VOC废气处理方法及其优缺点

在工业生产过程中,会产生大量对大气环境有害的挥发性有机化合物。 VOC是指常温下饱和蒸气压大于70Pa,常压下沸点小于260℃的有机化合物,包括烃类、氧化烃类、卤代烃类、氮烃类和硫烃类。 VOCs来源广泛,分布广泛,处理难度大。一般来说,根据废气处理的方法,有机废气处理主要有两种方法:一种是回收法,另一种是消除法。 回收方法主要有活性炭吸附、变压吸附、冷凝和膜分离技术。回收法通过物理方法分离VOC,如温度、压力、选择性吸附剂和选择性渗透膜。 消除方法包括热氧化法、催化燃烧法、生物氧化法和集成技术;消除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 活性炭吸附是目前广泛应用的回收技术。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。 含有VOC的有机废气通过活性炭床,在活性炭床中,VOC被吸附剂吸附,废气被净化后排入大气。 当活性炭吸附达到饱和时,饱和活性炭床脱附再生;通入水蒸气加热炭层,VOC被吹脱释放,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,使蒸汽冷凝成液体。 如果VOC是水溶性的,液体混合物通过精馏提纯;如果它是不溶于水的,挥发性有机化合物可以通过沉淀器直接回收。 因为涂料中使用的“三苯基”与水不相溶,可以直接回收利用。 活性炭吸附技术主要用于废气成分比较简单,有机物回收价值高的情况。其废气处理设备的大小和成本与气体中VOC的量成比例,但相对独立于废气流速。所以活性炭吸附床更倾向于低浓度气氛,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 冷凝法是一种简单的回收技术。它将废气冷却,使其温度低于有机物的露点温度,使有机物凝结成液滴,与废气分离,直接回收。 然而,在这种情况下,离开冷凝器的废气仍然含有相当高浓度的VOC,这不能满足环境排放标准。 为了获得高回收率,系统需要高压和低温,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,适用浓度范围为5%(体积) (3)膜分离技术 膜分离系统是一种新型高效的分离技术,工艺简单,回收率高,能耗低,无二次污染。 膜分离技术的基础是利用高分子膜对有机物的选择性透过性,对有机蒸气的透过性是空气体的10-100倍,从而实现有机物的分离。 简单的膜分离是单膜分离系统,直接让压缩气体通过膜表面实现VOC分离。但单膜分离由于分离度低,难以满足分离要求,而多膜分离系统会大大增加设备投资。 (4)变压吸附技术 该技术利用吸附剂在一定压力下吸附有机物。 当吸附剂饱和时,吸附剂被再生。 再生不使用蒸汽,而是通过压力变换解吸有机物。 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。 但该技术运行成本较高,吸附需要加压,解吸需要减压,在环保方面应用较少。 回收技术的适用范围 颗粒活性炭主要用于脂肪和芳烃、大部分含氯溶剂、常用醇类、部分酮类和酯类等的回收。 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、丙烯等反应性单体,但成本远高于颗粒活性炭吸附。 吸附法已广泛应用于回收油漆工业中的“三苯”和“乙酸乙酯”,以及制鞋工业中的“三苯”,印刷工业中的甲苯、乙酸乙酯,电子工业中的二氯甲烷和三氯乙烷。 活性炭吸附法要求废气中VOC不超过5000PPM,湿度不超过50%。浓度为5000PPM时,需要稀释后再吸附,不适合一些活性物质如酮、醛、酯等。这类VOC会与活性炭或活性炭表面发生反应,堵塞碳孔,使活性炭失活。 冷凝法对高沸点有机物效果好,对中高挥发性有机物效果不好。这种方法适用于5%的VOC浓度,回收率不高。 但废气中大部分含有水分,温度低于0℃就会结冰,降低系统的可靠性,所以很少单独使用。 膜分离法适用于处理密集物流。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 热氧化系统是火焰氧化剂,在燃烧消除有机物时,其工作温度高达700℃-1000℃。 这不可避免地导致高燃料成本,并且为了降低燃料成本,需要回收离开氧化器的废气中的热量。 热量回收有两种方式,传统的分区换热和新型的非稳态蓄热技术。 预热的废气通过火焰净化以达到氧化温度。墙间换热的缺点是热回收效率不高。 蓄热式热氧化(RTO)采用一种新的非稳态传热方式来回收热量。 主要原理是:有机废气和净化后的废气交替循环,多次改变流向可以有限程度地捕捉热量。储热系统提供高热量回收。 VOC的有机废气进入RTO系统,*先进入耐火蓄热床1(此床已被前一循环的净化气加热),废气从床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离开燃烧室进入另一个冷再生床层2,冷再生床层2从净化废气中吸收热量并储存(用于预热下一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。 这种循环不断吸收和释放热量,再生床作为热阱,不断改变进、出口的运行方式,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处理VOC的方法。它用铂、钯等贵金属催化剂和过渡金属氧化物催化剂代替火焰净化有机物。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。 类似于热氧化,该系统仍然可以分为两种类型的热回收方法:分区和再生。 隔墙催化燃烧是在催化床后设置一个换热器。换热器可以降低废气温度,预热含有VOC的有机废气,其热量回收可达60%-75%。 这种氧化剂在工业过程中已经使用了很长时间。 蓄热式催化燃烧(简称RCO)是一种新的催化技术。 它具有RTO的高效能量回收、催化反应的低温操作和高能效的特点。催化剂置于蓄热材料顶部,净化效果极佳,热回收率高达95%-98%。 RCO系统性能的关键是使用浸渍在马鞍或蜂窝陶瓷上的特殊催化剂、贵金属或过渡金属催化剂,允许在RTO系统一半的温度下发生氧化,不仅降低了燃料消耗,还降低了设备成本。 现在国内已经采用RCO技术消除有机废气,很多RTO设备都改用RCO,可以降低33%-75%的运行成本,增加20%-40%的废气流量。 (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,单独使用上述方法成本太高,不经济。 利用活性炭吸附处理低浓度和大气体积的优势,废气中的有机物先被活性炭捕获,再被小得多的热空气流解吸,可富集VOC 10-15倍,大大减少废气处理体积和后处理设备规模。 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性,消除VOC。 催化燃烧释放的热量可以通过间壁换热器预热到进入碳吸附床的解吸气体,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和常压,利用催化床处理中等气体和高浓度,从而形成一种非常有效的集成技术。 这项技术在中国也被用于低浓度有机废气行业的处理,如油漆、印刷和制鞋。 消除技术的应用范围 (1)热氧化 热氧化系统工作温度为700℃-1000℃,适用于2000-50000m3/h的流量和100-2000PPM的VOC浓度。 与蓄热式相比,隔墙式的优势在于利用简单的金属换热器来捕捉热量,只需几分钟就能达到所需的运行工况。*适合循环操作。 蓄热式热氧化具有非常高的氧化温度,可以处理难热分解的有机物。这个系统98%-99%的VOC消除率是很常见的。 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,特别是对于具有相对低的VOC含量的气体,其低于隔离壁的热氧化。 热氧化的缺点是:①高温燃烧产生NOx,也是危险排放,需要进一步处理;②缓慢的热反应;③如果卤化物不能得到满意的处理,需要增加一个后处理装置的洗涤塔来处理酸性气体;④进气浓度不能为25% LEL;;⑤设备投资成本高 (2)催化氧化 催化氧化是在比热氧化更低的温度下进行的,通常为250℃-500℃。其处理能力为2000-20000m3/h,适用于100-2000 PPM的VOC浓度,消除效率高达95%以上。 低操作温度结合隔墙热交换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,减小了设备尺寸;③随着燃料的减少,产生的CO减少,CO和VOC一起转化;④启动和冷却时间比热氧化系统短;⑤较低的工作温度消除了NOx的生成;⑥随着温度的降低,允许用标准材料代替昂贵的特殊材料,RCO系统的整体机械寿命会增加。 催化氧化也有一些缺点: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)不能回收的废催化剂应进行处理;④进气浓度不能为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、电子行业,消除率可达90%-95%。但对于低浓度废气,回收不经济,所以采用淘汰技术。 一体化技术的优点是以较低的成本处理低浓度、低大气量的废气,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的废气,从而降低设备成本和运行成本。 这种方法也有缺点。该技术不适用于废气中含有高活性和反应性VOC,相对湿度大于50%的情况。对于含有卤素化合物的废气,仍然需要后处理设备。 因此,以上各种方法都有各自的优缺点和适用对象。几种常用方法的优缺点总结比较如下 热燃烧对 的优缺点优点:①净化效率高;②可净化各种有机废气,无需预处理,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,热能可以回收利用。 缺点:①处理温度高,能耗大;②存在二次污染;③燃烧装置、燃烧室、热回收装置价格昂贵,维护困难;④大流量、低浓度废气处理能耗大,运行成本高。 RTO的优缺点 优点:①具有TO的所有优点,但需要对复杂的有机废气进行预处理;②能耗远低于TO,可处理大气量的低浓度废气。 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CO的优缺点 优点:①净化效率高,无二次污染;②能耗低,比同等条件下低50%左右,运行成本低。 缺点:①用电能预热时,低浓度废气无法处理;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各种燃烧方式的能耗,当废气浓度为1-1.5g/m3时,可以不消耗运行;③可处理各种有机废气。 缺点:①整体占地面积小,但维护困难;②分体式占地面积大;③高浓度(4g/m3)不宜采用整体式,否则催化床超温;④复杂废气需要预处理。 吸附法优缺点 优点:①可净化大流量低浓度废气;(2)可以从单一废气中回收溶剂;③运行成本低。 缺点:①吸附剂需要补充和再生;②温度高的废气应先冷却;③复杂废气需要预处理;④管理不便;⑤有二次污染;⑥安全性差 吸收法的优缺点 优点:①采用亲水性溶剂蒸汽作为吸附剂时,设备费用低,运行费用低,安全;②苯废气可被油、酯等吸收。,净化率高;适用于大流量低浓度废气。 缺点:①以水为吸附剂时,产生的废水需要处理;②吸收和解吸的复杂控制和管理。 (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,将会使用庞大的设备,消耗也很高。 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)蜂窝轮浓缩系统 该系统利用蜂窝轮对浓度低、风量大的废气中的有机溶剂进行连续吸附分离。 然后用小风量的热空气进行解吸,得到高浓度、小风量的有机溶剂气体。 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的吸附轮,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再生区,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再生区,被120-140℃的热空气加热解吸,随热空气排出。 因为解吸空气体积比吸附空气体积小得多,所以解吸气体中有机溶剂的浓度可以增加10-20倍。 解吸后,废气可以用吸收超过十分之一空气体积的装置进行处理。 该系统体积小,成本低。在国外已成为处理低浓度、大体积有机废气的主要方法,并得到广泛应用。 但其引进价格昂贵,在中国的市场经济中难以承受。 国内一些科研院所利用其提纯工艺,对主要设备进行改造,使之适合我国国情。 比如用几个装有蜂窝活性炭的固定吸附浓缩装置代替蜂窝轮浓缩装置,通过在几个固定床之间切换吸附和解吸过程来完成蜂窝轮的旋转。 由于这种方法没有转动部件,没有动密封问题,设备制造简单,维护方便,价格低廉,发挥了原工艺中集中的优点。 (2)液体吸收法 这种方法是将有机废气与液体吸收剂接触,使其中的有机溶剂被吸收剂吸收,然后解吸除去或回收有机溶剂,使吸收剂再生重复使用。 在该过程中,可以选择比吸附和催化燃烧装置的气体处理能力大几倍的塔式吸附设备,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,会和极性水分子相互排斥,所以很难溶解。然而,在有机溶剂中溶解度高的油类或芳香族萃取剂一般价格昂贵,并且其中一些有异味。 同时,由于液体吸收仍有许多问题有待解决,其应用受到限制。 (3)生物处理 生物除臭自20世纪40-50年代在德国和美国发展成功。 在日本,土壤除臭和活性污泥除臭的研究开始于1970年左右,各种装置已经开发出来并投入实际使用。 在这种方法中,有机溶剂被微生物分解。 因其低能耗、低运行成本而受到人们的关注。 其缺点是对各种有机溶剂的选择性,限制了其应用领域。 目前已应用于污水处理厂、饲料加工厂、垃圾场等地,对硫化氢、低分子醛类、乙醇、有机酸等部分物质进行除臭。 在处理彩膜乳剂涂布和干燥过程中产生的甲醇和乙酸乙酯方面也取得了良好的效果。 与其他方法相比,这种方法占用面积大,这是另一个缺点。 (3)光催化氧化技术(紫外光解技术) 气体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,进而产生臭氧。臭氧具有强氧化性,臭氧对有机废气和恶臭气体进行协同光氧化。 与活性炭吸附、催化燃烧等技术相比,光催化反应具有经济潜力。 无论采用哪种方法处理低浓度、大风量的有机废气,资金消耗都较高。 光催化技术处理效率高,效率可达95%以上,适应性强。可用于中低浓度和大气量的各种恶臭气体物质的除臭和净化。该产品性能稳定,运行稳定可靠,可24小时连续工作;运行成本低,设备能耗低,无需专人管理维护,只需定期检查。 适用于印刷厂、喷涂厂、印染厂、电子厂、塑料厂、油漆厂、家具厂、炼油厂、橡胶厂、化工厂、造纸厂、皮革厂、化纤厂、农药厂、制药厂、食品加工厂、香精香料厂、饲料厂、屠宰厂、污水处理厂、垃圾中转站等恶臭气体和工业废气的净化。

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