VOCs的排放治理及建议_郑志强.pdf

山东化工收稿日期:20220801作者简介:郑志强，硕士研究生，工程师，主要研究方向为金属材料的腐蚀与防护。VOCs 的排放治理及建议郑志强，董猛(东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川 自贡643000)摘要:挥发性有机化合物是主要大气污染物之一，其大量排放会造成空气污染并引发人体疾病。目前，对于挥发性有机化合物的排放治理已得到日益广泛的关注，并研究出多种回收治理方法如催化燃烧、生物过滤、吸附、膜分离等。首先对比分析了国内外挥发性有机化合物的排放来源及政策法规，综述了挥发性有机化合物主要治理技术，最后对其排放治理提出建议措施。关键词:挥发性有机化合物;排放;治理技术中图分类号:X701文献标识码:A文章编号:1008021X(2023)03023003Emission，Controlling and Suggestion of VOCsZheng Zhiqiang，Dong Meng(DEC Dongfang Boiler Group Co，Ltd，Zigong643000，China)Abstract:As one of the main air pollutants，the emission of volatile organic compounds will cause air pollution and humandiseaseseducing the emission and strengthening the treatment of volatile organic compounds have attracted more and moreattentionThe emission sources of volatile organic compounds at home and abroad and policies is compared in this paper，includingcatalytic oxidation，biofiltration，absorption，membrane separation and so onThe emission sources and policies of volatile organiccompounds at home and abroad are compared and the main treatment technology of volatile organic compounds is summarizedFinally，suggestions of emission treatment in combination with the actual situation are madeKey words:volatile organic compounds;emission;treatment technology随着社会、经济和工业的快速发展，全球每年生产和使用的挥发性有机化合物(VOCs)达数百种，仅中国每年 VOCs 的排放量已超过3 000 万 t。世界卫生组织将 VOCs 定义为在标准状态下饱和蒸汽压超过 1333 Pa、沸点在 50260、常温下易挥发的一类有机物1。VOCs 作为大气主要污染物之一，会造成臭氧污染并促进 PM25的形成，因此大量排放 VOCs 带来的环境及健康问题日益凸显2。面对较为严峻的大气污染态势，中国政府于 20132020 年相继颁布实施了 中国大气污染防治办法 及 挥发性有机物治理攻坚方案 等文件，同时加强了监测、执法、人员、资金保障等重点向 VOCs 治理倾斜，致力于提高对 VOCs 的源头、过程、末端的全流程管控，遏制 VOCs 的排放，以协调经济发展与环境保护之间的关系。加强 VOCs 的排放治理对于我国建设生态文明强国具有重要意义，因此本文对国内外 VOCs 的排放及治理情况进行梳理，对比分析了 VOCs 主要治理技术，探讨了国内应对 VOCs 排放治理问题的策略，为今后实现对 VOCs 的有效治理提供参考和借鉴。1VOCs 排放现状分析中国工业 VOCs 排放来源统计如图 1 所示，可以看出，与能源、化工、涂层等工业活动相关的 VOCs 排放占据排放总量的80%以上3。以油漆行业为例，VOCs 大量用于制造各种类型的油漆和稀释剂，以满足家具、汽车、船舶各类产品的装饰、防腐等需求。我国油漆、溶剂的使用是 VOCs 的主要排放来源之一，占据工业 VOCs 排放的 18%，仅次于能源和化工行业45。在 20002015 年期间，工业排放和溶剂使用正是推动挥发性有机物总排放量增加的两个主要因素。目前，中国正在加快推动生产工艺进步，如在喷涂行业以水性油漆取代油性油漆，降低挥发性溶剂的使用，力争从源头实现 VOCs 排放最小化6。图 1中国工业 VOCs 排放来源我国 VOCs 排放不仅来源形式多样、排放规模大，且呈现明显的地域分布差异特征7。中国生态环境部调研结果表明，随着中国城市化进程快速推进和工业活动的不断扩大，在大城市群和工业综合体附近，大气环境中挥发性有机物的浓度较高8。此外，由于 VOCs 是形成臭氧的重要因素，在京津冀及周边地区、长三角地区、汾渭平原等区域的臭氧超标天数显著高于全国其他地区，表明重点区域城市仍需加强对 VOCs 的排放治理9。2VOCs 的危害VOCs 对人体健康和生态环境均具有危害作用。人体主要通过呼吸方式吸收 VOCs，而 VOCs 通过肺部呼吸进入人体会危害呼吸系统。此外，芳香族化合物在低浓度(02 mg/m3)下也会产生恶臭并具有毒性，导致呼吸系统、皮肤黏膜以及神经和血液系统受损，还有可能会引起基因突变并诱发白血病、癌症等疾病。对环境影响方面，VOCs 作为臭氧、光化学污染物和二次有机气溶胶的重要前体物，能够在大气中形成臭氧、光化学032SHANDONG CHEMICAL INDUSTY2023 年第 52 卷DOI:10.19319/ki.issn.1008-021x.2023.03.026第 3 期烟雾和微颗粒等污染物，对生态环境及人类健康造成严重危害。从生产行业角度来看，乙烯、丙烯等 VOCs 广泛应用于石化行业，虽然这些化合物对人体的毒性危害较小，但当其浓度达到一定量时，存在易燃易爆风险。在涂装行业中通常由油漆工在喷漆室内手动使用喷涂设备进行表面涂层施工，然而长时间暴露于高浓度的 VOCs 中对作业人员的身体健康会产生较高风险。因此，需要制定严格的环境法规制度限制 VOCs 的排放，以降低其对于环境和人体健康的影响。3国内外 VOCs 治理分析世界范围内的多数国家已制定法律法规对 VOCs 的排放进行限制，其中美国、日本等发达国家的要求最为严格，在法律法规、制度标准的建立及完善等方面已走在前面。美国于 1990 年通过 清洁空气法修正案 并制定了环境空气质量标准，将VOCs 按照排放来源细分为工艺排气、设备泄露、储罐、装载操作以及废水挥发五类，并规定了相应的排放控制要求10。日本对于 VOCs 的治理起步于 2004 年，按照排放规模确定主要的VOCs 排放来源并实行强制管制，涉及喷涂、粘结、印刷、化学品、有机溶剂六类，对每个排放源设置相应的排放限值，以此加强对 VOCs 的排放管控。为严格限制 VOCs 的排放，中国不断建立各种法律法规及行业标准制度，于 20132017 年颁布实施了 大气污染防治办法。自此中国空气污染物浓度显著下降，但在中国东部大城市群区域如京津冀、长三角、苏皖鲁豫交界等地区，由 VOCs 排放引发的臭氧污染等环境问题依然突出。随着 VOCs 污染态势持续，2018 年国务院颁布保护蓝天三年行动计划，将 VOCs的排放治理列为明确目标，指出到 2020 年全国 VOCs 的排放量要降低 10%以上。2020 年，生态环境部颁布 2020 年挥发性有机物治理攻坚方案，将 VOCs 的治理作为重要任务。在地区治理方面，山东省于 2020 年实施 山东省生态环境行政处罚量裁基准，为大气污染物的精细化管控及环境违法成本的准确量裁提供依据，有效威慑污染大气的违法行为。京津冀三地联合发布 建筑类涂料与胶粘剂挥发性有机物含量限值标准，从源头减排实现降低 VOCs 的无组织排放。此外，我国还出台了 挥发性有机物无组织排放控制标准，为重点区域、重点行业的 VOCs 排放设置明确标准，加强对 VOCs 的排放监管。4典型 VOCs 治理技术目前，对 VOCs 的治理所采取的技术措施包括 VOCs 破坏和 VOCs 回收两类。VOCs 破坏技术如燃烧、生物过滤、光催化等，通过化学反应将 VOCs 转化为二氧化碳和水。VOCs 回收技术包括冷凝、吸附、膜分离等，可以实现对 VOCs 的吸收、分离和回收。不同治理方法的技术特征及优缺点对比如表 1 所示。表 1不同 VOCs 处理技术对比处理技术温度/浓度/106效率/%成本优点缺点文献破坏型燃烧/催化燃烧300820201 0009098高操作简单，处理效率高燃烧产生二次污染，催化剂中毒，不可重复使用 11光催化氧化90500100高处理速度快，能耗低处理浓度低，产生二次污染 12生物过滤505 0006095低操作简单、成本低、安全性高反应速度慢，设备体积大，压力波动范围大 13等离子体催化805007481高操作简单、能耗低，应用范围广处理浓度低，不完全 14回收型吸收较低50015 0009098低回收工艺简单吸收能力有限 15吸附06070010 0008097合理效益高，操作简单，能耗低吸附能力有限，热稳定性差，孔隙易堵塞 15冷凝7005 0007085高能回收高浓度 VOCs投资高，运行成本高 16膜分离0452 00050 0009095高处理效率高运行成本高 1741燃烧/催化燃烧燃烧作为快速放热的氧化过程，能够破坏排放废气中的有机物质，使其转化成无害的二氧化碳和水。传统使用的燃烧处理具有效率高、处理量大的优点，并且燃烧产生的热量可回收利用，已在化工、涂装等行业得到广泛应用。然而，燃烧处理温度较高，易使空气中的氮气氧化生成氮氧化物从而导致二次污染18。催化燃烧技术通过催化剂降低反应的活化能，能够在燃烧处理的基础上显著降低反应温度，从而避免二次污染物的产生。通常贵金属催化剂如金、铂、钯等对 VOCs 的处理效果更好，但其价格高昂、易中毒失效。因此，降低二次污染、控制能耗和成本、提升净化效果及安全性等仍是燃烧/催化燃烧技术的研究重点。42生物过滤生物过滤技术是指通过利用微生物的代谢活动将 VOCs 氧化降解为无害物质的过程，能够实现高效、环保处理 VOCs。生物过滤的反应过程包括 VOCs 气体经预湿处理后与生物膜接触进而被吸收，随后降解生成水、二氧化碳及微生物基质，此过程中微生物可获得能量以维持自身生命活动19。生物过滤技术由于可以从 VOCs 浓度相对较低的高流量废气中去除 VOCs，如处理受污染的河流、废水等而广受欢迎。此外，使用生物处理系统取代传统的焚烧设备去除挥发性有机化合物，不仅能够减少 60%80%的有害气体排放，其运行成本也大幅降低20。与传统方法相比，生物过滤方法具有成本低、有机废物生成量少等优点而广受欢迎，但该技术存在生物污染现象和微生物对污染物含量变化的适应性差等问题，因而具有一定的局限性。43吸附吸附处理 VOCs 通常采用活性炭作为吸附剂，通过活性炭的多孔结构吸附废气中的 VOCs，废气经净化后直接排入大气，在涂装、印刷、粘接剂等工业生产中得到广泛应用。活性炭饱和后，可通入水蒸气对其进行加热，VOCs 得以释放并与水蒸汽形成混合物，随后对蒸汽混合物进行冷凝，即可实现回收 VOCs。活性炭吸附技术具有投资费用少、工艺简便、运行成本低等优点，然而活性炭在使用期间吸附容量会不断降低，因此需要对其132郑志强，等:VOCs 的排放治理及建议山东化工进行定期全部更换。44吸附光催化降解目前已经研究出的 VOCs 减排治理方法通常存在技术单一、能耗高、环境不友好、去除效