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各 VOCs 治理技术的优点、缺点、难处

发布时间:2021-10-14人气:1802

近年来,VOCs 治理引起各界关注,VOCs ( volatile organic compounds ) 即挥发性有机物,是一类化学质的统称,在常温常压下,具有高蒸汽压。我国现标准中 VOCs 是指 20℃ 条件下蒸汽压大于等于 0.01kPa,或在特定适用条件下具有挥发性的全部机化,或在特定适用条件下具有挥发性的全部机化合物的统称。

VOCs 组成复杂,主要包括烷烃、烯烃、芳香烃、卤代烃、含氧烃、氮烃、硫烃、低沸点多环芳烃等。其中常见的 VOCs 种类有甲苯( Toluene Toluene )、二甲苯 ( Xylene ) 、对 -二氯苯 ( Para -dichlorobenzene ) 、乙苯 ( Ethyl benzene)、苯乙烯( Styrene ) 、甲醛 ( Formaldehyde ) 、乙醛 ( Acetaldehyde ) 等。

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VOCs 来源 

VOCs 的排放来源分为自然源和人为源。全球尺度上,VOCs 排放以自然源为主;但对于重点区域和城市来说,人为源排放量远高于自然源,是自然源的 6-18 倍。 在城市里,VOCs 的自然源主要是绿色植被,基本属于不可控源;而其人为源主要包括不完全燃烧行为、溶剂使用、工业过程、油品挥发和生物作用等。目前我国 VOCs 排放主要来自固定源燃烧、道路交通溶剂产品使用和工业过程。在众多人为源中,工业源是主要的 VOCs 污染来源,具有排放集中、排放强度大、浓度高、组分复杂的特点。

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VOCs 危害


VOCs 对人体的危害主要有两个方面:其一为其有害成分直接影响人体健康,其二 VOCs 会形成 PM2.5 前体物,从而间接影响人体健康。

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VOCs防治技术


根据大气中 VOCs 产生的原理和 VOCs 的理化性质,其控制技术可以分为两大类,过程控制和末端控制。过程控制是针对 VOCs 的生产过程,从 VOCs 的原理上减少 VOCs 的产生,一般通过工艺提升、技术改造和泄漏控制来实现。末端控制则是针对 VOCs 的化学特性,着力于 VOCs 废气的治理,利用燃烧、分解等方法来控制 VOCs 的排放。

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NBS 纳米微气泡处理系统


NBS 全名纳米微气泡处理系统,它的原理是利用纳米微气泡进行处理。纳米微气泡就是将气泡纳米化,纳米微气泡破裂时会产生负离子,具有强氧化性。利用纳米微气泡处理有机气体,将气体分解成二氧化碳和水。再配合纳米离子水,能够进行更高端的处理,例如电厂废气处理等。其在处理 VOC 的过程中主要会产生以下反应:

机械断键

即在含有聚合物的多相体系中,由于微气泡溃灭时会使传质模质的质点产生很大的瞬时速度和加速度,引起剧烈的振动,产生强大的液体剪切力,使大分子主链上的碳链产生断裂,使高分子物质降解。


热解


由于微气泡溃灭,在局部地点形成瞬间高温,高分子化合物发生解链反应.如烃类解链生成自由基和自由原子[·]:

RH—R·+H·

非极性、易挥发溶质的蒸汽也能直接热分解如CC14:

CC14—CC13+C1·     CC13—CC12+C1·

水蒸气解离产生H202等强氧化物,与系统中加入的臭氧,通过这些强氧化物,又进一步氧化废气中的有机物,反应如:

CH30H+H202— HCO0H+H2O

HCOOH+H2O —C02+H2O+H2

最终使有机物分解、氧化成溶于水或低粘度的物质、二氧化碳,达到降解的目的。

超临界水氧化


在微气泡溃灭过程中,形成超临界水,有利于提高大多数化学反应速度,例如低挥发性溶质如对硝基苯乙酸酯在瞬时超临界水相的反应如下图:

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自由基氧化


微气泡溃灭时,水中会产生局部的高浓度游离状态的 ·OH、·H、O· 等自由基,并产生高压和微射流,产生强烈的剪切力,使大分子主链上碳键断裂,产生自由基。由于自由基的强氧化性,与溶液中溶质进行反应,实现降解。例如,·OH 非常活跃,能脱去有机分子(如烃类物质)上的一个氢,形成R·自由基,R·能被水中溶解氧进一步氧化成 RO2,RO·也是强氧化剂,这样自由基不断产生不断氧化,大大增强了空化的氧化效率,部分反应如下:

RH+·OH—R·+H20

R·+O2—RO2·

ROO·+RH—R·+HO2·

RH+O2— R·+HO2·

RH+H02·— R·+H2O2

随着反应的继续,烃基过氧化物不断分解,并与新的烃分子或自由基作用,进一步氧化生成中间产物。如醇和酮,反应如下:

RR'CH-00H — RR'CHO·+·OH

RR'CH0·+RH—RR'CH0H+R·

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特点:


  • 运营成本低,处理 15000m3/h 风量,仅需用电 12kw(双级处理),每半月用水 1.5 吨

  • 占地面积小,单套设备占地面积仅 6~9 平方米

  • 净化效率高,VOC 去除率可达 90% 以上

  • 安全性可靠,采用防爆电机、无明火产生、无爆炸隐患,不添加其他药剂。

  • 稳定性长效,设备采用耐腐蚀材料,最长稳定运行时间超过 7 年。

  • 自动化程度高,采用 PLC 液晶显示控制,实现设备自动化控制。


组合技术


沸石转轮+热力焚烧技术

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光催化技术


原理:光催化剂纳米粒子在一定波长的光线照射下受激生产电子空穴对,空穴分解催化剂表面吸附的水产生氢氧自由基,电子使其周围的氧还原成活性离子氧,从而具备极强的氧化还原能力,将光催化剂表面的各种污染物摧毁。

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优点:条件温和,常温常压;设备简单、维护方便;减少甚至无二次污染

缺点:占地面积大;气候影响大;工况变化影响大

等离子体技术


原理:等离子体场富集大量活性物种,如离子、电子、激发态的原子、分子及自由基等;活性物种将污染物分子离解小分子物质。

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适用范围:低浓度 VOCs,室内空气净化

特点:实现 VOCs 低温去除;适用于低浓度、大风量的 VOCs;处理效率高,能耗低;净化并清新空气

生物降解技术


原理:利用微生物对废气中的污染物进行消化代谢,将污染物转化为无害的水、二氧化碳及其它无机盐类。

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适用范围:以微生物可分解物质为主,污染物为微生物的食物来源,可以生物处理的污染物包括:碳氢氧组成的各类有机物、简单有机硫化物、有机氮化物、硫化氢及氨气等无机类等

优点:能耗低、费用低;氧化完全;能耗低

缺点:能量利用率;光催化剂失活;可见光

吸收技术


原理:由废气和洗涤液接触将 VOCs 从废气中移走,之后再用化学药剂将 VOCs 中和、氧化或其它化学反应破坏。

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适用于:高水溶性 VOCs,不适用于低浓度气体。

优点:技术成熟、可去除气态和颗粒物、投资成本低、占地空间小、传质效率高、对酸性气体高效去除。

缺点:有后续废水处理问题、颗粒物浓度高、会导致塔堵塞、维护费用高、可能冒白烟。

吸附技术

原理:利用吸附剂与污染物质 (VOCs) 进行物理结合或化学反应并将污染成分去除

典型工艺:

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适用于:中低浓度的 VOCs 的净化

优点:去除效率高,易于自动化控制

缺点:不适用于高浓度、高温的有机废气,且吸附材料需定期更换

冷凝技术

原理:冷凝将废气降温至 VOCs 成份之露点以下,使之凝结为液态后加以回收之方法。

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适用范围:多用于高浓度、单一组分有回收价值的 VOCs 的处理。处理成本较高,故通常 VOCs 浓度 ≥5000ppm,方才适用冷凝处理,其效率介于 50~85% 之间;浓度 ≥1% 以上时,则回收效率可达 90% 以上。冷凝法也经常搭配其它控制技术,例如:焚化、吸附、洗涤等作为前处理步骤。

膜分离技术

原理:用人工合成的膜分离 VOCs 物质。

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适用范围:高浓度 VOCs,回收效率高于 97%

优点:可回收组分;高效;可集成其余技术

缺点:成本较高;会造成膜污染;膜的稳定性差;通量小

1.蓄热式焚烧(RTO)

例如去年我国一家大型凹印机制造企业跟意大利公司合作为浙江一家大企业安装了一套蓄热式焚烧(RTO)设备,这套设备价格不菲(听说是七百多万),这套设备已安装了很长一段时间,但到现在还没有正常运行,主要原因是 RTO 系统需要极其频繁地切换风向,而涉及的阀门有六七个,阀门开合过程对内部的运风影响很大,每个阀门之间都互相干扰,风阀要完全关闭不漏气很难做到,再加上外部接纳废气流量和浓度也在变化,要达到 RTO 设备所要求的理想工况比跑马射箭还要难,再有,蓄热陶块巨大的风阻,光是 90 多千瓦的循环风机的能耗也受不了,可以说,RTO 技术是成熟的,应用在某些行业也是成功的,但用在软包装行业就不是这么简单。

2.活性炭吸附回收

还有,很多人熟悉的北京一家很早做废气处理的环保公司,为不少软包装企业安装了活性炭吸附回收设备,但活性炭吸附带来的高风阻和脱附高能耗,以及对回收后的溶剂处置难等问题至今一直没有很好的解决方法,所以这些设备使用时跟原初衷大相径庭。

3.催化焚烧

有催化焚烧,由于印刷使用的溶剂成分复杂,催化剂容易中毒失效造成排放不达标,经常更换昂贵的催化剂更造成使用成本高昂。

转轮浓缩也存在能耗大的问题,而且严格意义上现时通过转轮过滤后排放的气体未能达到排放标准。

4.等离子、光触媒和生物降解等

还有其他等离子、光触媒和生物降解等等,至今为止对于软包装行业的废气处理还没有发现让人信服的案例。

5.热回收式直接焚烧

而西方普遍采用的热回收式直接焚烧在国内也很难推广,由于软包装行业所排放的有机废气属于中低浓度,必须混合大量的天然气才可以彻底焚烧,就算有了热回收装置将部分烟气余热转移给有机废气,但最后排放的烟气温度也在 300℃ 以上,这些排放的烟气废热大部分以消耗天然气为代价,而一般软包装企业无法消化利用这么多烟气余热,只能白白排掉,国内天然气价格居高不下造成这个技术在中国难以接受。

再有,现在的有机废气基本上是集中处理,不可能先安装一台小的试试,要么不装,要么一次到位,给企业带来非常大的技术风险和资金压力。

有机废气处理在软包装行业困难重重,究其原因主要是该行业所排放的有机废气属于成分复杂而且浓度偏低,加上处理风量幅度变化很大,比如凹版印刷一般采用 3~4 种溶剂混合,废气浓度很多时候都在 1000ppm 以下,有时多台 8  色印刷机全部开齐,有时只有一台设备就印 4 个颜色,处理这类变化复杂的废气难度很高,凹版印刷废气确实是难啃的骨头。

鉴于软包装行业目前尚未找到成熟的废气处理手段,某些地方政府已开始出台了一些以罚代管的政策,用企业的污染物排放量收取排污费的方式处罚污染企业,通过经济处罚给企业施加整改压力。

政府罚款或收取排污费的定额依据,总排量是最显眼的数字,如果你想少交费,只能想办法降低废气排量。

6.排风量设计过大

说到废气排量,在这里不得不提,一直以来,软包装机械制造企业犯了一个低级且后果严重的错误,绝大部分的凹印、复合或涂布设备的排风量设计大幅超过工艺需求,造成热风浪费严重,风机耗电大,更严重的后果是使废气浓度进一步降低,而废气处理设备的处理容量是以过风量设计的,而且废气浓度越低在热解处理时必须添加更多的天然气混合焚烧,增加排风量等于同时增加了废气处理设备的投入成本和运行成本。

7.烘箱永远都接通排风机

还有一个更低级的错误是就算没有工作的印刷机组其烘箱永远都接通排风机。综合计算,凹版印刷平均下来有超过7成以上的排风是多余的。或者有可能设备在出厂时设计的排量按最大值并增加一定的保险系数,但厂家使用时应该根据不同的产品进行调整,很多厂家自设备买回来后所有风机风阀原来怎样就怎样,这也是造成上述问题的原因,追究起来机械厂家和设备使用者都有过错,因在这个小节上不注意,可以让一个中等规模的企业每年多花几十、甚至上百万的电费。

对于省钱,我看软包装行业的老板比不上马路边洗车店的老板聪明,很少见过有人拿水管冲刷车辆,而是用一支高压水枪,流速很快但水量很少,小半桶水就可以把车洗得干干净净。我在这里只举这个例子,认为只有大风量才能把溶剂带走的人回去好好想想。

建议:增加流速、大幅度降低风量

增加流速、大幅度降低风量对于油墨烘干反而起了正面作用,包括对人们担心的废气浓度过高存在爆炸安全隐患等都有企业都做了充分的技术论证和现场测试,之前设计的凹印机的排风浓度离爆炸点相距很远,相当于水只淹到脚眼,离鼻子还远了,就算把排风降低到现有的 25%,相当于水还未淹到膝盖。实践证明,在同等温度下,适当提高风速而大幅度降低风量会提高油墨的干燥效率,而且废气浓度的提高不会导致爆炸风险的增加。

通过大幅降低凹印机的排风量实现节能减排已逐步被人们所认知,烘干能耗跟废气排放量呈正比,假如 3万m³/h 的排量时电热功耗是 300kw,如果减至 1 万m³/h 时,电热功耗也降低至 100kw,对于后续的废气处理只需要配置 1万m³/h  的处理设备,比 3万 m³/h 的设备起码便宜一半,而且当废气浓度上升至约  2.5g/m³ 时,有机废气里面的溶剂热能解放可以维持自持燃烧,无需添加天然气,而且,废气热解析出的热量完全可以满足烘干热风的加热需求。













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