VOCs废气治理常见技术、组合方案及设备选型

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VOCs废气治理常见技术、组合方案及设备选型 

 VOCs的控制技术基本分为两类

第一类是预防性措施,以更换设备、改进工艺技术/防止泄露乃至消除VOCs排放为主,这是人们所期望的,但是以目前的技术水平,向环境中排放和泄露不同浓度的有机废气是不可避免的,这时就必须采用第二类技术。

 

第二类技术为控制性措施,以末端治理为主。末端控制技术包含两类,第一类是非破坏性方法,即采用物理方法将VOCs回收;第二类是通过生化反应将VOCs氧化分解为无毒或低毒的破坏性方法。常用的控制技术如图所示:

 

 

VOC废气治理技术

一、热破坏法热破坏法:是指直接和辅助燃烧有机气体,也就是VOC,或利用合适的催化剂加快VOC的化学反应,最终达到降低有机物浓度,使其不再具有危害性的一种处理方法。

 

二、吸附法有机废气中的吸附法:主要适用于低浓度、高通量有机废气。现阶段,这种有机废气的处理方法已经相当成熟,能量消耗比较小,但是处理效率却非常高,而且可以彻底净化有害有机废气。实践证明,这种处理方法值得推广应用。但是这种方法也存在一定缺陷,它需要的设备体积比较庞大,而且工艺流程比较复杂;如果废气中有大量杂质,则容易导致工作人员中毒。所以,使用此方法处理废气的关键在于吸附剂。

 

三、生物处理法生物法:净化voc废气是近年发展起来的空气污染控制技术,它比传统工艺投资少,运行费用低,操作简单,应用范围广,是最有望替代燃烧法和吸附净化法的新技术。这是一种无害的有机废气处理方式。

 

四、变压吸附分离与净化技术变压吸附:分离与净化技术是利用气体组分可吸附在固体材料上的特性,在有机废气与分离净化装置中,气体的压力会出现一定的变化,通过这种压力变化来处理有机废气。

 

五、氧化法:对于有毒、有害,而且不需要回收的VOC,热氧化法是最适合的处理技术和方法。氧化法的基本原理:VOC与O发生氧化反应,生成CO和HO。

 

六、冷凝回收法:在不同温度下,有机物质的饱和度不同,冷凝回收法便是利用有机物这一特点来发挥作用,通过降低或提高系统压力,把处于蒸汽环境中的有机物质通过冷凝方式提取出来。冷凝提取后,有机废气便可得到比较高的净化。

 

VOCs废气治理设备选择考虑因素

VOCs废气治理设备根据不同VOCs浓度、流量、温度、废气类型、含颗粒物、价格等因素,适合使用的技术也有所不同。

 

1) 污染物质浓度水平

待处理有机废气的有机物浓度是影响选择废气处理系统选择的主要因素。

 

直燃式氧化器能够处理最大浓度范围的碳氢化合物,从十亿分之一的浓度水平到纯碳氢化合物蒸气。如果有机废气浓度超过25%,特别考虑要执行措施来防止从氧化器到废气来源的回火。这种能处理大浓度范围的弹性能力的代价是这种形式氧化器的高燃料成本。

 

蓄热式和热回收式的氧化器都限制被处理有机废气的浓度必须少于25%:对于蓄热式系统,此限制是由于存在热失控的风险。对于热回收式系统,是怕热回收器被损坏。解决方法可以是往有机废气中掺入空气以降低浓度或做更多的热回收。

 

2)有机废气的排放流量

如果待处理有机废气的流量是在5000Nm3/h以下,蓄热式系统(RTO)大体来说是不适用的。这是因为与热回收式焚烧系统来比较,蓄热式氧化器(RTO)的最高成本大体上是不足以抵消它在节省燃料和电力消耗所带来的好处。流量大于5000Nm3/h时,热回收热力焚烧系统有严重的经济缺点,这是因为他们会产生非常高的燃料费用。然而,如果工艺需要大量的热能时,二级的热回收锅可以用来抵消高昂的燃料费用,另一个例外是每年很少运作,需处理大流量废气的应急系统。

 

3)有机废气的排气温度

如果待处理有机废气的温度在大约300℃以上时,是不适合采用蓄热式系统(RTO)的,这是因为高温的待处理有机废气会大大降低换向阀的可靠性和寿命;另外,在这样高的温度时,建造RTO的高成本也不足以抵消在节省燃料和电力消耗所带来的好处。如果待处理有机废气的温度超过500℃时,采用热力回收式焚烧系统不如采用直接式焚烧系统,因为在燃料消耗的差距太小,不足以抵消增加的热回收器带来的投资成本。

 

4)污染物质的类型

当有机废气中含有高浓度的可转化有机酸的物质(如氯,氟,硫和卤素)时必须特别小心。他们会对设备造成严重的腐蚀或令催化剂中毒。

 

5)微粒散发的水平

当有机废气中含有微小颗粒时特别小心。例如,当废气中含有油状颗粒时,他们会聚集在管道和氧化器比较冷的部位,那这个设备就需要经常清理。

 

图解(仅供参考):

VOCs浓度及流量

 

 

费用

 

不同VOCs气体种类可选择的治理技术

 

常见的几种VOCs组合处理技术

治理设备技术组合方案有很多种,上方也有说到需要根据企业产生废气的各方面因素综合考虑,以下就简析几种典型 VOCs 组合处理技术介绍

(1)VOCs循环脱附分流回收吸附技术该技术

采用活性炭作为吸附剂,采用惰性气体循环加热脱附分流冷凝回收的工艺对有机气体进行净化和回收。回收液通过后续的精制工艺可实现有机物的循环利用。工艺原理示意图如下:

 

整个系统由来气预处理、吸附、循环加热脱附、冷凝回收和自动控制等主要部分构成。含VOCs的气体通过预处理后进入吸附段吸附后达标排放,吸附段通常并联设置有吸附罐并通过切换阀控制实现气体的连续吸附操作。吸附到设定程度的吸附罐通过切换阀切换形成再生循环回路。循环回路可通过充入惰性气体置换系统内气体的方式减少气相中的含氧量,从而减少再生过程中某些类型溶剂的氧化副产物的生成。通过循环风机和加热器可形成循环气流加热吸附罐进行脱附,同时通过分流冷凝系统冷凝回收溶剂。

目前该技术成熟、稳定,可实现自动化运行。单位投资大致为9-24万元/千(m3/h),回收的有机物成本700-3000元/t。对有机气体成分的净化回收效率一般大于90%,也可达95%以上。适用于石油,化工及制药工业,涂装、印刷、涂布,漆包线、金属及薄膜除油,食品,烟草,种子油萃取工业,及其他使用有机溶剂或C4-C12 石油烃的工艺过程。

(2)高效吸附-脱附-燃烧VOCs治理技术

该技术利用高吸附性能的活性碳纤维、颗粒炭、蜂窝炭和耐高温高湿整体式分子筛等固体吸附材料对工业废气中的 VOCs 进行富集,对吸附饱和的材料进行强化脱附工艺处理,脱附出的VOCs 进入高效催化材料床层进行催化燃烧或蓄热催化燃烧工艺处理,进而降解 VOCs。

主要工艺流程包括预处理、吸附、脱附-燃烧三个阶段。

①预处理:含 VOCs 废气在吸附净化前一般先经高效纤维过滤器或高效干湿复合过滤器过滤,对废气粉尘等进行拦截净化。

②吸附阶段:去除尘杂后的废气,经合理布风,使其均匀地通过固定吸附床内的吸附材料层过流断面,在一定停留时间内,由于吸附材料表面与有机废气分子间相互作用发生物理吸附,废气中的有机成份吸附在活性炭表面积,使废气得到净化;实际应用中,净化装置一般设置两台以上吸附床,以确保一台处于脱附再生或备用,保证吸附过程连续性,不影响实际生产。

③脱附-燃烧:达到饱和状态的吸附床应停止吸附转入脱附再生,脱附后的废气进入燃烧阶段,即 RTO或 RCO废气处理工艺。

 

催化燃烧技术(RCO)是利用催化剂做中间体,使有机气体在较低的温度下,变成无害的水和二氧化碳气体,即:

两种燃烧技术的去除率、达标能力是一致的,但也存在一些不同,见下表。

 

总的来说,RTO技术会产生二次污染,同时存在投资大、运行费用高、风险高等问题。RCO技术具有明显优势。

目前该技术成熟、稳定,可实现自动化运行。设备投资基本上是200~300万元(以处理风量为50000m3/h),运行费用30~50万元,主体设备寿命10~15年。VOCs去除效率一般大于95%,可达98%以上。在石油、化工、电子、机械、涂装等行业大风量、低浓度或浓度不稳定的有机废气治理中得到应用。

(3)冷凝与变压吸附联用 VOCs治理技术

该技术采用多级冷凝技术,使废气的有机成分在常压下凝结成液体析出,经净化后的废气进入吸附器进一步吸附富集,同时确保达标排放。吸附饱和后的吸附剂(活性炭、沸石等)等采用负压脱附方式再生吸附剂,并将高浓度 VOCs 送回前端冷凝装置。

工艺流程主要包括冷凝和吸附两大单元。冷凝单元一般设置三级冷凝,第一级从常温冷凝到3℃、第二级从3℃冷凝到-35℃、第三级从-35℃冷凝到-70℃。第三级的冷凝余气返回第一级前面的前置换热器,冷量回用,将进入回收处理装置的含VOCs废气预冷,有节能效果。吸附单元一般配置吸附罐两只和脱附真空泵一台,以及用于切换吸附脱附的电动或气动阀门若干。真空泵还需要配备冷却系统。

冷凝与吸附联用技术能够克服单纯冷凝技术在应用过程中能耗大、运行成本高的现象,同时弥补单纯吸附技术在应用过程中,设备体积大、吸附温升对安全运行有影响、长期运行吸附材料易失活等问题。单位投资大致为0.4-0.8万/m3,单位小时运行成本为0.08-0.2元/m3。净化效率一般大于98%。主要适用于石油化工、有机化工、油气储运等行业。主要适用于储油库、炼油厂、石油化工厂等成品油/化工品装车油气回收;液体储罐呼吸气 VOCs 治理;油品、化工品码头装船油气回收。

(4)沸石转轮与蓄热燃烧VOCs治理技术

该技术采用高浓缩倍率沸石转轮设备将废气浓度浓缩 5-20倍,富集的废气进入燃烧炉或催化炉(RTO/RCO)进行燃烧处理,VOCs 被彻底分解成 CO2 和 H2O。同时反应后的高温烟气进入特殊结构的陶瓷蓄热体,80-95%以上的热量被蓄热体吸收,使得出口气体温度降至接近进口温度。不同蓄热体通过切换阀或者旋转装置随时间进行转换,分别进行吸热和放热,对系统热量进行有效回收和利用。

工艺流程主要由沸石转轮浓缩(吸附区域、脱附区域、冷却区域)、脱附系统、蓄热式燃烧系统(RTO炉体、陶瓷蓄热体、燃烧系统等)及控制系统等部分组成。

①吸附脱附:沸石分子筛转轮分为吸附区、脱附区和冷却区三个功能区域,沸石分子筛转轮吸附浓缩系统利用吸附-脱附-冷却这一连续性过程,对VOCs废气进行吸附浓缩。首先,废气进入沸石分子筛转轮的吸附区,VOCs被沸石分子筛吸附除去,被净化后排出。吸附在分子筛转轮中的VOCs,在脱附区经过约200℃小风量的热风处理而被脱附、浓缩。再生后的沸石分子筛转轮在冷却区被冷却,如此反复。

②蓄热式燃烧:脱附后的高浓度小风量废气进入蓄热式燃烧处理系统,首先进入蓄热室 A 的陶瓷介质层,陶瓷释放热量,温度降低,而有机废气吸收热量,温度升高,废气离开蓄热室后以较高的温度进入氧化室。在氧化室中,有机废气由燃烧器加热升温至设定的氧化温度800℃以上,使其中的VOCs分解成二氧化碳和水后排放。

③废气流经蓄热室A升温后进入氧化室氧化,净化后的高温气体离开氧化室,进入蓄热室B,释放热量,降温排出,而蓄热室B吸收大量热量后升温,同时清扫蓄热室C。循环完成后,进气与出气阀门进行一次切换,进入下一个循环,废气由蓄热室B进入,蓄热室C排出,清扫蓄热室A。如此交替。由于废气已在蓄热室内预热,燃料耗量大为减少,运行成本大大降低。

目前技术成熟、稳定,可实现自动化运行。单位投资大致为9-24万元/千(m3/h),回收的有机物成本700-3000元/t。热回收效率可达90-95%,处理效率可达95-99%。主要适用于有机化工、石油化工、涂装、印刷等行业及大风量低浓度行业。

(5)低浓度多组分工业废气生物净化技术

该技术利用高效复合功能菌剂与扩培技术,强化废气生物净化的反应过程,针对不同类型废气应用新型的生物净化工艺,强化废气生物净化的传质过程,装填具有高比表面积和生物固着力的生物填料,解决微生物附着难、系统运行不稳定的问题。

工艺流程以生物氧化为主、化学吸收为辅,主要通过生物处理去除废气中的绝大部分污染物,化学吸收单元则可在进气浓度发生异常时,为系统的稳定达标排放提供进一步保证。主体技术生物滴滤箱由滤床、营养液循环喷淋系统、参数控制系统等组成。废气进入生物箱体后,通过附着在填料上的微生物的代谢作用,废气中的污染物被降解为简单的无机物。其中,VOCs分解为CO2、H2O以及其他简单的无机物;含氮污染物中的氮元素转化为硝酸盐或氮气;含硫恶臭污染物中的硫元素转化为硫酸盐。

此项技术适用范围广,适用于低浓度多组分工业废气排放控制,与传统生物技术相比,拓宽了生物处理法的应用范围。运行管理方便,二次污染少。工程主体设备投资约为250万元,年运行费用约35万元。VOCs的去除率可达80-90%,对H2S的去除率可达95%以上。主要用于低浓度多组分工业废气的处理。

以下再以软包装企业的回收法和燃烧VOCs末端治理图示参考

 

划重点:

VOCs治理组合方案会有很多可以选择,不同企业的规模、生产手段、产品及企业自身条件存在诸多不同,企业还需要结合自身实际情况和特点跟专业的VOCs治理企业沟通,选择适合本企业实际情况的治理方案。

 

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