VOC废气处理方法及优缺点

未知, 2021-07-19 15:45, 次浏览

VOC废气处理方法及优缺点
 
一、有机废气处理技术
 
工业在生产过程中会产生大量对大气环境有害的VOC。VOC是指常温下饱和蒸气压大于70Pa,常压下沸点在260℃以内的有机化合物,包括烃类、氧烃类、含卤烃类、氮烃类和硫烃类。VOC种类繁多,来源广泛,难以控制。一般来说,根据废气处理的方法,有机废气处理的方法主要有两种:一种是回收法,另一种是消除法。回收方法主要有碳吸附、变压吸附、冷凝和膜分离技术。回收方法采用温度、压力、选择性吸附剂和选择性渗透膜等物理方法分离VOC。消除方法包括热氧化、催化燃烧、生物氧化和集成技术;消除方法主要是通过化学或生化反应,利用热量、催化剂和微生物将有机物转化为CO2和H2O。
 
1.回收技术
 
(1)活性炭吸附法
 
活性炭吸附是目前应用最广泛的回收技术。其原理是利用吸附剂(颗粒活性炭和活性炭纤维)的多孔结构来捕集废气中的VOC。含VOC的有机废气通过活性炭床,VOC被吸附剂吸附,废气经过净化后排入大气。活性炭吸附达到饱和后,饱和的活性炭床脱附蓄热;引入水蒸气加热碳层,吹走VOC,与水蒸气形成蒸汽混合物,一起离开活性炭吸附床,用冷凝器冷却蒸汽混合物,将蒸汽冷凝成液体。如果VOC是水溶性的,液体混合物通过精馏净化;如果不溶于水,直接用沉降器回收VOC。涂料中使用的“三苯基”可以直接回收,因为它与水不混溶。活性炭吸附技术主要用于废气成分简单、有机物回收价值高的情况。废气处理设备的规模和成本与气体中的VOC量成正比,但相对与废气流量无关;因此,活性炭吸附床往往大气浓度较低,一般在VOC浓度小于5000PPM时使用。适用于油漆、印刷、粘合剂等低温、低湿、排气量大的场所,尤其适用于卤化物的净化回收。
 
(2)冷凝法
 
冷凝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,使有机物冷凝成液滴,从废气中分离出来,直接回收。然而,在这种情况下,离开冷凝器的废气仍然含有高浓度的VOC,不能满足环境排放标准。为了获得高回收率,系统需要高压低温,设备成本显著增加。冷凝法主要用于回收高沸点、高浓度的VOC,适用浓度范围> 5%(体积)。
 
(3)膜分离技术
 
膜分离系统是一种工艺简单、回收率高、能耗低、无二次污染的新型高效分离技术。膜分离技术的基础是使用对有机物具有选择性透过性的聚合物膜,其对有机蒸气的透过性是空气的10-100倍,从而实现有机物的分离。最简单的膜分离系统是单级膜分离系统,直接使压缩气体通过膜表面实现VOC分离。但单级膜由于分离程度低,难以满足分离要求,而多级膜分离系统将大大增加设备投资。
 
(4)变压吸附技术
 
该技术首先利用吸附剂在一定压力下吸附有机物。当吸附剂吸附饱和时,吸附剂蓄热。蓄热不使用蒸汽,而是通过压力转化脱附有机物。当压力降低时,有机物从吸附剂表面脱附。其特点是无污染,回收效率高,能回收活性有机物。但是这种技术运行成本高,吸附需要加压,脱附需要降压,很少用于环保。
 
回收技术的适用范围
 
颗粒活性炭主要用于回收脂肪烃和芳香烃、大部分含氯溶剂、常用的醇类、一些酮类和酯类等。常见的有苯、甲苯、二甲苯、己烷、庚烷、甲乙酮、丙酮、四氯化碳、乙酸乙酯等。活性炭纤维吸附可以回收苯乙烯、丙烯腈等活性单体,但成本远高于颗粒活性炭吸附。吸附法已广泛应用于涂料工业中“三苯基”和“乙酸乙酯”的回收、制鞋工业中“三苯基”的回收、印刷工业中甲苯和乙酸乙酯的回收、电子工业中二氯甲烷和三氯乙烷的回收。活性炭吸附法要求废气中的VOC不超过5000PPM,湿度不超过50%。当浓度大于5000PPM时,需要稀释后才能吸附,不适用于某些活性物质,如酮、醛、酯等。这类VOC会与活性炭或活性炭表面发生反应,堵塞炭孔,使活性炭失活。
 
冷凝法对高沸点有机物有效,对中、高挥发性有机物无效。该方法适用于VOC浓度> 5%,回收率不高。但是废气中大部分含有水分,当温度低于0℃时会结冰,降低了系统的可靠性,所以很少单独使用。
 
膜分离法适用于处理浓缩物流。随着新型高效膜的出现和系统成本的降低,它将成为一种重要的回收方法。
 
2.消除技术
 
(1)热氧化
 
热氧化系统是一种火焰氧化器,通过燃烧消除有机物,其工作温度高达700℃-1000℃。这不可避免地导致高燃料成本。为了降低燃料成本,有必要从离开氧化器的废气中回收热量。热量回收有两种方式,传统的分区传热和新的非稳态蓄热技术。
 
隔膜热氧化是用管式或板式隔膜换热器捕捉净化废气的热量,可回收40%-70%的热能,用回收的热量预热进入氧化系统的有机废气。预热后,废气通过火焰达到氧化温度,并被净化。分区换热的缺点是热回收效率不高。
 
蓄热式热氧化采用一种新的非稳态传热方式来回收热量。主要原理是有机废气和净化废气交替循环,通过多次改变流向,最大限度地捕捉热量。储热系统提供极高的热量回收。
 
VOC有机废气进入RTO系统,首先进入耐火蓄热床层1(已被前一循环净化气加热),废气从床层1吸收热能升温,然后进入氧化室;VOC在氧化室内被氧化成CO2和H2O,废气得到净化。氧化后的高温净化气体离开燃烧室,进入另一个冷蓄热床层2,冷蓄热床层2从净化废气中吸收热量并储存(用于预热下一个循环进入系统的有机废气),降低净化废气的温度。当该过程持续一定时间时,气流方向反转,有机废气从床2进入系统。这一循环不断吸收和释放热量,作为集热器的蓄热床在入口和出口的运行模式中不断变化,产生高效的热量回收,热量回收率高达95%,VOC消除率高达99%。
 
(2)催化燃烧
 
催化燃烧是一种类似于热氧化的处理VOC的方法。它通过用贵金属催化剂如铂和钯以及过渡金属氧化物催化剂代替火焰来净化有机物。工作温度比热氧化低一半,通常为250℃-500℃。随着温度的降低,允许使用标准材料代替昂贵的特殊材料,大大降低了设备成本和运行成本。与热氧化类似,该系统仍可分为两种热回收方式:分区式和蓄热式。
 
分区催化燃烧是在催化床后设置一个换热器,可以降低废气温度,预热含VOC的有机废气,其热回收可达60%-75%。这种氧化剂长期以来一直用于工业过程。
 
蓄热催化燃烧是一种新的催化技术。它具有RTO高效回收能量的特点,以及低温操作和催化反应节能的优点。将催化剂置于蓄热材料顶部,达到最佳净化效果,其热回收率高达95%-98%。
 
RCO系统性能的关键是使用浸渍在鞍状或蜂窝状陶瓷上的特殊催化剂、贵金属或过渡金属催化剂,使氧化在RTO系统一半温度下发生,既降低了燃料消耗,又降低了设备成本。目前国内已采用RCO技术消除有机废气,许多RTO设备已改造为RCO,可降低运行成本33%-75%,增加废气流量20%-40%。
 
(3)集成技术(活性炭吸附+催化氧化)
 
对于流量大、浓度低的有机废气,单独使用上述方法过于昂贵且不经济。用碳吸附具有处理低浓度和大气体积的优点。首先,废气中的有机物被活性炭捕获,然后用流速小得多的热空气脱附。这样可以使VOC富集10-15倍,废气量大大减少,后处理设备规模大大缩小。将浓缩后的气体送入催化燃烧装置,利用催化燃烧适合处理较高浓度的特点,消除VOC。催化燃烧释放的热量可以通过隔板换热器对进入碳吸附床的脱附气体进行预热,从而降低系统的能量需求。该技术利用活性炭吸附处理低浓度、高风量的滞留点,利用催化床处理中等风量、高浓度,形成非常有效的集成技术。在国内,这项技术也被用于处理排放大量空气和低浓度有机废气的行业,如油漆、印刷和制鞋。
 
消除技术的使用范围
 
(1)热氧化热氧化系统在700℃-1000℃下运行,适用于2000-50000m3/h的流量和100-2000PPM的VOC浓度。
 
与蓄热式相比,隔断式的优点是可以通过简单的金属热交换器捕获热量,只需几分钟就可以达到所需的运行条件,最适合循环运行。
 
蓄热热氧化具有很高的氧化温度,可以处理难以热分解的有机物。该系统中98%-99%的VOC消除率非常普遍。热回收效率为85%-95%。它可以在很少或没有燃料的情况下运行,特别是对于VOC含量相对较低的气体,这比隔墙的热氧化更便宜。
 
热氧化的缺点是:①高温燃烧产生NOx,也是一种危险的排放物,需要进一步处理;②缓慢的热反应;③卤化物处理不满意,必须增加后处理装置的洗涤塔处理酸性气体;④进气浓度不能高于25% LEL;⑤设备投资成本高。
 
(2)催化氧化
 
催化氧化在比热氧化更低的温度下进行,通常在250℃-500℃,处理能力为2000-20000m3/h,适用于100-2000 PPM的VOC浓度,其消除效率高达95%以上。较低的运行温度结合隔板换热器可以减少启动所需的燃料。
 
催化燃烧比热氧化有几个优点:①反应温度比热氧化低一半,节省燃料;②停留时间短,设备尺寸减小;③由于燃料的减少,产生的CO减少,CO和VOC一起转化;④与热氧化系统相比,它需要较少的启动和冷却时间;⑤低运行温度消除了氮氧化物的形成;⑥随着温度的降低,允许使用标准材料而不是昂贵的特殊材料,RCO系统的整体机械寿命会增加。
 
催化氧化也有缺点:①催化剂容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,需要洗涤塔进一步处理;③如果废催化剂不能回收,也应进行处理;④进气浓度不能大于25%。
 
(3)集成技术(活性炭吸附+催化燃烧)
 
活性炭吸附回收VOC已广泛应用于油漆、印刷、电子等行业,消除率可达90%-95%。但对于低浓度废气,经济回收不经济,因此采用淘汰技术。
 
集成技术的优点是以较低的成本处理低浓度、大体积的废气,通过浓缩废气减少待处理废气的体积,用较小的催化燃烧氧化剂处理大流量废气,从而降低设备成本和运行成本。
 
这种方法也有一些缺点。该技术不适用于废气中含有高活性和反应性VOCs,且相对湿度大于50%的情况。对于含卤素化合物的废气,仍需要后处理设备。
 
可以看出,上述每种方法都有其优缺点和适用对象,现将几种常用方法的优缺点总结比较如下。
 
热燃烧技术的优缺点
 
优点:①净化效率高;②无需预处理即可净化各种有机废气,不稳定因素少,可靠性高;③在废气浓度高、设计合理的情况下,热能可以重复利用。
 
缺点:①处理温度高,能耗高;②存在二次污染;③燃烧装置、燃烧室和热回收装置价格昂贵,维护困难;④处理大流量低浓度废气能耗过大,运行成本高。
 
实时操作系统的优缺点
 
优点:①具有TO的优点,但需要对复杂的有机废气进行预处理;②能耗远低于TO,可处理大气中低浓度废气。
 
缺点:①处理温度低于TO,但仍较高,故仍有少量二次污染;②成本较高;③占地面积大。
 
催化燃烧的优缺点
 
优点:①净化效率高,无二次污染;②能耗低,同等条件下比TO低50%左右,运行成本低。
 
缺点:①用电能预热时,不能处理低浓度废气;②催化剂成本高,使用寿命有限;③复杂废气需要预处理。
 
RCO的优缺点
 
优点:①净化效率高,无二次污染;②各种燃烧方式中能耗最低,废气浓度为1-1.5g/m3。③可处理各种有机废气。
 
缺点:①整体式占地面积小,但维护困难;②分体式占地面积大;③整体式不适合高浓度(4g/m3),否则催化床会过热;④复杂废气需要预处理。
 
吸附法的优缺点
 
优点:①可净化大流量低浓度废气;②溶剂可针对单一品种废气进行回收;③运行成本低。
 
缺点:①吸附剂需要补充和蓄热;②温度较高的废气需要先冷却;③复杂废气需要预处理;④管理不方便;⑤存在二次污染;⑥安全性差。
 
吸收法的优缺点
 
优点:(1)水作为亲水性溶剂蒸汽的吸附剂,设备成本低,运行成本低,安全;②苯废气可被油和酯吸收,净化率高;适用于大流量、低浓度的废气。
 
缺点:①用水作吸附剂时,需要对产生的废水进行处理;②吸附和脱附的控制和管理复杂。
 
(二)低浓度、大风量有机废气的处理技术
 
在使用有机溶剂的行业中,汽车涂装、印刷等行业排放的有机废气具有有机溶剂浓度低、风量大的特点。如果采用上述方法,将会使用巨大的设备,并且消耗很高。目前国际上主要采用以下方法处理这类低浓度、大风量的有机废气。
 
(1)蜂窝轮集中系统
 
该系统采用蜂窝轮连续吸附分离低浓度大风量废气中的有机溶剂。然后用小风量的热空气脱附,得到高浓度、小风量的含有机溶剂气体。浓缩气体与小型催化燃烧或活性炭回收装置结合,形成经济的处理系统。该系统的关键部件是一个圆柱形吸附轮,它由活性炭或疏水沸石制成波纹状,然后卷成蜂窝状结构。整个蜂窝轮分为吸附区和蓄热区,运行时以极低的速度连续旋转。当含有有机溶剂的废气通过吸附区时,有机溶剂被吸附,净化后的气体被排出。被转轮吸附的有机溶剂随着转轮的转动被送入蓄热区,在120-140℃下被热空气加热脱附,随热空气排出。由于脱附风量远小于吸附风量,脱附气体中有机溶剂的浓度可提高10-20倍。脱附后,废气只能通过吸收十分之一空气量的装置进行处理。该系统体积小、成本低,已成为国外处理低浓度、大体积有机废气的主要方法,并得到广泛应用。然而,它的引入是昂贵的,这在中国的市场推广经济中是无法忍受的。国内一些研究单位利用其净化工艺,改造主要设备,使其适合我国。例如,该研究采用用多个填充蜂窝活性炭的固定吸附浓缩器代替蜂窝轮浓缩器的方法,通过在多个固定床之间切换吸附和脱附过程,完成蜂窝轮旋转所起到的作用。由于这种方法没有旋转部件,也没有动密封问题,设备制造简单,维护方便,价格便宜,具有原工艺集中的优点。
 
(2)液体吸收法
 
在该方法中,有机废气中的有机溶剂通过与液体吸收剂接触而被吸收剂吸收,然后脱附以除去或回收有机溶剂,使得吸收剂可以蓄热和重复使用。由于工艺中可以选择比吸附和催化燃烧装置大几倍的塔式吸收设备,因此设备的体积可以做得小得多,设备成本也低。但是很难找到理想的吸收剂,因为有机溶剂一般是非极性物质,会与极性水分子相互排斥,难以溶解。然而,在有机溶剂中具有高溶解度的油或芳香萃取剂通常是昂贵的,并且它们中的一些具有异味。同时,液体吸收还有很多问题需要解决,限制了它的应用。
 
(3)生物处理
 
生物除臭技术自20世纪40-50年代在德国和美国得到成功发展。在日本,对土壤除臭和活性污泥除臭的研究始于1970年左右,各种装置已经开发出来并投入实际使用。
 
该方法中,有机溶剂被微生物分解。因其能耗低、运行成本低而受到人们的关注。其缺点是对各种有机溶剂的选择性,限制了其应用领域。目前已用于污水处理厂、饲料加工厂、垃圾场等场所,对硫化氢、低分子醛、乙醇、有机酸等极性物质进行除臭。也用于处理彩膜乳液涂布干燥过程中产生的甲醇和乙酸乙酯。与其他方法相比,这种方法占地面积大,这是另一个缺点。
 
(3)光催化氧化技术(紫外光解技术)
 
空气中的氧分子被高能紫外光束分解产生游离氧(即活性氧),由于游离氧携带的正负电子不平衡,需要与氧分子结合,从而产生臭氧,臭氧具有很强的氧化性。有机废气和恶臭气体通过臭氧协同光解氧化降解转化为低分子化合物、水和二氧化碳。与活性炭吸附和催化燃烧相比,光催化氧化具有经济潜力。无论用哪种方法处理低浓度、大风量的有机废气,成本都很高。光催化技术处理效率高,可达95%以上,适应性强,可适应中低浓度、大气量及不同恶臭气体物质的除臭净化处理;产品性能稳定,运行稳定可靠,可24小时连续工作;运行成本低,设备能耗低,无专人管理维护,只定期检查。