各类VOC治理方案及其优缺点

各类VOC治理方案及其优缺陷

各类VOC治理方案及其优缺陷一、国内外研究现实状

况和发展趋势有机废气种类繁多，来源广泛，治理难度大，

一次性投资和操作费用高，基本上无回收运用价值。成分复

杂的有机废气则愈加难以净化、分离和回收。挥发性有机化

合物(VOCs)作为有机化合物重要分支，是指在常温下饱和蒸

气压不不大于70Pa、常压下沸点在260℃以内日勺有机化合物。

从环境监测角度来讲，指以氢焰离子检测器测出的非甲烷

烧类检出物的总称，包括煌类、氧煌类、含卤煌类、氮姓及

硫烽类化合物。VOCs种类繁多，分布面广，根据部分国外

重要环境优先污染物名目，VOCs占80%以上。日本1974

—1985年环境普查表明，在检出的化学毒物中，卤代烧类最

多共52种，一般烧类次之共43种，含氮有机物(重要是

硝基苯和苯胺类化合物)共40种，以上三类占总检出毒物

日勺70%。VOCs污染严重，与NOx、CnHm在阳光作用下发

生光化学反应，吸取地表红外辐射引起温室效应；破坏臭

氧层形成臭氧空洞，引起人体致癌和动植物中毒。伴随VOCs

污染范围日勺不停扩大和人们对其危害日勺逐渐认识，1979年联

合国欧洲经济委员会在口内瓦召开跨国大气污染会议，重点

讨论了VOCs控制问题，1991年11月通过了《VOCs跨国

大气污染议定书》，规定签字国以1988年VOCs排放量为基

准，到1999年每年削减30%；1990年，美国修订了清洁

空气法(CAA),规定到2023年将VOCs的排放量减少70%。

为此，开发VOCs替代产品，寻找VOCs控制最优技术已成

为处理VOCs污染的必由之路。伴随世界各国对VOC污染

日勺日益重视和环境保护法规不停严格VOC日勺排放原则，其

治理技术亦在逐渐改善和完善。(一)有机废气治理技术早

在1925年欧洲就开发出固定床活性碳吸附装置，1958年日

本也开始使用该项技术。这是一种非常经典、成熟的措施，

可用于治理任何浓度的常温有机废气，但处理低浓度、大

风量有机废气时，设备庞大，不经济。对于排气温度较高的

高浓度有机废气的治理，首先由美国于1950年开发成功以

天然气为燃料时直接燃烧技术。1965年R本与美国合作，

将该项技术引入日本。该法需将有机废气加热到760C,方

可将有机溶剂氧化分解为无害的ICO2和H2O,其缺陷是燃

料费高，故在欧美等天然气廉价的地区应用广泛。后来人

们开发出催化燃烧技术，由于催化剂的作用可在300-350℃

H勺低温下将有机溶剂氧化分解，因此大大减少了燃料费并

且产生日勺NOx量非常少o其缺陷是需对废气中易引起催化剂

中毒H勺物质和粉尘进行前处理，此外，在催化燃烧装置中使

用日勺热互换器换热效率较低，约在50%。为了提高热效率,

减少运行成本，美国于1975年开发出换热效率在90%以上

日勺蓄热式燃烧装置。由于其运行费用的减少，因此，可用于

治理中等浓度有机废气。随即欧洲也开展了该项技术的开

发。日本针对美国蓄热燃烧方式又开发出催化燃烧装置的改

良型一一蓄热催化氧化措施，并于1977年由日铁化工机首

先售出产品。该产品可较经济地对高、中浓度的、温度较高

日勺有机废气进行治理。总体而言，按照处理的措施，有机废

气处理口勺措施重要有两类：一类是回收法，另一类是消除法。

回收法重要有炭吸附、变压吸附、冷凝法及膜分离技术，回

收法是通过物理措施，用温度、压力、选择性吸附剂和选择

性渗透膜等措施来分离VOC时。消除法有热氧化、催化燃

烧、生物氧化及集成技术；消除法重要是通过化学或生化

反应，用热、催化剂和微生物将有机物转变成为CO2和水。

1、回收技术（1）炭吸附法炭吸附是目前最广泛使用的回收

技术，其原理是运用吸附剂（粒状活性炭和活性炭纤维）的

多孔构造，将废气中日勺VOC捕捉。将含VOCH勺有机废气通

过活性炭床，其中的VOC被吸附剂吸附，废气得到净化，

而排入大气。当炭吸附抵达饱和后，对饱和H勺炭床进行脱附

再生；通入水蒸汽加热炭层，VOC被吹脱放出，并与水蒸汽

形成蒸汽混合物，一起离开炭吸附床，用冷凝器冷却蒸汽混

合物，使蒸汽冷凝为液体。若VOC为水溶性的，则用精储

将液体混合物提纯；若为水不溶性，则用沉析器直接回收

VOCo因涂料中所用的“三苯”与水互不相溶，故可以直

接回收。炭吸附技术重要用于废气中组分比较简朴、有机

物回收运用价值较高的状况，其废气处理设备的尺寸和费用

正比于气体中VOC的数量，却相对犯立于废气流量；因此,

炭吸附床更倾向于稀的I大气量物流，一般用于VOC浓度不

不不大于5000PPM的状况。适于喷漆、印刷和粘合剂等温

度不高，湿度不大，排气量较大日勺场所，尤其对含卤化物

H勺净化回收更为有效。（2）冷凝法冷凝法是最简朴的回收

技术，将废气冷却使其温度低于有机物的露点温度，使有机

物冷凝变成液滴，从废气中分离出来，直接回收。但这种状

况下，离开冷凝器的排放气中仍具有相称高浓度的VOC,

不能满足环境排放原则。要获得高的回收率，系统需要很高

的压力和很低的温度，设备费用明显地增长。冷凝法重要用

于高沸点和高浓度的JVOC回收，合用H勺浓度范围为＞5%（体

积）。（3）膜分离技术膜分离系统是一种高效的新型分离技术,

其流程简朴、回收率高、能耗低、无二次污染。膜分离技术

H勺基础就是使用对有机物具有选择渗透性H勺聚合物膜，该膜

对有机蒸气较空气更易于渗透10—100倍，从而实既有机物

H勺分离。最简朴的膜分离为单级膜分离系统，直接使压缩气

体通过膜表面，实现VOC时分离，但单级膜因分离程度很

低，难以抵达分离规定，而多级膜分离系统则会大大增长设

备投资。MTR开发了一种新型口勺集成膜系统，仅使用单级膜,

就可以大大提高回收率，并减少系统的费用。该技术结合压

缩冷凝和膜分离两种技术的特点，来集成实现分离。用压缩

机先将进料气提高到一定压力，然后将进料气送到冷却器冷

凝，使部分VOC冷凝下来，冷凝液直接放入储罐。离开冷

凝器的非凝气体仍含相称数量的有机物，并具有很高的压

力，可以作为膜渗透口勺驱动力，使膜分离不再需要附加时动

力。将非凝气送到膜系统，有机选择渗透膜将气体提成两

股物流，脱除了VOC时未渗透侧的净化气被排放；渗透物

流为富集了有机物的I蒸汽，该渗透物流循环到压缩机的进

口。系统一般可以从进料气中移出VOC达99%以上，并使

排放气中日勺VOC抵达环境保护排放原则。该系统的特点是

末渗透物流的浓度独立于进料气的浓度，该浓度由冷凝器的

压力和温度决定。(4)变压吸附技术该技术运用吸附剂在

一定压力下，先吸附有机物。当吸附剂吸附饱和后，进行吸

附剂的再生。再生不是运用蒸汽，而是通过压力变换来将有

机物脱附。当压力减少时，有机物从吸附剂表面脱附放出。

其特点是无污染物，回收效率高，可以回收反应性有机物。

不过该技术操作费用较高，吸附需要加压，脱附需要减压，

环境保护中应用较少。回收技术日勺合用范围：粒状活性炭

重要用于脂肪和芳香族碳氢化合物、大部分含氯溶剂、常用

醇类、部分酮类和酯类等的I回收。常见附有：苯、甲苯、二

甲苯、己烷、庚烷、甲基乙基酮、丙酮、四氯化碳、醋酸乙

酯等，活性炭纤维吸附则可回收苯乙烯和丙烯晴等反应性单

体，但费用较粒状活性炭吸附要高的多。吸附法已广泛用在

喷漆行业的“三苯”、醋酸乙酯、制鞋行业的“三苯”，印

刷行业日勺甲苯、醋酸乙酯、电子行业的二氯甲烷和三氯乙烷

日勺回收。炭吸附法规定废气中的VOC不能超过5000PPM,

并且湿度不能＞50%；当浓度＞5000PPM时，则需在吸附

前稀释，对部分酮、醛、酯等含活性的物质不合用，该类

VOC会与活性炭或在活性炭表面发生反应，堵塞炭孔，使

活性炭失活。冷凝法对高沸点的有机物效果很好，对中等和

高挥发日勺有机物回收效果不好，该法适合VOC浓度＞5%的

状况，回收率不高。而大部分废气中均存在水分，温度低于

0℃时会结冰，减少系统的可靠性，故很少单独使用。膜分

离措施适合于处理较浓的物流，即01％＜VOC浓度V10%,

膜系统日勺费用与进口流速成正比，与浓度则关系不大。它适

于高浓度、高价值的有机物回收，其设备费用较高。工业上

已经从聚烯烧装置的冲洗气中回收烯煌单体和氯气。在环境

保护领域，从加油站回收碳氢化合物；从制冷设备、气雾剂

及泡沫塑料的生产和使用过程中回收CFC,从PVC加工中

回收氯乙烯单体。此技术非常有前途，伴随新高效膜的出现

利系统造价的I减少，它会成为一种重要的回罢手段。2、消

除技术（1）热氧化热氧化系统就是火焰氧化器，通过燃烧

来消除有机物的J,其操作温度高达700C—1,000℃。这样不

可防止地具有高的燃料费用，为减少燃料费用，需要回收离

开氧化器的排放气中的热量。回收热量有两种方式，老式的

间壁式换热和新的非稳态蓄热换热技术。间壁式热氧化是用

列管或板式间壁换热器来捕捉净化排放气的热量，它可以回

收40%—70%的热能，并用回收的热量来预热进入氧化系统

H勺有机废气。预热后日勺废气再通过火焰来抵达氧化温度，进

行净化，间壁换热日勺缺陷是热回收效率不高。蓄热式热氧化

（简称RTO）回收热量采用一种新的非稳态热传递方式。重

要原理是：有机废气和净化后的排放气交替循环，通过多次

不停地变化流向，来最大程度地捕捉热量，蓄热系统提供了

极高H勺热能回收。在某个循环周期内，含VOC区J有机废气

进入RTO系统，首先进入耐火蓄热床层1（该床层已被前一

种循环日勺净化气加热），废气从床层1吸取热能使温度升高,

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H勺高温净化气离开燃烧室，进入另一

种冷日勺蓄热床层2,该床从净化排放气中吸收热量，并储存

起来（用来预热下一种循环的进入系统的有机废气），并使净

化排放气的温度减少。此过程进行到一定期间，气体流动方

向被逆转、有机废气从床层2进入系统。此循环不停地吸取

和放出热量，作为热阱时蓄热床也不停地以进口和出口的操

作方式变化，产生了高效热能回收，热回收率可高达95%,

VOC的消除率可达99%。(2)催化燃烧催化燃烧是一种类

似热氧化的方式来处理VOC的，它净化有机物是用柏、把

等贵金属催化剂及过渡金属氧化物催化剂来替代火焰，操作

温度较热氧化低二分之一，一般为250℃-500℃o由于温

度减少，容许使用原则材料来替代昂贵的特殊材料，大大地

减少设备费用和操作费用。与热氧化相似，系统仍可分为间

壁式和蓄热式两类热量回收方式。间壁式催化燃烧是在催

化床后设一种换热器，该换热器在减少排放气温度的同步，

也预热含VOC日勺有机废气，其热回收达60%—75%。该类

氧化器早已用于工业过程。蓄热催化燃烧(简称为RCO)是

一种新H勺催化技术。它具有RTO高效回收能量H勺特点和催化

反应H勺低温操作及能量有效性的长处，将催化剂置于蓄热材

料日勺顶部，来使净化抵达最优，其热回收率高达95%—98%。

RCO系统性能日勺关键是使用专用的催化剂，浸渍在鞍状或是

蜂窝状陶瓷上的贵金属或过渡金属催化剂，容许氧化发生在

RTO系统温度的二分之一，既减少了燃料消耗，又减少了设

备造价。目前，有的国家已经开始使用RCO技术进行有机

废气的消除处理，诸多RTO设备已开始转变成RCO,这样

可以削减操作费用达33%—75%,并漕长排放气流量达20%

-40%o(3)集成技术(炭吸附+催化氧化)对于大流量、

低浓度的有机废气，单一使用上述措施处理费用太高，不经

济。运用炭吸附具有处理低浓度和大气量的优势，先用活性

炭捕捉废气中的有机物，然后用小得多流量的热空气来脱

附，这样可使VOC富集10—15倍，大大地减少了处理废气

口勺体积，使后处理设备的规模也大幅度地减少。把浓缩后的

气体送到催化燃烧装置中，运用催化燃烧适于处理较高浓

度H勺特点来消除VOCo催化燃烧放出的热量可以通过间壁换

热器，来预热进入炭吸附床的脱附气，减少系统的能量需要

量。该技术运用炭吸附处理低浓度和大气量的持点，又运用

催化床处理适中流量、高浓度的优势，形成一种非常有效的

集成技术。国内也已开始运用此技术，用于喷漆、印刷和制

鞋等排放大流量、低浓度有机废气行业的I治理。消除技术的

使用范围：(1)热氧化热氧化系统在700℃—1000℃下操作,

适于流量为2023-50,000m3/h,VOC浓度为100-2023PPM

H勺状况。间壁式较蓄热式H勺长处是，用简朴H勺金属换热器来

捕捉热量，仅在几分钟即抵达所需的J操作条件，最适于循环

操作。蓄热热氧化具有非常高的氧化温度，可以处理难以热

分解日勺有机物，该系统98%—99%的IVOC消除率是很常见

的。热回收效率为85%—95%。仅需少许或不需燃料即可运

行，尤其是对具有相对低VOC含量的气体，它们比间壁热

氧化费用更低。热氧化的缺陷是：①在高温燃烧中产生了

NOx,它也为危险排放物，需要深入治理；②较慢的J热反应;

③不能满意地处理卤化物，必需加后处理装置洗涤塔，来处

理酸性气体；④进气浓度不能＞25%LEL；⑤高的设备投资

费用。（2）催化氧化催化氧化是在比热氧化低日勺温度下进行,

一般为250℃—500℃,其处理能力为2023—20,000m3/h,适

于VOC浓度为100-2023PPM,其消除效率高达95%以上。

低的操作温度结合间壁换热器，可以减少启动所需的I燃料。

催化燃烧较热氧化有几种长处：①反应温度较热氧化低二

分之一，节省了燃料•；②停留时间短，减少了设备尺寸；③

由于燃料减少，生成日勺CO也少，CO和VOC一起被转换;

④较热氧化系统需更少的启动和冷却时间；⑤低的操作温

度，排除了NOx的I生成；⑥因温度减少，容许使用原则材料

来替代昂贵的特殊材料，RCO系统日勺整个机械寿命将增长。

催化氧化也有局限性：①催化剂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，需用洗涤

塔深入处理；③废催化剂如不能循环使用，也要处理；④进

气浓度不能＞25%。（3）集成技术（炭吸附+催化燃烧）炭

吸附进行VOC回收已广泛用于喷漆、印刷和电子工业等行

业，消除率可达90%—95%,但对低浓度废气，从经济上考

虑，回收不经济，故采用消除技术。集成技术的长处就是用

较低的费用来处理低浓度、大气量的废气，通过浓缩废气，

减少了需处理废气的体积，用较小体积的催化燃烧氧化器来

处理大流量的废气，减少设备费用和操作费用。该法也有局

限性，此技术均不适合废气中具有高活性、易反应的VOC

和相对湿度不不大于50%的状况，对含卤化合物的废气仍需

使用后处理设备。由此可见，上述多种措施各有其优缺陷和

合用对象,现对其中几种常用措施H勺优缺陷汇总比较如下。

热力燃烧法TO

1.净化效率高

2.可净化多种有机废气，不需要预处理，不稳定原因少，可

靠性高

3.在废气浓度高、设计合理日勺条件下，可回用热能1.处理

温度高，能耗大

2.存在二次污染

3.燃烧装置、燃烧室、热回收装置造价高，维修较难

4.处理大流量、低浓度废气能耗过大，运行费用高RTO

I.具有TO日勺各项长处，但对复杂的有机废气需要预处理

2.能耗远低于TO,可处理大流量低浓度废气

1.处理温度比TO低，但仍较高，因而仍有少许二次污染

2.造价较高

3.占地面积大催化燃烧法CO

1.净化效率高，无二次污染

2.能耗较低，在相似条件下约比TO低50%,因而运行费用

低

1.用电能预热时，不能处理低浓度废气

2.催化剂成本高，且有使用寿命限制

3.复杂废气需预处理RCO

1.净化效率高，无二次污染

2.在多种燃烧法中能耗最低，废气浓度在l-1.5g/m3时即能

无耗运行

3.能处理多种有机废气

1.整体式占地面积小，但维修困难

2.分体式占地面积大

3.整体式不合适用于高浓度（4g/m3）,否则催化床会超温

4.复杂废气需预处理吸附法

1.可净化大流量低浓度废气

2.对单一品种废气可回收溶剂

3.运行费用较低

1.吸附剂需补充和再生

2.对温度较高废气需先行冷却

3.复杂废气需预处理

4.管理不便

5.存在二次污染

6.安全性差吸取法

1.对亲水性溶剂蒸汽用水作吸附剂时，设备费用低，运行费

低，安全

2.可用油、酯等吸取苯类废气，净化率高

3.合用于大流量低浓度废气

1.用水作吸附剂时，需要对产生的废水进行处理

2.吸取、脱吸控制管理复杂（二）低浓度、大风量有机废气

日勺治理技术在使用有机溶剂的行业中，象汽车涂装、印刷等

工业排放的有机废气，其特点是有机溶剂浓度低、风量大，

若采用上述措施都将使用庞大的设备，耗用大量经费。目前

世界上对此类低浓度、大风量的有机废气，重要采用下面几

种措施进行治理。（1）蜂窝轮式浓缩系统这种系统于1977

一1979年由日本开发成功，瑞典口勺Munter、Zeol企业也于

1985-1986年开发成功并销售。1990年左右伴随对有机溶

剂排放实行更严格的总量控制后，欧美地区也从日本引进

该技术，其市场急剧扩大。该系统采用蜂窝轮，持续不停地

将低浓度、大风量的排气中的有机溶剂吸附、分离。然后,

再用小风量的热风脱附得到高浓度、小风量日勺具有机溶剂气

体。浓缩后的气体再与小型的I催化燃烧或活性炭回收装置组

合，构成经济的处理系统。该系统日勺关键部件是一圆筒形

吸附轮，其是由活性炭或疏水性沸石加工成波纹状，再卷制

形成蜂窝构造。整个蜂窝轮分为吸附区和再生区，工作中以

非常低的速度持续转动，具有机溶剂的废气通过吸附区时

有机溶剂被吸附，净化气体排出。轮子吸附的有机溶剂，伴

随轮日勺转动被送到再生区，由120—140℃日勺热风加热脱附，

随热风排出。由于脱附风量远不不不大于吸附风量，因此

脱附后气体中的有机溶剂浓度可以增长10—20倍。脱附后

日勺排气只要用吸附风量十几分之一日勺装置就可以进行处理

了。该系统体积小，费用低，在国外已成为治理低浓度、大

风量有机废气的首选措施，并得到广泛应用。但其引进价格

昂贵，在我国推广经济上难以承受。国内有的J研究单位取

其净化工艺的长处，将重要设备进行改造使之合用我国。如

研究采用了以数个填充了蜂窝状活性炭日勺固定吸附浓缩装

置，取代蜂窝轮浓缩装置的措施，通过数个固定床之间的

吸附，脱附过程切换，完毕蜂窝轮转动所起的I作用。因这种

措施没有转动部件，不存在动密封问题，因此设备制造简朴,

维修以便，价格廉价并发挥了原工艺中浓缩作用的I长处。

在邮电部邮票印制局引进法国六色印刷机废气治理中，采用

该工艺设备完毕了处理风量21000—30000m3/h规模的微

机全自动控制工业试验，通过2年的运行考验，获得满意成

果。为我国治理低浓度、大风量有机废气提供了一种合用的

措施。（2）液体吸取法该法是通过有机废气与液体吸取剂接

触，使其中日勺有机溶剂被吸取剂所吸取，再经解吸，将有机

溶剂除去或回收，并使吸取剂获得再生反复运用。由于工艺

中可选用比吸附，催化燃烧装置处理气体能力大数倍的塔式

吸取设备，因而设备日勺体积可做得小诸多，设备费也低。但

很难找到理想吸取剂，原因是有机溶剂一般都属非极性物

质，它们与极性内水分子之间将产生互相排斥作用而难以溶

解，而对有机溶剂溶解度较大的油类或芳燃萃取剂，一般价

格较高，有些尚有异味。国内曾有人研究在水中添加表面活

性剂等活性组分的措施，来提高对有机溶剂的溶解度。研究

表明，以这种吸取剂来处理含苯喷漆尾气是可行欧I，但这一

试验室研究成果未得到推广应用，这也许与吸取容量很有

限日勺吸取剂的再生问题尚未处理有关。国内前些年使用以柴

油等油类及芳煌萃取剂为吸取液的有机废气吸取装置，曾在

工业上有些应用实例，但都因吸取剂自身损耗大导致运行

成本高或饱和后的吸取剂无法处理而下马。液体吸取法在国

外使用也很少，报导亦不多。曾见有关日本印刷厂使用液体

吸取法日勺报导，使用的吸取剂是具有催化剂的液体，使用

成果运转费用较低，但有待深入提高效率。由于液体吸取尚

存在诸多问题有待处理，使其应用受到限制。（3）生物处理

法生物脱臭从20世纪40-50年代开始就在德国和美国