VOC廢氣處理技術(shù)

VOC(Volatile Organic Compounds)，中文全稱揮發(fā)性有機(jī)化合物。在現(xiàn)代化工業(yè)中，通常將其作為一種溶劑，使用過程中便會(huì)揮發(fā)排放到大氣中。在石油化工、印刷、人造皮革、電子行業(yè)、涂料和醫(yī)藥等行業(yè)應(yīng)用比較廣泛。普通意義上的VOC就是指揮發(fā)性有機(jī)物；但是環(huán)保意義上的定義是指活潑的一類揮發(fā)性有機(jī)物，即會(huì)產(chǎn)生危害的那一類揮發(fā)性有機(jī)物。目前VOC廢氣處理技術(shù)主要包括熱破壞法、變壓吸附分離與凈化技術(shù)、吸附法和氧化處理方法等。
一、熱破壞法
    熱破壞法是指直接和輔助燃燒有機(jī)氣體，也就是VOC，或利用合適的催化劑加快VOC的化學(xué)反應(yīng)，zui終達(dá)到降低有機(jī)物濃度，使其不再具有危害性的一種處理方法。
熱破壞是目前應(yīng)用比較廣泛也是研究較多的有機(jī)廢氣處理方法，特別是對(duì)低濃度有機(jī)廢氣處理效果比較好。有機(jī)化合物的熱破壞可分為直接火焰燃燒和催化燃燒。直接火焰燃燒是一種有機(jī)物在氣流中直接燃燒和輔助燃料燃燒的方法。多數(shù)情況下，有機(jī)物濃度較低，不足以在沒有輔助燃料時(shí)燃燒。直接火焰燃燒在適當(dāng)溫度和保留時(shí)間條件下，可以達(dá)到99%的熱處理效率。
    催化燃燒是有機(jī)物在氣流中被加熱，在催化床層作用下，加快有機(jī)物化學(xué)反應(yīng)(或破壞效率的方法)，催化劑的存在使有機(jī)物在熱破壞時(shí)比直接燃燒法需要更少的保留時(shí)間和更低的溫度，是高濃度、小流量有機(jī)廢氣凈化的技術(shù)。催化劑在催化燃燒系統(tǒng)中起著重要作用。用于有機(jī)廢氣凈化的催化劑主要是金屬和金屬鹽，金屬包括貴金屬和非貴金屬。目前使用的金屬催化劑主要是Pt、Pd，技術(shù)成熟，而且催化活性高，但價(jià)格比較昂貴而且在處理鹵素有機(jī)物，含N、S、P等元素時(shí)，有機(jī)物易發(fā)生氧化等作用使催化劑失活。非金屬催化劑有過渡族元素鈷、稀土等。近年來催化劑的研制無論是國內(nèi)還是國外進(jìn)行得較多，而且多集中于非貴金屬催化劑并取能得了很多成果。例如V₂O₅ + MOX(M：過渡族金屬) + 貴金屬制成的催化劑用于治理甲硫醇廢氣，Pt + Pd + Cu催人劑用于治理含氮有機(jī)醇廢氣。
    由于有機(jī)廢氣中常出現(xiàn)雜質(zhì)，很容易引起催化劑中毒，導(dǎo)致催化劑中毒的毒物(抑制劑主要有磷、鉛、鉍砷、錫、汞、亞鐵離子鋅、鹵素等。催化劑載體起到節(jié)省催化劑，增大催化劑有效面積，使催化劑具有一定機(jī)械強(qiáng)度，減少燒結(jié)，提高催化活性和穩(wěn)定性的作用。能作為載體的材料主要有Al₂O₃鐵釩、石棉、陶土、活性炭、金屬等，zui常用的是陶瓷載體一般制成網(wǎng)狀、球狀、柱狀、峰窩狀。另外近年來研究較多且成功的有絲光沸石等。對(duì)催化燃燒而言，今后研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn)仍將是探索高活性的催化劑及其載體，催化氧化機(jī)理。
二、吸附法
    有機(jī)廢氣中的吸附法主要適用于低濃度、高通量有機(jī)廢氣?，F(xiàn)階段，這種有機(jī)廢氣的處理方法已經(jīng)相當(dāng)成熟，能量消耗比較小，但是處理效率卻非常高，而且可以*凈化有害有機(jī)廢氣。實(shí)踐證明，這種處理方法值得推廣應(yīng)用。
    但是這種方法也存在一定缺陷，它需要的設(shè)備體積比較龐大，而且工藝流程比較復(fù)雜；如果廢氣中有大量雜質(zhì)，則容易導(dǎo)致工作人員中毒。所以，使用此方法處理廢氣的關(guān)鍵在于吸附劑。當(dāng)前，采用吸附法處理有機(jī)廢氣，多使用活性炭，主要是因?yàn)榛钚蕴考?xì)孔結(jié)構(gòu)比較好，吸附性比較強(qiáng)。
    此外，經(jīng)過氧化鐵或臭氧處理，活性炭的吸附性能將會(huì)更好，有機(jī)廢氣的處理將會(huì)更加安全和有效。
三、生物處理法
    從處理的基本原理上講，采用生物處理方法處理有機(jī)廢氣，是使用微生物的生理過程把有機(jī)廢氣中的有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化為簡單的無機(jī)物，比如CO₂、H₂O和其它簡單無機(jī)物等。這是一種無害的有機(jī)廢氣處理方式。
一般情況下，一個(gè)完整的生物處理有機(jī)廢氣過程包括3個(gè)基本步驟：
1、有機(jī)廢氣中的有機(jī)污染物先與水接觸，在水中可以迅速溶解；
2、在液膜中溶解的有機(jī)物，在液態(tài)濃度低的情況下，可以逐步擴(kuò)散到生物膜中，進(jìn)而被附著在生物膜上的微生物吸收；
3、被微生物吸收的有機(jī)廢氣，在其自身生理代謝過程中，將會(huì)被降解，zui終轉(zhuǎn)化為對(duì)環(huán)境沒有損害的化合物質(zhì)。
四、變壓吸附分離與凈化技術(shù)
    變壓吸附分離與凈化技術(shù)是利用氣體組分可吸附在固體材料上的特性，在有機(jī)廢氣與分離凈化裝置中，氣體的壓力會(huì)出現(xiàn)一定的變化，通過這種壓力變化來處理有機(jī)廢氣。
    PSA技術(shù)主要應(yīng)用的是物理法，通過物理法來實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢氣的凈化，使用材料主要是沸石分子篩。沸石分子篩，在吸附選擇性和吸附量兩方面有一定優(yōu)勢(shì)。在一定溫度和壓力下，這種沸石分子篩可以吸附有機(jī)廢氣中的有機(jī)成分，然后把剩余氣體輸送到下個(gè)環(huán)節(jié)中。在吸附有機(jī)廢氣后，通過一定工序?qū)⑵滢D(zhuǎn)化，保持并提高吸附劑的再生能力，進(jìn)而可讓吸附劑再次投入使用，然后重復(fù)上步驟工序，循環(huán)反復(fù)，直到有機(jī)廢氣得到凈化。
    近年來，該技術(shù)開始在工業(yè)中應(yīng)用，對(duì)于氣體分離有良好效果。該技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)有：能源消耗少、成本比較低、工序操作自動(dòng)化及分離凈化后混合物純度比較高、環(huán)境污染小等。使用該技術(shù)對(duì)于回收和處理有一定價(jià)值的氣體效果良好，市場發(fā)展前景廣闊，成為未來有機(jī)廢氣處理技術(shù)的發(fā)展方向。
五、氧化法
    對(duì)于有毒、有害，而且不需要回收的VOC，熱氧化法是的處理技術(shù)和方法。氧化法的基本原理：VOC與O₂發(fā)生氧化反應(yīng)，生成CO₂和H₂O，化學(xué)方程式如下：
aC_xH_yO_z + bO₂ ——> cCO₂ + dH₂O
    從化學(xué)反應(yīng)方程式上看，該氧化反應(yīng)和化學(xué)上的燃燒過程相類似，但其由于VOC濃度比較低，在化學(xué)反應(yīng)中不會(huì)產(chǎn)生肉眼可見的火焰。一般情況下，氧化法通過兩種方法可確保氧化反應(yīng)的順利進(jìn)行：*種加熱。使含有VOC的有機(jī)廢氣達(dá)到反應(yīng)溫度；第二種使用催化劑。如果溫度比較低，則氧化反應(yīng)可在催化劑表面進(jìn)行。所以，有機(jī)廢氣處理的氧化法分為以下兩種方法：
    1、催化氧化法。現(xiàn)階段，催化氧化法使用的催化劑有兩種，即貴金屬催化劑和非貴金屬催化劑。貴金屬催化劑主要包括Pt、Pd等，它們以細(xì)顆粒形式依附在催化劑載體上，而催化劑載體通常是金屬或陶瓷蜂窩，或散裝填料；非貴金屬催化劑主要是由過渡元素金屬氧化物，比如MnO₂，與粘合劑經(jīng)過一定比例混合，然后制成的催化劑。為有效防止催化劑中毒后喪失催化活性，在處理前必須*清除可使催化劑中毒的物質(zhì)，比如Pb、Zn和Hg等。如果有機(jī)廢氣中的催化劑毒物、遮蓋質(zhì)無法清除，則不可使用這種催化氧化法處理VOC。
    2、熱氧化法。熱氧化法當(dāng)前分為三種：熱力燃燒式、間壁式、蓄熱式。三種方法的主要區(qū)別在于熱量回收方式。這三種方法均能催化法結(jié)合，降低化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)溫度。
    熱力燃燒式熱氧化器，一般情況下是指氣體焚燒爐。這種氣體焚燒爐由助燃劑、混合區(qū)和燃燒室三部分組成。其中，助燃劑，比如天然氣、石油等，是輔助燃料，在燃燒過程中，焚燒爐內(nèi)產(chǎn)生的熱混合區(qū)可對(duì)VOC廢氣預(yù)熱，預(yù)熱后便可為有機(jī)廢氣的處理提供足夠空間、時(shí)間，zui終實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢氣的無害化處理。
    在供氧充足條件下，氧化反應(yīng)的反應(yīng)程度——VOC去除率——主要取決于“三T條件”：反應(yīng)溫度(Temperat)、時(shí)間(Time)、湍流混合情況(Turbulence)。這“三T條件”是相互的，在一定范圍內(nèi)，一個(gè)條件的改善可使另外兩個(gè)條件降低。熱力燃燒式熱氧化器的缺點(diǎn)在于：輔助燃料價(jià)格高，導(dǎo)致裝置操作費(fèi)用比較高。
    間壁式熱氧化器指的是在熱氧化裝置中，加入間壁式熱交換器，進(jìn)而把燃燒室排出氣體的熱量傳送給氧化裝置進(jìn)口處溫度比較低的氣體，預(yù)熱完成后便可促成氧化反應(yīng)?，F(xiàn)階段，間壁式熱交換器的熱回收率zui高可達(dá)85%，因此大幅降低了輔助燃料的消耗。一般情況下，間壁式熱交換器有三種形式：管式、殼式和板式。由于熱氧化溫度必須控制在800℃～1000℃范圍內(nèi)，因此，間壁式熱交換必須由不銹鋼或合金材料制成。所以間壁式熱交換器的造價(jià)相當(dāng)高，而這也是其缺點(diǎn)所在。此外，材料的熱應(yīng)力也很難消除，這是間壁式熱交換的另外一個(gè)缺點(diǎn)。
    蓄熱式熱氧化器，簡稱為RTO，在熱氧化裝置中計(jì)入蓄熱式熱交換器，在完成VOC預(yù)熱后便可進(jìn)行氧化反應(yīng)?，F(xiàn)階段，蓄熱式熱氧化器的熱回收率已經(jīng)達(dá)到了95%，且其占用空間比較小，輔助燃料的消耗也比較少。由于當(dāng)前的蓄熱材料可使用陶瓷填料，其可處理腐蝕性或含有顆粒物的VOC氣體。
    現(xiàn)階段，RTO裝置分為旋轉(zhuǎn)式和閥門切換式兩種，其中，閥門切換式是zui常見的一種，由2個(gè)或多個(gè)陶瓷填充床組成，通過切換閥門來達(dá)到改變氣流方向的目的。
六、液體吸收法
    液體吸收法指的是通過吸收劑與有機(jī)廢氣接觸，把有機(jī)廢氣中的有害分子轉(zhuǎn)移到吸收劑中，從而實(shí)現(xiàn)分離有機(jī)廢氣的目的。這種處理方法是一種典型的物理化學(xué)作用過程。有機(jī)廢氣轉(zhuǎn)移到吸收劑中后，采用解析方法把吸收劑中有害分子去除掉，然后回收，實(shí)現(xiàn)吸收劑的重復(fù)使用和利用。
    從作用原理的角度劃分，此方法可分為化學(xué)方法和物理方法。物理方法是指利用物質(zhì)之間相溶的原理，把水看作吸收劑，把有機(jī)廢氣中的有害分子去除掉，但是對(duì)于不溶于水的廢氣，比如苯，則只能通過化學(xué)方法清除，也就是通過有機(jī)廢氣與溶劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，然后予以去除。
七、冷凝回收法
    在不同溫度下，有機(jī)物質(zhì)的飽和度不同，冷凝回收法便是利用有機(jī)物這一特點(diǎn)來發(fā)揮作用，通過降低或提高系統(tǒng)壓力，把處于蒸汽環(huán)境中的有機(jī)物質(zhì)通過冷凝方式提取出來。冷凝提取后，有機(jī)廢氣便可得到比較高的凈化。其缺點(diǎn)是操作難度比較大，在常溫下也不容易用冷卻水來完成，需要給冷凝水降溫，所以需要較多費(fèi)用。這種處理方法主要適用于濃度高且溫度比較低的有機(jī)廢氣處理。
八、超氧納米微氣泡法
    超氧納米微氣泡是指3-8微米以下超微細(xì)氣泡的氣泡(Superoxide nanometer micro bubble)，也稱“超微細(xì)真空氣泡”，是納米級(jí)的水氣泡，它使水分子的原子團(tuán)變的更小、超微細(xì)氣泡中的氧更容易溶入原子團(tuán)的間隙中，同時(shí)氧分子打破了水的界面使超微細(xì)氣泡更容易溶入水中；水分子團(tuán)始終進(jìn)行著“布朗運(yùn)動(dòng)”，不斷地進(jìn)行不規(guī)則沖撞。
    在“布朗運(yùn)動(dòng)”的同時(shí)，超微細(xì)氣泡也沉降、破裂；超微細(xì)氣泡的會(huì)合期(超微細(xì)氣泡的壽命)zui長可為24天左右。在大量超微細(xì)氣泡在與異味氣體結(jié)合時(shí)破裂，瞬間產(chǎn)生巨大能量(約3微秒時(shí)間)，破裂時(shí)產(chǎn)生一定能量的超聲波(水能量波)、并產(chǎn)生大量的氧負(fù)離子。這種超微細(xì)真空氣泡能起到捕捉并分解VOC及異味分子。
超氧納米微氣泡法的優(yōu)點(diǎn)：
1、運(yùn)行中所使用載體只有水、而且是一般水體，不許經(jīng)過任何處理的。
2、電能消耗特別低，只有低功率的電機(jī)耗能及排風(fēng)設(shè)備。    
3、調(diào)整特殊的氣霧捕捉裝置，可從低濃度到高濃度的有機(jī)廢氣處理率達(dá)90%以上的凈化率。
4、處理有機(jī)廢氣的水體可循環(huán)再使用。
5、對(duì)于噴涂廢氣后的廢漆料可100%礦化處理，沒有二次污染(UV漆除外)。
6、占地面積極小。
7、運(yùn)行成本及維護(hù)費(fèi)用非常低廉。
8、設(shè)備可重新拆解組合，部件使用率可達(dá)95%以上。
9、 維護(hù)費(fèi)用低廉。
缺點(diǎn)：
1、造價(jià)偏高、屬中等偏上價(jià)位。
2、技術(shù)含量高，非一般設(shè)備商可操作的。需要技師調(diào)試。
3、對(duì)于處理過的廢氣因水氣含量高，所以檢測(cè)方法是必須將排氣中水分充分去除后才能得到正確的數(shù)值。