高，低濃度下的吸附量較小。

（5）活性炭吸附工藝的優(yōu)缺點

優(yōu)點：

適用于低濃度的各種污染物；
活性炭價格不高，能源消耗低，應(yīng)用起來比較經(jīng)濟；
通過脫附冷凝可回收溶劑有機物；
應(yīng)用方便，只與同空氣相接觸就可以發(fā)揮作用；
活性炭具有良好的耐酸堿和耐熱性，化學(xué)穩(wěn)定性較高。

缺點：

吸附量小，物理吸附存在吸附飽和問題，隨著吸附劑的消耗，吸附能力也變?nèi)?，使用一段時間后可能會出現(xiàn)吸附量小或失去吸附功能；
吸附時，存在吸附的專一性問題，對混合氣體，可能吸附性會減弱，同時也存在分子直徑與活性炭孔徑不匹配，造成脫附現(xiàn)象；

2.吸收工藝

（1）吸收工藝簡介

用溶液、溶劑或清水吸收工業(yè)廢氣中的揮發(fā)性氣體，使其與廢氣分離的方法叫吸收法。溶液、溶劑、清水稱為吸收劑。吸收劑不同可以吸收不同的有害氣體。

吸收法使用的吸收設(shè)備叫吸收器、凈化器或洗滌器。吸收法的工藝流程和濕法除塵工藝近似，只是濕法除塵工藝用清水，而吸收法凈化有害氣體要用溶劑或溶液。

（2）吸收工藝原理及流程

以石油和天然氣回收為例，石油和天然氣回收應(yīng)包括煉油廠，化工廠，石油和天然氣站裝卸、產(chǎn)生的油氣。石油和天然氣出廠到銷售終端是一個完整的系統(tǒng)。

美國和歐洲國家，通常是在加油站采用一階段和兩階段油氣回收措施，即密閉卸油與加油，儲罐內(nèi)油氣返回油罐車，在加油時使用真空輔助裝置或油箱內(nèi)壓返回儲罐。在油庫，煉油廠和其他石油制品經(jīng)銷地設(shè)置油氣回收裝置，回收油氣。

吸收法通常用于油氣回收。裝卸油品時產(chǎn)生的油氣進(jìn)入吸收塔，從出口排出貧油空氣，解吸塔內(nèi)進(jìn)行吸收液的真空解吸，解吸的吸收液再循環(huán)利用，回收塔用汽油將進(jìn)入的解吸氣進(jìn)行回收，尾氣返回吸收塔重復(fù)該過程。用溶液吸收法回收揮發(fā)性有機物的吸收液通常是特殊的吸收液，吸收液的選擇將影響回收效果。

（3）吸收工藝優(yōu)缺點

優(yōu)點：

吸收法工藝比較簡單，設(shè)備投資較低，操作和維修費用基本與碳吸附法相當(dāng)，由于吸收介質(zhì)是采用煤油和吸收液，因此沒有二次污染問題。

缺點：

此工藝方法回收效率低，對于環(huán)保要求較高時，很難達(dá)到允許的油氣排放標(biāo)準(zhǔn)；設(shè)備占地空間大；能耗高；吸收劑消耗較大，需不斷補充。

3.冷凝工藝

（1）冷凝工藝簡介

油品在儲運和銷售過程中部分輕烴組分揮發(fā)進(jìn)入大氣，造成資源浪費和環(huán)境危害。同時有機溶劑廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，每年都有大量的有機溶劑揮發(fā)到空氣中，危害人類健康，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。采取合適的方法回收這些揮發(fā)性有機物不但可以降低企業(yè)生產(chǎn)成本，而且具有巨大的環(huán)保效益。

冷凝法是用來回收VOCs的一種有效方法，其基本原理是利用氣態(tài)污染物在不同的溫度和壓力下具有不同飽和蒸汽壓，通過降低溫度和增加壓力，使某些有機物凝結(jié)出來，使VOCs得以凈化和回收。

（2）冷凝工藝原理及流程

冷凝式油氣回收設(shè)備采用多級復(fù)疊或自復(fù)疊制冷技術(shù)，系統(tǒng)流程雖然相對復(fù)雜，但其關(guān)鍵部件壓縮機和節(jié)流機構(gòu)已全部實現(xiàn)本土化生產(chǎn)，投資和運行成本較低。

根據(jù)換熱管工作原理可分為制冷劑回路和氣體回路部分，換熱管連接兩部。在氣體循環(huán)部分，低溫冷媒在換熱器中和熱的有機溶劑混合氣體進(jìn)行熱交換，有機溶劑液化后回收，制冷劑流入儲液罐。

制冷劑回路，壓縮機將制冷劑壓縮成高溫高壓氣態(tài)制冷劑，通過風(fēng)冷冷凝器液化，通過干燥過濾器，在冷媒-制冷劑熱交換器中冷的液態(tài)制冷劑與冷媒進(jìn)行熱交換，低溫冷媒進(jìn)入儲液罐，制冷劑通過吸入過濾器進(jìn)入壓縮機入口，完成整個的制冷劑冷媒換熱過程。

（3）冷凝工藝的影響因素

冷凝分離法回收輕烴要對原料氣體冷卻降溫。根據(jù)原理可分為節(jié)流膨脹制冷，膨脹機膨脹制冷。根據(jù)工藝可分為制冷劑制冷（如丙烷制冷），節(jié)流膨脹制冷，膨脹機膨脹制冷，混合制冷（在膨脹機膨脹制冷或工藝流體自身節(jié)流膨脹制冷的基礎(chǔ)上外加冷劑制冷）。

分離方法包括精餾系統(tǒng)精餾分離，分離器相平衡分離。這個過程一般包括脫水、增壓（低壓力氣體）、精餾和制冷。以上冷凝工藝的各個部分的選擇都會影響最終的冷凝效果。

（4）冷凝工藝優(yōu)缺點

優(yōu)點：

冷凝法是利用物質(zhì)沸點的不同回收，適合沸點較高的有機物，該方法具有回收純度高、設(shè)備工藝簡單、能耗低的優(yōu)點；并有設(shè)備緊湊、占用空間小、自動化程度高、維護(hù)方便、安全性好、輸出為液態(tài)油可直接利用等優(yōu)點；

缺點：

單一冷凝法要達(dá)標(biāo)需要降到很低的溫度，耗電量巨大，不是真正意義上的“節(jié)能減排”。

4.膜分離工藝

（1）膜分離工藝簡介

在石油開采和儲運過程中，部分油品揮發(fā)到大氣中形成的油氣中，除空氣外，主要C4-C5以及少量芳香烴。這些有機蒸氣排放不僅造成嚴(yán)重的資源浪費，而且對空氣質(zhì)量有很大影響，進(jìn)而影響人類的健康，目前，有機蒸氣的分離回收方法主要是冷凝、活性炭吸附、膜分離法、溶劑吸收法。膜分離技術(shù)是一種效率較高的分離方法。

（2）膜分離工藝原理及流程

膜分離有機蒸氣回收系統(tǒng)是通過溶解-擴散機理來實現(xiàn)分離的。氣體分子與膜接觸后，在膜的表面溶解，進(jìn)而在膜兩側(cè)表面就會產(chǎn)生一個濃度梯度，因為不同氣體分子通過致密膜的溶解擴散速度有所不同，使得氣體分子由膜內(nèi)向膜另一側(cè)擴散，最后從膜的另一側(cè)表面解吸，最終達(dá)到分離目的。

膜分離裝置設(shè)于高壓冷凝器之后，緩沖罐前，由于排放氣壓縮機能力不足，只有一部分氣體經(jīng)過膜分離裝置，其他部分直接進(jìn)入緩沖罐，滲透氣返回至低壓冷卻器前，尾氣進(jìn)入緩沖罐。

（3）膜分離工藝的影響因素

支撐層的材質(zhì)對滲透速率和烴類VOCs回收率產(chǎn)生重要影響，對于同一種材質(zhì)的支撐層，滲透速率和烴類VOCs 回收率隨孔徑的減小而增大，但當(dāng)孔徑減到某一臨界值時，隨孔徑的繼續(xù)減小，滲透速率和烴類VOCs 回收率將減小。

（4）膜分離工藝優(yōu)缺點

優(yōu)點：

膜分離技術(shù)是近代石油化工學(xué)科中分離科學(xué)的前沿技術(shù)。它具有投資小、見效快、流程簡單、回收率高、能耗低、無二次污染的特點，具有較高的科技含量；

缺點：

投資大；膜國產(chǎn)率低，價格昂貴，而且膜壽命短；膜分離裝置要求穩(wěn)流、穩(wěn)壓氣體，操作要求高。

5.燃燒工藝

（1）燃燒工藝簡介

一類VOCs 處理方法是所謂破壞性技術(shù)，即通過化學(xué)或生物的技術(shù)使VOCs 轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水以及氯化氫等無毒或毒性小的無機物。燃燒法即屬此類技術(shù)。

燃燒法分直接燃燒法和催化燃燒法。直接燃燒法適合處理高濃度 VOCs 的廢氣，因其運行溫度通常在800-1200℃時，工藝能耗成本較高，且燃燒尾氣中容易出現(xiàn)二惡英、NOx等副產(chǎn)物；由于廢氣中VOCs濃度一般較低，僅僅依靠反應(yīng)熱，一般難以維持反應(yīng)所需的溫度。

為了提高熱經(jīng)濟性，人們開展了大量的研究，一個方向是改進(jìn)催化劑的性能使反應(yīng)溫度降低。另一個方向是研究新的工藝技術(shù)、新的反應(yīng)器設(shè)計以使反應(yīng)能在較高的溫度下自熱地實現(xiàn)。

（2）燃燒工藝原理及流程

催化燃燒中，預(yù)熱式是一種基本的流程形式。有機廢氣在進(jìn)入反應(yīng)器之前，要在預(yù)熱室中的加熱，因為有機廢氣溫度低于100攝氏度時，濃度低，熱量不能自給。燃燒凈化后，與未處理的廢氣進(jìn)行熱交換，回收部分的熱量。煤氣或電加熱是該工藝常用的方法，加熱到催化反應(yīng)所需的點火溫度。

（3）燃燒工藝的影響因素

催化燃燒催化劑的選擇是關(guān)鍵，在消除效率和能耗方面其性能具有決定性的作用。對于揮發(fā)性有機化合物氧化催化劑一般可分為2類：貴金屬催化劑（鉑，鈀等）和金屬氧化物催化劑（銅，鉻，錳等），貴金屬催化劑被廣泛使用于揮發(fā)性有機化合物的催化燃燒，因其具有良好的起燃活性。在用于催化氧化VOCs的貴金屬催化劑中，鉑比鈀活性要高。

（4）燃燒工藝優(yōu)缺點

優(yōu)點：

相較與直接燃燒法其輔助燃料費用低，二次污染物NOx生成量少，燃燒設(shè)備的體積較小，VOCs去除率較高；

缺點：

催化劑價格較貴，且要求廢氣中不得含有會導(dǎo)致催化劑失活的成分。

6.生物過濾工藝

（1）生物過濾工藝簡介

利用微生物的新陳代謝過程對多種有機物和某些無機物進(jìn)行生物降解，可以有效去除工業(yè)廢氣中的污染物質(zhì)，此即為處理有機廢氣的生物法。

最先提出采用微生物處理廢氣構(gòu)想的是 Bach，他曾于1923年利用土壤過濾床處理污水處理廠散發(fā)的含 H₂S 惡臭氣體。在德國和荷蘭的許多地區(qū)，該技術(shù)已大規(guī)模并成功地應(yīng)用于控制氣味，揮發(fā)性有機化合物和空氣中的有毒排放，許多常見的空氣污染物的控制效率已經(jīng)達(dá)到90％以上。

（2）生物過濾工藝原理及流程

生物過濾工藝系統(tǒng)通過氣體輸送裝置，噴淋裝置和過濾塔主體三個部分組合而成。揮發(fā)性有機化合物通過加壓預(yù)濕，在過濾塔內(nèi)與填料層表面的生物膜相接觸，揮發(fā)性有機物從氣相轉(zhuǎn)移到生物膜，進(jìn)而被微生物分解利用，并且被轉(zhuǎn)化成二氧化碳，水和其他的分子物質(zhì)，然后將凈化后的氣體排出。噴淋裝置定期向填料層噴灑噴淋液, 以調(diào)節(jié)填料層的水分含量、pH 值和營養(yǎng)鹽含量。

（3）生物過濾工藝的影響因素

填料：生物滴濾器中, 生物膜生長在填料的表面, 氣態(tài)有機物流通于填料之間的空隙。填料比表面積的大小在一定程度上反映了微生物的多少, 孔隙率則影響氣體、液體的流速, 而填料層的高度對有機物是否處理完全有著重要意義。

營養(yǎng)液：生物滴濾塔中的營養(yǎng)物質(zhì)，微量元素和緩沖液均勻噴灑在填料上，以提供生物膜中生物菌群生長和繁殖所需的營養(yǎng)物質(zhì)。揮發(fā)性有機物的去除率一定程度上受營養(yǎng)液的流量，氮和磷的含量等的影響。

進(jìn)氣：生物滴濾器運行過程中, 氣體流量、入口氣體濃度的大小都對氣體本身的去除效率有著顯著的影響。

（4）生物過濾工藝優(yōu)缺點

優(yōu)點：

適用范圍廣，處理效率高，工藝簡單，費用低，無二次污染。

缺點：

對高濃度、生物降解性差及難生物降解的 VOCs 去除率低。

7.等離子體工藝

（1）等離子體工藝簡介

等離子體污染物控制技術(shù)利用氣體放電產(chǎn)生具有高度反應(yīng)活性的粒子與各種有機、無機污染物發(fā)生反應(yīng)，從而使污染物分子分解成為小分子化合物或氧化成容易處理的化合物而被去除。

這一技術(shù)的最大特點是可以高效、便捷地對多種污染物進(jìn)行破壞分解，使用的設(shè)備簡單，占用的空間較小，并適合于多種工作環(huán)境。

（2）等離子體工藝原理及流程

用于處理揮發(fā)性有機物的主要是電暈放電,主要的降解機制如下：在施加的電場下，在電極空間中的電子獲得了能量并開始加速。運動的過程中的電子與氣體分子相互碰撞，使氣體分子被激發(fā)、電離或吸附電子成為負(fù)離子。

（3）等離子體工藝的影響因素

在降解過程中，電極電壓的選擇和控制是其主要內(nèi)容，它會影響放電介質(zhì)的放電和電子的攜能，以及之后的一系列反應(yīng)，進(jìn)而影響到降解效率；同時電極電壓也作為該方法達(dá)到商業(yè)應(yīng)用的一個重要參數(shù)，因此電極電壓的選擇特別關(guān)鍵。

低溫等離子體降解VOCs除了和電極電壓有密切關(guān)系外,其還受反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、反應(yīng)背景氣氛、VOCs 廢氣中含水量、放電頻率、放電電壓、VOCs 的化學(xué)結(jié)構(gòu)、催化劑種類、低溫等離子體放電形式、反應(yīng)溫度以及 VOCs的初始濃度等的影響,其中以氣體濃度和氣流量的影響為主。

（4）等離子體工藝優(yōu)缺點

優(yōu)點：

處理效率高，運行費用低，特別對芳烴的去除效率高。

缺點：

對高濃度 VOCs 處理效率一般，目前主要停留在實驗室階段，缺乏實際應(yīng)用。

8光催化氧化工藝

（1）光催化氧化工藝簡介

光化學(xué)和光催化氧化法是目前研究較多的一種高級氧化技術(shù)。光催化反應(yīng)即在光的作用下進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。分子吸收特定波長的電磁輻射后，是分子達(dá)到激發(fā)態(tài)，然后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生新的物質(zhì)，或成為熱反應(yīng)的引發(fā)劑。

（2）光催化氧化工藝原理及流程

Ti0₂作為一種半導(dǎo)體材料其自身的光電特性決定了它可以用作光催化劑。半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)通常是一個電子填充低能量價帶（VB）和一個空的高能量的導(dǎo)帶（CB），導(dǎo)帶和價帶之間的區(qū)域被稱為禁帶。

當(dāng)照射半導(dǎo)體的光能量等于或大于禁帶寬度時，其價帶電子被激發(fā)，跨過禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶，并在價帶中產(chǎn)生相應(yīng)空穴。電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，激發(fā)后分離的電子和空穴都有一部分進(jìn)一步進(jìn)行反應(yīng)。

光催化反應(yīng)機理見圖：

（3）光催化氧化工藝的影響因素

研究表明，反應(yīng)物初始濃度對光催化效率或降解速率有明顯的影響。光催化效率隨著初始濃度增加而波動，存在明顯的濃度轉(zhuǎn)變點；低濃度目標(biāo)物的光催化降解效率大于高濃度目標(biāo)物的光催化降解效率。

濕度對光催化反應(yīng)的影響尚無一致性結(jié)論。對于不同化合物或者不同濃度等實驗條件，存在很大的差別。

（4）光催化氧化工藝優(yōu)缺點

優(yōu)點：

處理效率高，運行費用低，適用于低濃度廣范圍的 VOCs特別對芳烴的去除效率高；

缺點：

對高濃度 VOCs 處理效率一般；主要還停留在實驗室階段，缺乏實際應(yīng)用。

9.沸石轉(zhuǎn)輪+RTO工藝

（1）工藝原理：

VOCs廢氣通過沸石濃縮轉(zhuǎn)輪后，能有效被吸附于沸石中，達(dá)到去除的目的。經(jīng)過沸石吸附的揮發(fā)性氣體被潔凈后直接通過煙囪排放到大氣中，轉(zhuǎn)輪持續(xù)以1-6轉(zhuǎn)/小時的速度旋轉(zhuǎn)。

同時將吸附的揮發(fā)性有機物傳送至脫附區(qū)，于脫附區(qū)中利用一小股加熱氣體將揮發(fā)性有機物進(jìn)行脫附，脫附后的沸石轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)至吸附區(qū)，持續(xù)吸附揮發(fā)性有機氣體。脫附后的濃縮有機廢氣送至焚化爐進(jìn)行燃燒轉(zhuǎn)成二氧化碳及水蒸氣排放至大氣中。

2.技術(shù)特點