揮發性有機化合物(vocs)是包裝印刷、表面涂裝、石油化工、有機化工等需要化學反應或使用有機溶劑的行業在生產過程中排放的污染物。根據世界衛生組織(who)的定義,vocs為熔點低于室溫而沸點在50~260℃之間的揮發性有機化合物的總稱。vocs的主要成分為烷烴、烯炔烴、芳香烴、羰基化合物、鹵代烴等,特點是沸點較低、分子量小、常溫下易揮發,vocs多具有刺激性氣味和毒性,且易燃易爆。由于vocs的危險性與危害性,我國針對各行業制定了廢氣排放要求。隨著我國環保意識的提升和工業升級的需要,廢氣排放的要求越來越嚴格,對于vocs處理的需求增長迅速。
vocs處理技術從基礎原理上可以分為回收法和分解法兩大類:
回收法是通過吸附、吸收、冷凝和膜分離等方法對vocs進行處理。吸附法是通過活性炭、沸石分子篩等具有多孔結構的物質對vocs進行物理吸附和捕捉,然后通過升溫、減壓、提高濕度等方法對吸附的vocs進行解吸。吸收法分為物理吸收和化學吸收,物理吸收是根據有機物相似相溶的原理,選用弱極性、高沸點、低揮發、化學性質穩定的有機溶劑對vocs進行吸收,再通過vocs與有機溶劑物理性質的差異進行分離;化學吸收是通過酸洗、堿洗等方法酸堿與vocs反應進行吸收。冷凝法是利用有機物在不同溫度下飽和蒸汽壓不同,通過冷凝器降溫或升壓,使vocs冷凝后從氣相中分離。膜分離法是選擇對vocs具有選擇性滲透的高分子膜,通過膜兩側的壓力差,使vocs透過膜被收集。
分解法分為燃燒法和非燃燒法。燃燒法又稱為熱氧化法,主要分為直接熱氧化、催化熱氧化和蓄熱熱氧化,vocs大多數是由碳、氫、氧等元素構成的有機化合物,燃燒法是在300~900℃的高溫下,使vocs燃燒分解為二氧化碳和水。非燃燒法包括生物處理法、光催化法和低溫等離子法等。生物處理法是將vocs氣體通過微生物填充層,由微生物將vocs轉化為無害的無機物。光催化法是通過光催化劑吸收光子,與表面的水反應產生羥基自由基和活性氧物質,羥基自由基具有120kj·mol-1的反應能,高于有機物中的各類化學鍵能,例如c-c鍵83kj·mol-1、c-h鍵99kj·mol-1、c-n鍵73kj·mol-1、c-o鍵84kj·mol-1、h-o鍵111kj·mol-1、n-h鍵93kj·mol-1,因而能迅速有效地將vocs分解為二氧化碳和水。低溫等離子法是在外加電場作用下,通過介質放電產生超高能電子對vocs進行輻射和電離,使vocs氧化降解為二氧化碳和水。
vocs處理技術中,吸附法、冷凝法和膜分離法適用于有回收價值的高濃度vocs的處理,投資高,維護成本和耗材費用均較高;吸收法可選溶劑種類較少,費用高,處理量小,易造成二次污染;生物處理法設備體積大,處理效率較低;光催化法光能利用率低,對透光度要求高,處理效率受制于紫外線波長和催化劑性質,且易產生二次污染;低溫等離子法易產生氮氧化物及其他二次生成物。以上處理技術,由于自身技術特點只能應用于特定vocs處理工況,適用范圍均較窄。
燃燒法處理技術具有處理量大、效率高、節能環保、易維護和適用于各種vocs的優點,是目前化工、涂裝、印刷包裝等行業中常用的vocs處理方法。
直接熱氧化處理技術是將vocs作為燃料直接燃燒的處理方法,適用于vocs濃度和熱值均較高的廢氣。當廢氣中vocs濃度較低不滿足直接熱氧化條件時,可以設置轉輪濃縮等vocs濃縮裝置,將廢氣濃縮后再進行處理,并適當補充燃料氣。
催化熱氧化處理技術是一種氣-固相催化反應,催化劑的作用是降低反應的活化能,顯著降低反應溫度,并使反應物富集到催化劑表面提高反應速率。與直接熱氧化相比,催化熱氧化反應溫度低,能耗低,可以有效降低甚至消除nox生成。
蓄熱熱氧化處理技術是通過蓄熱陶瓷或其他高密度惰性材料床層從處理后氣體中吸收并儲存熱量,再將熱量釋放給入口的低溫廢氣,而不是采用管殼式換熱器,蓄熱陶瓷使用壽命較長,可達10a以上。常用的蓄熱熱氧化處理技術有三室蓄熱式熱氧化爐工藝和旋轉蓄熱式熱氧化爐工藝,都是通過切換蓄熱室來實現蓄熱陶瓷的吸熱和放熱。
綜上所述,vocs燃燒法處理技術主要分為直接熱氧化、催化熱氧化和蓄熱熱氧化。直接熱氧化處理技術工作溫度高,對設備材料和結構要求高,有部分nox生成,熱回收率較低,設備操作和維護方便,適用于中小規模、較高濃度的vocs處理;催化熱氧化處理技術工作溫度低,能耗低,可以有效降低甚至消除nox生成,熱回收率較低,需要定期更換催化劑,適用于中小規模的vocs處理;蓄熱熱氧化處理技術工作溫度高,廢氣處理量大,處理效率和熱回收率均較高,能耗,蓄熱陶瓷壽命長,設備易維護,適用于中大規模的vocs處理。
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