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VOC治理方案及其优缺点

有机废气处理的方法主要有两类:一类是回收法,另一类是消除法。回收法主要有炭吸附、变压吸附、冷凝法及膜分离技术,回收法是通过物理方法,用温度、压力、选择性吸附剂和选择性渗透膜等方法来分离VOC的。消除法有热氧化、催化燃烧、生物氧化及集成技术;消除法主要是通过化学或生 化反应,用热、催化剂和微生物将有机物转变成为CO2和水。

1、回收技术

(1)炭吸附法

炭吸附是目前最广泛使用的回收技术,其原理是利用吸附剂(粒状活性炭和活性炭纤维)的多孔结构,将废气中的VOC捕获。将含VOC的有机废气通过活性炭床,其中的VOC被吸附剂吸附,废气得到净化,而排入大气。

当炭吸附达到饱和后,对饱和的炭床进行脱附再生;通入水蒸汽加热炭层,VOC被吹脱放出,并与水蒸汽形成蒸汽混合物,一起离开炭吸附床,用冷凝器冷却蒸汽混 合物,使蒸汽冷凝为液体。若VOC为水溶性的,则用精馏将液体混合物提纯;若为水不溶性,则用沉析器直接回收VOC。因涂料中所用的“三苯”与水互不相 溶,故可以直接回收。

炭吸附技术主要用于废气中组分比较简单、有机物回收利用价值较高的情况,其废气处理设备的尺寸和费用正比于气体中VOC的数量,却相对独立于废气流量;因 此,炭吸附床更倾向于稀的大气量物流,一般用于VOC浓度小于5000PPM的情况。适于喷漆、印刷和粘合剂等温度不高,湿度不大,排气量较大的场合,尤 其对含卤化物的净化回收更为有效。

(2)冷凝法

冷凝法是最简单的回收技术,将废气冷却使其温度低于有机物的露点温度,使有机物冷凝变成液滴,从废气中分离出来,直接回收。但这种情况下,离开冷凝器的排放气中仍含有相当高浓度的VOC,不能满足环境排放标准。要获得高的回收率,系统需要很高的压力和很低的温度,设备费用显著地增加。

冷凝法主要用于高沸点和高浓度的VOC回收,适用的浓度范围为>5%(体积)。

(3)膜分离技术

膜分离系统是一种高效的新型分离技术,其流程简单、回收率高、能耗低、无二次污染。

膜分离技术的基础就是使用对有机物具有选择渗透性的聚合物膜,该膜对有机蒸气较空气更易于渗透10-100倍,从而实现有机物的分离。

最简单的膜分离为单级膜分离系统,直接使压缩气体通过膜表面,实现VOC的分离,但单级膜因分离程度很低,难以达到分离要求,而多级膜分离系统则会大大增加设备投资。

该系统的特点是末渗透物流的浓度独立于进料气的浓度,该浓度由冷凝器的压力和温度决定。

(4)变压吸附技术

该技术利用吸附剂在一定压力下,先吸附有机物。当吸附剂吸附饱和后,进行吸附剂的再生。再生不是利用蒸汽,而是通过压力变换来将有机物脱附。当压力降低时,有机物从吸附剂表面脱附放出。其特点是无污染物,回收效率高,可以回收反应性有机物。但是该技术操作费用较高,吸附需要加压,脱附需要减压,环保中应用较少。

2、消除技术

(1)热氧化

热氧化系统就是火焰氧化器,通过燃烧来消除有机物的,其操作温度高达700℃-1,000℃。这样不可避免地具有高的燃料费用,为降低燃料费用,需要回收离开氧化器的排放气中的热量。回收热量有两种方式,传统的间壁式换热和新的非稳态蓄热换热技术。

(2)催化燃烧

催化燃烧是一种类似热氧化的方式来处理VOC的,它净化有机物是用铂、钯等贵金属催化剂及过渡金属氧化物催化剂来代替火焰,操作温度较热氧化低一半,通常为 250℃-500℃。由于温度降低,允许使用标准材料来代替昂贵的特殊材料,大大地降低设备费用和操作费用。与热氧化相似,系统仍可分为间壁式和蓄热式两 类热量回收方式。

(3)集成技术(炭吸附+催化氧化)

对于大流量、低浓度的有机废气,单一使用上述方法处理费用太高,不经济。利用炭吸附具有处理低浓度和大气量的优势,先用活性炭捕获废气中的有机物,然后用小 得多流量的热空气来脱附,这样可使VOC富集10—15倍,大大地减少了处理废气的体积,使后处理设备的规模也大幅度地降低。把浓缩后的气体送到催化燃烧 装置中,利用催化燃烧适于处理较高浓度的特点来消除VOC。催化燃烧放出的热量可以通过间壁换热器,来预热进入炭吸附床的脱附气,降低系统的能量需要量。

该技术利用炭吸附处理低浓度和大气量的持点,又利用催化床处理适中流量、高浓度的优势,形成一种非常有效的集成技术。国内也已开始利用此技术,用于喷漆、印刷和制鞋等排放大流量、低浓度有机废气行业的治理。

消除技术的使用范围:

(1)热氧化

热氧化系统在700℃-1000℃下操作,适于流量为2000-50,000m3/h,VOC浓度为100-2000PPM的情况。

热氧化的缺点是:①在高温燃烧中产生了NOx,它也为危险排放物,需要进一步治理;②较慢的热反应;③不能满意地处理卤化物,必需加后处理装置洗涤塔,来处理酸性气体;④进气浓度不能>25%LEL;⑤高的设备投资费用。

(2)催化氧化

催化氧化是在比热氧化低的温度下进行,通常为250℃-500℃,其处理能力为2000-20,000m3/h,适于VOC浓度为100-2000 PPM,其消除效率高达95%以上。低的操作温度结合间壁换热器,可以降低启动所需的燃料。

催化燃烧较热氧化有几个优点:①反应温度较热氧化低一半,节省了燃料;②停留时间短,降低了设备尺寸;③由于燃料减少,生成的CO也少,CO和VOC一起被 转换;④较热氧化系统需更少的启动和冷却时间;⑤低的操作温度,排除了NOx的生成;⑥因温度降低,允许使用标准材料来代替昂贵的特殊材料,RCO系统的 整个机械寿命将增加。

催化氧化也有不足:①催化剂易被重金属或颗粒覆盖而失活;②处理卤化物和硫化物时,会产生酸性气体,需用洗涤塔进一步处理;③废催化剂如不能循环使用,也要处理;④进气浓度不能>25%。

(3)集成技术(炭吸附+催化燃烧)

炭吸附进行VOC回收已广泛用于喷漆、印刷和电子工业等行业,消除率可达90%-95%,但对低浓度废气,从经济上考虑,回收不经济,故采用消除技术。

集成技术的优点就是用较低的费用来处理低浓度、大气量的废气,通过浓缩废气,降低了需处理废气的体积,用较小体积的催化燃烧氧化器来处理大流量的废气,降低设备费用和操作费用。

该法也有不足,此技术均不适合废气中含有高活性、易反应的VOC和相对湿度大于50%的情况,对含卤化合物的废气仍需使用后处理设备