VOC的回收与处理技术简介

关键词：VOC废气；吸附；吸收；膜分离；回收；焚烧摘要：介绍了几种从VOC废气中回收溶剂的方法,并分析其优缺点和适用范围;对回收有困难或不经济的含VOC废气,建议采用焚烧法或催化燃烧法进行处理。

1. 概述

挥发性有机化合物简称VOC(VolatileOrganicCompounds),一般是作为溶剂使用后而散发到大气中的,它主要来自石油化工、涂料、医药、烤漆、电子元器件的脱脂、印刷、人造革、衣物干洗、胶片织物涂层、粘胶剂、农药、橡胶等行业。据美国EPA报道,1995年美国共排放VOC22900kt中国在1996年共使用溶剂2600kt,这些溶剂大部分被排放到大气中。

2. VOC的危害

根据化学物质的性质,通常用作溶剂的有脂肪族化合物、芳香族化合物、卤代烃、醇、醛、酮、醚、酯等。这些有机溶剂挥发到大气中,不仅会污染环境,还会危害人体健康。如苯是一种常用的溶剂,它既可以被皮肤所吸收也可以被人体吸入,造成急性和慢性中毒,但是大多数中毒都是由于吸入人体内而造成的。苯类化合物会损害人的神经,造成神经系统障碍,其被摄入人体后会危及血液和造血器官,严重时,有出血症状或感染败血症。苯在生物体内能逐步氧化成 ,诱发肝功能异常,阻止骨骼的生长,发生再生障碍性贫血。苯蒸气浓度高时(空气中含量2%)会导致致死性的急性中毒。所以,ACGIH将苯列为可疑潜在致癌物质。卤代烃类物质能引起神衰征候群及血小板减少、肝功能下降、肝脾肿大等病变,还可能导致癌症。CFC类物质对大气臭氧层有破坏作用。所有这些促使世界各国尤其是发达国家纷纷颁布法律对VOC的排放进行控制。

3. 回收及处理技术

VOC的回收技术主要有冷凝法、吸附法、吸收法和膜分离法;吸附法、吸收法和膜分离法是通过采用选择性吸附剂和吸收剂、选择性膜渗透来分离回收废气中的有机溶剂。处理技术主要有催化燃烧、直接燃烧等,它是通过化学反应,将气体中的有机物转变为CO2和水。

3.1 冷凝法

冷凝法是 简单的回收方法,它是将废气冷却到低于有机物的露点温度,使有机物冷凝成液滴而从气体中分离出来。通常使用的冷却介质主要有冷水、冷冻盐水和 。通常该技术仅用于VOC含量高(百分之几)、气体量较小的有机废气的回收处理。其回收率与有机物的沸点有关,沸点较高时,回收率高;沸点较低时,回收效果不好。由于大部分VOC系易燃、易爆气体,受到爆炸极限的限制,气体中的VOC含量不会太高,所以,要达到较高的回收率,需采用较很低温度的冷凝介质或采用高压措施,这些都势必会增加设备投资和提高处理成本,而且在通常的操作条件下,由于相平衡的制约,有机物蒸汽压较高,故离开冷凝器的排气中的VOC含量仍不能达到排放标准,因此,该技术一般是作为一级处理技术并与其它技术结合使用。

3.2 吸附法

吸附法早已用于VOC的回收处理,尤其是活性炭吸附法已经广泛应用于苯系物、卤代烃的吸附处理。吸附法去除VOC的原理是利用比表面积非常大的粒状活性炭、炭纤维、沸石等吸附剂的多孔结构,将VOC分子截留。当废气通过吸附床时,VOC就被吸附在孔内,使气体得到净化。

吸附法又分为固定床吸附法、流动床吸附法和浓缩轮吸附法。

3.2.1 固定床吸附法

固定床吸附法的特点是吸附与脱附在同一个床层上实现,为了保证吸附过程的连续性,需要2台或2台以上的吸附器同时工作,其中一些吸附器进行吸附时,另一些进行再生。活性炭是应用 为广泛的固定床吸附剂,由于其容易吸附水,所以不适用于温度高于40、气体相对湿度超过50%的气体的吸附处理;此外也不适用于易发生反应、活性大的溶剂的吸附,该类有机物会与活性炭或在活性炭表面进行反应而堵塞碳孔,这种情况可采用炭纤维或沸石作为吸附剂。

活性炭纤维是以有机化合物纤维(如聚丙烯、酚醛树脂、聚乙烯醇等)为基本原料经特殊加工制成的。它是一种很细的纤维状物质,具有巨大的比表面积、外表面积和非常发达的微孔结构,纤维上有很多微孔可以直接与有机物接触而不是象颗粒活性炭那样要先通过大孔、过渡孔,才能到达微孔,因此,活性炭纤维更易于吸附低浓度的VOC。与颗粒活性炭相比,其吸附有机物的能力高出1.5～2.0倍,吸附速度也快3倍左右。

由于活性炭纤维的吸附能力强,故吸附装置可以小型化,吸附剂的用量也可以少些,降低处理费用。

3.2.2 流动床吸附法

流动床吸附系统由吸附单元和脱附单元组成。废气由吸附床底部进入,自下而上地流动,使吸附剂流态化,VOC与吸附剂接触后被吸附,净化后的废气由顶部排出,吸附了VOC的吸附剂由底部排出,进入脱附单元。在脱附单元内,加热吸附剂,使有机物脱附出来,将气体引入冷凝单元去回收有机溶剂。再生后的吸附剂送回吸附单元顶部继续进行吸附操作。

3.2.3 浓缩轮法

浓缩轮是一个装满吸附剂的旋转轮。废气由旋转轮的上游侧进入浓缩轮的吸附区,其中被吸附净化后的废气由旋转轮的下游排出;同时另一股流量较小的、温度较高的脱附气朝废气气流相反的方向进入浓缩轮的脱附区,将已吸附的VOC脱附出来。浓缩轮以一定速度缓慢旋转,这样在一个系统内就可以完成吸附和脱附操作,使VOC得到浓缩,大大降低了设备投资。

3.3 吸收技术

吸收技术是一种成熟的化工单元操作过程,适合于大气量、中等浓度的含VOC废气的处理。吸收技术是利用液体吸收剂与废气直接接触而将VOC转移到吸收剂中。吸收按其机理可分为物理吸收和化学吸收,通常VOC的吸收为物理吸收,使用的吸收剂常为柴油、 、水和其它溶剂。任何可溶解于吸收剂的有机物均可以从气相转移到液相中,然后,对吸收液进行处理。当吸收液为水时,采用精馏处理就可以回收有机溶剂;当为非水溶剂时,考虑到回收成本,需进行吸收剂的再生。

3.4 膜分离

膜分离技术是采用对有机物具有选择性渗透的高分子膜,在一定压力下使VOC渗透而达到分离的目的。当VOC气体进入膜分离系统后,膜选择性地让VOC气体通过而被富集,脱除了VOC的气体留在未渗透侧,可以达标排放;富集了VOC的气体可去冷凝回收系统进行有机溶剂的回收。选择此种方法可以分离90%的VOC。

膜分离法适用于中高浓度(VOC含量高于1×10-3)的废气的处理。膜系统的费用与进口气体流速成正比,与VOC的浓度关系不大。此法用于高浓度、小流量和有较高回收价值的有机溶剂的回收,但其设备投资较高。

随着对环境问题的越来越重视,膜分离技术的应用前景会很广阔,这是因为膜法是一种清洁技术,从膜分离系统出来的是回收的有机溶剂和净化了的排放气,减少了二次污染的产生。随着 分离膜的开发和价格的降低,膜技术的应用会越来越广。

4. 回收技术的选择

回收技术的选择主要取决于VOC的物理和化学性质、废气的流量、浓度、温度、使用溶剂的企业的条件、经济状况等。

由于炭吸附技术相对简单、有效,使其成为回收VOC的技术,当吸附法不适合时,可以考虑采用冷凝、膜分离、吸收技术。一般来讲,当VOC含量为5%～10%时,首先考虑采用冷凝法;VOC含量为0.5%～5%时,可选择膜分离技术;当VOC含量低于0.5%时,吸附技术成为 ;从流量方面考虑,处理大流量废气时,优先考虑吸附法;小流量时,可考虑采用膜分离和冷凝技术。

炭吸附技术适用于气量大、VOC浓度不超过5×10-3的有机废气的处理,含量太高,会增加设备的不安全性。当VOC浓度高于5×10-3时,在炭吸附前需进行稀释,且颗粒活性炭吸附技术不适合处理含酮、酯的气体。活性炭纤维和沸石吸附剂的出现,扩大了吸附法的应用范围,如采用炭纤维可以用于 、丁酮的处理。对于1×10-4～1×10-5的低浓度VOC废气,可采用浓缩轮技术,再结合其它方法进行有机溶剂的回收。

炭吸附技术也受到某些限制,如它不适合相对湿度超过50%的废气的处理;炭纤维和沸石对相对湿度的要求低一些;还有炭吸附需在不高于40的温度下使用。

通过正确地选择和组合现有的回收技术,可以有效地、经济地从VOC废气中回收有机溶剂,减少其对环境的污染。

5. 含VOC废气的处理技术

VOC的处理技术主要是焚烧,其焚烧处理的方式有直接燃烧和催化燃烧两种[8]。催化燃烧是以Pt、Pd、CuO、NiO等作为催化剂,在较低的温度下(150～600)使VOC氧化分解成CO2和H2O,焚烧温度的选择与气体的量、组成和停留时间有关,例如某漆包线厂的含苯系物的烘干废气通过以Pt为催化剂的床层,在温度580、停留时间1s的条件下,被氧化成CO2和H2O,出口气体中的VOC可以达到排放标准。催化燃烧的温度相对较低,可以节省燃料,但催化剂的价格较高,也不能处理含尘气体,使用一定时间后,要对催化剂进行清理,以除去其表面的附着物,延长催化剂的使用寿命。

废气的直接燃烧有焚烧炉法和火炬法,焚烧炉法是将废气通入焚烧炉内燃烧,恶臭气体一般采用此法处理,其焚烧温度不高,且停留时间不超过1s;通常焚烧后的高温烟气经废热锅炉回收热量,产生蒸汽。火炬法常在石油化工厂使用,以处理那些高热值(4178kJ/m3以上)、能维持高温燃烧的废气,废气在高空大气中燃烧。近年来,为了节约能源和减少污染,石化厂的火炬逐步被消灭,代之以气柜回收、储存气体。

由于废气组成复杂、多变,且多数VOC气体为易爆物质,故在处理时要考虑废气与空气的混合方式;空气过量系数的选取也是很重要的，过多的空气量会使燃料的用量加大,降低炉温;而空气量不足时将会导致燃烧不完全,甚至冒黑烟,VOC焚烧不彻底,尾气达不到排放标准,一般空气过量系数取理论量的1.2～1.3倍。

6. 结语

根据废气的物理和化学性质,选择不同的回收方法或几种方法的组合来回收VOC废气中的有机溶剂,不仅可以减轻环境污染,还会取得一定的经济效益;对回收有困难或回收后达不到使用要求的废气可采用焚烧法进行处理。但不管采用哪种方法,要尽量采用清洁生产技术,避免产生二次污染