工业VOCs气体处理技术应用状况调查分析

发布时间：2017-12-17 20:30:00 点击：

摘要：在调研大量工业VOCs气体处理工程案例的基础上,分析了不同工业VOCs气体处理技术的应用状况,包括不同处理技术在国内外的市场占有率、处理气体流量、VOCs浓度、VOCs种类以及所应用的行业等.结果表明,催化氧化、吸附、生物法是应用较多的VOCs处理技术.冷凝、膜分离和吸附工艺多用于处理浓度大于10000mg/m3的VOCs气体,并可回收VOCs;催化燃烧、热力燃烧工艺多用于处理浓度2000~10000mg/m3且不具回收价值的VOCs气体;生物处理、等离子体多用于处理浓度低于2000mg/m3的VOCs气体.在进行VOCs处理技术选择时,应综合考虑VOCs气体特性(VOCs浓度、流量、温湿度、颗粒物含量)、VOCs处理技术的技术经济性能、排放标准等因素。

挥发性有机物(VOCs)包括各种脂肪烃、芳香烃和烃的衍生物等.VOCs的来源十分广泛,除了植物挥发等自然源外,人为源包括各种工业源、农业源、交通源和生活源,其中以工业源的排放量和影响最大.工业生产过程产生的VOCs排放,不仅直接危害周边居民的身体健康,还会促进城市光化学烟雾和霾的生成,间接影响区域大气环境质量.

目前,对于工业VOCs排放的控制越来越受到各级环境保护部门和企业的重视.在生产过程中采用替代产品和实施清洁生产是减少VOCs气体产生和排放的首选措施.然而在多数情况下,对所产生的VOCs气体进行收集处理(包括回收)还是必不可少的控制措施.目前,常见的工业VOCs气体处理技术包括热力燃烧、催化燃烧、吸附、生物处理(包括生物过滤、生物滴滤、生物洗涤等工艺)、等离子体氧化(简称等离子体)、吸收、冷凝、膜分离、光氧化、光催化氧化等.其中,吸附、吸收、冷凝和膜分离技术在一定条件下可用于气体中VOCs的回收,而其他技术则是通过氧化破坏VOCs分子实现净化.目前,关于VOCs处理技术的研究大多关注某一项技术的效果与优化,而缺乏针对不同技术实际应用状况、适用范围和选择方法的研究,尤其缺乏相关的案例研究和数据支持.因此,管理部门或企业面对纷繁复杂的技术和工艺,往往难以进行选择和判断.

本研究在调研大量工业VOCs处理技术工程案例的基础上,分析了不同VOCs处理技术针对不同行业、不同性质气体的应用状况,归纳了不同技术的适用性和特点,为VOCs处理技术选择和评估提供了有价值的参考依据.

数据调查与分析方法

获得大量工业VOCs处理工程案例是深入分析VOCs处理技术应用状况的前提和基础.本研究通过文献调查和现场调研2种方式搜集了国内外大量工业VOCs处理工程案例.其中,文献调查以VOCs、典型VOCs物质(如苯、甲苯等)和各类处理技术或工艺(如吸附、催化氧化等)的中英文作为关键词,通过谷歌、百度等网站或中国知网、中文科技期刊、万方数据库、webofscience等数据库搜索相关VOCs处理工程案例.现场调研则是直接到有关企业已建成的VOCs处理工程开展现场监测与访谈.针对每一个工程案例,调研内容包括所采用的技术和工艺、应用行业、处理的气体流量、VOCs浓度、组分、处理效果和经济性等.

为提高分析结果的可靠性,本研究根据数据的完整性和规范性对所获得的工程案例进行了筛选.在此基础上,对不同来源的数据进行归一化处理,具体做法是摘录各工程案例中的有用信息列入表格,对于流量、浓度等数据统一单位和格式.通过筛选与归一化处理,共获得了771个有效的VOCs处理工程案例样本,其中来源于文献调研的案例724个,来源于现场调研的案例47个.国外案例441个,国内案例330个,这些工程绝大多数建造于2000年以后.

针对所获得的归一化数据,从市场占有率、所适用行业、气体流量、VOCs浓度、组分等方面对不同VOCs处理技术的应用状况进行了统计分析.数据的统计和作图均采用Origin7.5软件.

结果与讨论

2.1不同VOCs处理技术的市场占有率

催化燃烧和热力燃烧均包括蓄热式和非蓄热式;吸附未区分是否进行VOC回收;生物处理包括生物过滤、生物滴滤和生物洗涤工艺

从全球范围来看,催化燃烧、吸附和生物处理是目前应用较多的VOCs处理技术,市场占有率分别为26%、25%和24%,其次是热力燃烧和等离子体技术,市场占有率分别为10%和9%.从图1可以看出,国内外VOCs处理技术的市场占有情况具有一定差异.吸附技术在国外(主要为欧美国家)的市场占有率为16%(排第3位),而其在国内的市场占有率高达38%(排第1位).通过对典型案例的分析和现场调研发现,在适于回收VOCs的情况下,吸附技术是一种经济、符合清洁生产理念的选择,因此在国内外得到广泛应用.而国内许多中小企业选择吸附技术是追求其建设成本低的特点,并没有实现VOCs回收和有效的运行维护.从图1还可看出,生物处理技术在国外工业VOCs处理市场中应用更为广泛,显示出其正日益成熟,具有良好的应用前景.

从不同技术市场占有率可以看出,在实际应用中并不存在某项技术占绝对优势的情况.这是由于不同技术的特点和适用范围不同,而实际工程中需要处理的工业VOCs气体性质也多种多样,从而造成了多种技术共存的情况.对于具体的VOCs处理工程,并不一定要选择应用最多的主流技术,还是要根据处理要求和不同技术特点选择最适合的技术.

2.2不同技术处理VOCs气体的流量分布

如图2所示,除冷凝和膜分离外,多数技术所应用的气体流量范围差异并不明显,冷凝和膜分离主要应用于流量小于3000m3/h的VOCs气体处理,这主要是由于冷凝器和膜分离组件的工作原理限制了其应用于大流量气体处理.而催化燃烧、吸附、生物处理等VOCs处理技术的流量应用范围较广,从1000~50000m3/h均有较多工程案例.

2.3不同技术处理气体的VOCs浓度分布

从图3可以看出,不同技术所应用的VOCs气体浓度范围差异较大.等离子体、吸收主要应用于总挥发性有机物(TVOC,表示气相VOCs浓度)浓度小于500mg/m3的低浓度气体,生物处理主要应用于500~2000mg/m3的中低浓度气体,催化燃烧和热力燃烧主要应用于TVOC2000~10000mg/m3的高浓度气体,冷凝和膜分离则主要应用于TVOC大于10000mg/m3的气体.吸附虽然在TVOC500~10000mg/m3都有较多的工程案例,但一般认为,吸附在处理VOCs体积分数小于0.1%(TVOC约2000~4000mg/m3)的气体时,VOCs回收的难度加大、处理成本会相应增高.并且,TVOC过高也不宜直接用吸附技术进行VOCs回收处理.

2.4不同技术处理的VOCs种类分布

依据官能团不同将VOCs分为苯系物、卤代烃、醇、醛、醚、酮、酚、酸、酯、胺、烷烃、烯烃12类.从表1可以看出,某些技术对于VOCs种类表现出一定的普适性和广泛性,如催化燃烧、热力燃烧和吸附等.而另外一些技术则对VOCs种类表现出一定的偏好,例如生物处理较少应用于卤代烃和烷烃处理,吸收和冷凝较少应用于烷烃、烯烃处理,而膜分离的应用案例主要为烷烃和烯烃处理.技术应用于VOCs种类的偏好可以用技术本身的原理和特点进行解释.例如,烷烃和卤代烃类VOCs生物降解性一般比苯系物要差,而许多烷烃和烯烃的沸点较低,也不适合用冷凝法处理.

2.5不同VOCs处理技术的行业应用状况

按照国民经济分类方法,对VOCs处理工程所应用的行业进行归类.其中,化学原料及化学制品制造业又被分为若干个子行业,分析结果如表2所示.

由表2可知,吸附、催化燃烧、热力燃烧、生物处理在VOCs处理方面所应用的行业最广泛.其中,吸附技术在化工、医药、设备制造和印刷行业应用较广,而催化燃烧和热力燃烧法在设备制造、化工、塑料、石油行业应用较广泛,而生物处理则主要应用于废物处理、食品等行业恶臭气体处理(除VOCs外,还含有硫化氢、氨等污染物).

其他技术中,吸收和冷凝主要应用于医药和化工行业,膜分离主要应用于化工(合成材料)行业,等离子体主要应用于食品等行业.

2.6影响VOCs控制技术选择的主要因素分析

根据以上关于VOCs处理技术应用状况的分析可知,工业VOCs气体特性对处理技术选择有重要影响.其中,VOCs浓度可作为技术初步筛选的一个重要影响因素.根据本研究调查统计结果,对于高浓度(TVOC>10000mg/m3)有回收价值气体,可考虑采用冷凝技术进行处理(VOCs的沸点越高越适宜),对于TVOC浓度2000~10000mg/m3的有回收价值气体,可考虑采用吸附技术处理.对于高浓度气体,当流量不大且温度不高时还可以考虑采用膜分离技术进行回收处理.对于TVOC浓度大于2000mg/m3、没有回收价值的气体,可以采用催化燃烧、热力燃烧等技术进行处理.对于TVOC浓度低于2000mg/m3的气体,可以采用生物处理或等离子体技术进行处理.除了浓度外,气体的流量、VOCs组成、气体温湿度、颗粒物及其他污染物含量等均会对工艺选择和设计有重要影响.

除了所处理VOCs气体本身的特性外,技术选择时还应综合考虑各种技术本身的性能指标、建设和运行成本、执行的排放标准等因素.在VOCs处理技术选择方面虽然有一些共性的规律和标准可以遵循,但是由于实际工业生产中不同行业企业所排放VOCs气体的组成和特性往往存在较大差异,因此很难用一个标准覆盖所有的情形.

在实际工程中,往往单一处理工艺难以满足排放要求,常常需要在主体工艺前加入预处理单元或进行不同工艺的组合.比如对于含有颗粒物的气体,需要在VOCs去除单元之前加入水洗或过滤等预处理单元.对于浓度较低、不适于直接催化燃烧的气体,可采用吸附浓缩+催化燃烧的工艺组合进行处理.

吸附、催化燃烧、生物处理、热力燃烧、等离子体等工艺在国内外工业VOCs气体处理领域应用较为广泛.

冷凝、膜分离和吸附工艺多用于处理TVOC>10000mg/m3的VOCs气体并回收VOCs,催化燃烧、热力燃烧工艺多用于处理TVOC>2000mg/m3且不具回收价值的气体,生物处理、等离子体多用于处理TVOC<2000mg/m3的气体.

催化燃烧、热力燃烧、吸附对所处理的VOCs种类表现出广谱性,而生物处理、冷凝、膜分离则表现出一定的偏好和选择性.

VOCs处理技术的选择和应用既有共性的规律,也同时存在复杂性和各种例外,应综合考虑VOCs气体特性、VOCs处理技术经济性能、排放标准等因素进行技术的选择.