VOCs废气治理中的节能处理技术分析

杜兵

 江苏环保产业技术研究院股份公司

摘  要：挥发性有机化合物（VOCs）废气的治理是当前环保领域的一个重要议题。笔者深入分析了VOCs的来源、特性及其环境影响，进而对物理、化学和生物治理技术进行了系统的梳理和评估。特别地，本文重点探讨了各种治理技术的节能改进措施，包括吸附法的低温再生、冷凝法的热回收技术、催化氧化法的催化剂优化以及生物法的操作参数调整。

关键词：VOCs；废气治理；节能处理技术

1 VOCs废气的来源与特性

1.1 VOCs的定义与分类

挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds, VOCs）是指在标准条件下，饱和蒸汽压大于0.01 kPa的有机化合物，它们具有高挥发性和易扩散的特点。VOCs可分为烃类、卤代烃类、醛酮类、芳香族等多种类型。这些化合物在环境中的行为多样且复杂，例如，甲烷（CH4）是最简单的烃类VOC，而氯乙烯则属于卤代烃类VOC，常见于塑料制造业。这些VOCs不仅在类型上多样，而且在化学活性和光化学反应性上也各不相同，这决定了它们在大气中的寿命、迁移和转化途径，以及对人体健康和生态系统的潜在影响。

1.2 VOCs的主要来源

VOCs的来源可分为自然来源和人为来源两大类。自然来源主要包括植物释放的一系列有机化合物，如松树释放的萜烯。人为来源则更为多样，包括工业生产（如石化、化工、印刷等行业）、交通运输（汽油和柴油燃烧）、生活排放（如使用溶剂、油漆）等多个方面。特别是在工业化程度较高的区域，人为来源的VOCs排放量显著，对大气质量造成了重大影响。

以2019为例，工业VOC排放量达到15.72万吨。其中，化工行业占最大比例，为31.0%；其次是工业喷漆行业，占23.9%；石油行业占15.6%；煤焦化行业占13.0%，其他行业总计占16.3%。值得注意的是，某些行业的VOC排放呈现增长趋势，例如石油行业和工业喷漆行业的排放量分别增加了0.46万吨和0.71万吨。这些数据反映了我国在实施综合空气质量控制政策后工业VOC排放量的变化，显示了不同行业和地区在VOC排放方面的差异。

1.3 VOCs的环境行为和影响

VOCs在环境中的行为包括挥发、光化学反应和与其他污染物的交互作用等。它们在大气中与氮氧化物在阳光照射下可生成光化学烟雾，对人体健康和生态环境造成危害。此外，某些VOCs如甲醛和苯等还具有直接的毒性，长期暴露可能导致呼吸系统疾病、神经系统损害甚至致癌。环境中VOCs的行为不仅取决于其化学性质，还受到温度、湿度和大气成分的影响，因此其环境影响是多方面的，需要综合考量。

2 VOCs废气治理技术

2.1 物理方法

物理方法在VOCs废气治理中起着基础且关键的作用，主要通过物理过程分离或回收VOCs，而不涉及化学变化，这些方法以其操作简便和初期投资较低而受到青睐。

吸附法是一种高效的VOCs控制技术，利用多孔固体吸附剂的表面，通过物理或化学作用吸附并固定住VOC分子。常用吸附材料包括活性炭、沸石、硅胶等，它们具有较大的表面积，能够提供丰富的吸附位点。此技术的关键在于吸附剂的选择与再生能力，吸附饱和后，可通过加热或减压等方式进行再生，重复使用。吸附法适用于处理低浓度、大风量的VOCs废气，能耗相对较低，但吸附剂的再生与替换是技术运行中的主要成本。

冷凝法则通过降低废气温度使VOCs从气相转变为液相，从而实现分离。此方法适用于处理高浓度VOCs废气，尤其是在气体中VOCs的饱和蒸汽压较高时效果显著。冷凝器通常设计为多级，以提高冷凝效率和回收率，同时可以结合热交换器回收冷凝过程中产生的热能，以降低操作成本。然而，当环境温度较高或VOCs种类复杂时，冷凝法的效率会受到影响，这时通常需要结合其他方法使用。

在VOCs废气治理实践中，物理方法往往作为预处理步骤，为后续的化学或生物处理技术减负，其优势在于可以显著减少处理过程中的能耗和运行成本。然而，这些方法对于某些具有较高沸点或较低浓度的VOCs的去除效果有限，因此，它们通常需要与其他技术组合应用，以达到更高的去除效率和更佳的经济性。

2.2 化学方法

燃烧法是一种将VOCs彻底氧化分解为二氧化碳和水的技术，通常适用于处理高浓度VOCs废气。燃烧法依据燃烧的完整性分为热力燃烧和火焰燃烧，其中热力燃烧又称为直接热氧化，需要在高温（通常超过800℃）下进行，能量消耗较大，但处理效率高；火焰燃烧则通过燃烧器实现，操作温度较低，但对VOCs的性质和浓度有一定要求。燃烧法的关键是确保足够的氧气供应和适宜的反应时间，以实现VOCs的完全氧化。此外，燃烧过程可能产生NOx等副产品，需要额外的处理措施。

催化氧化法则是在催化剂的作用下，降低VOCs氧化反应的温度，从而减少能耗。该方法相比直接燃烧法更为节能，且能有效减少NOx等有害物质的生成。催化氧化法的核心在于催化剂的选择，贵金属和金属氧化物是常见的催化剂，它们能显著提高VOCs氧化的选择性和速率。适当的催化剂不仅可以降低反应的启动温度，还能提高反应的稳定性和持久性。然而，催化剂可能受到中毒和烧结影响，从而降低其活性和使用寿命，因此，催化剂的再生和替换是该技术的关键维护点。

2.3 生物方法

生物方法在VOCs治理中利用微生物的代谢作用将有机污染物转化为无害的物质，如水和二氧化碳，这些方法被认为是环境友好且可持续的技术选择。

生物滤床是一种老旧但经过不断改进的生物治理技术。它通过填充具有微生物生长环境的床料，如泥炭、树皮或复合填料，提供了一个用于降解VOCs的生物反应器。废气在通过填充床时，其中的VOCs被微生物吸收并转化为无机物。生物滤床适用于处理那些可生物降解性较高的VOCs，尤其是在温和的气候条件下，其效率和稳定性更高。该技术的关键在于床料的选择和微生物的管理，适当的湿度和温度是确保微生物活性和处理效率的重要因素。然而，生物滤床在处理高浓度VOCs或是易产生生物毒性副产品的废气时面临挑战，需要仔细的设计和运营管理。

生物洗涤器则采用液体介质—通常是水或营养溶液，其中含有能够代谢VOCs的微生物。废气在通过洗涤器时，VOCs溶解在液体中并被微生物吞噬。这种方法特别适用于水溶性VOCs的处理，并且可以处理较高浓度的废气。生物洗涤器的优势在于可以连续操作并且可以处理大风量的废气，但其运行成本相对较高，需要持续供应营养物质和能量来维持微生物的代谢活动。此外，洗涤液的循环使用和处理也是该技术的重要组成部分，避免了二次污染的风险。

3 节能处理技术的详细分析

3.1 吸附法的节能改进

吸附法在VOCs处理中因其操作简便和高效率而被广泛使用，但其能耗主要体现在吸附剂的再生过程。节能改进措施包括开发低温再生的吸附剂、优化再生周期和工艺参数，以减少再生所需的热能。例如，使用低温再生的沸石吸附剂或利用微波技术快速再生活性炭，能显著降低能耗。此外，结合热泵技术进行能量回收和利用，也是吸附法能效改进的有效途径。通过这些技术的集成和优化，吸附法能够实现更高的能量效率和经济性。

3.2 冷凝法的能耗分析

冷凝法通过降低废气温度来凝结VOCs，能耗主要集中在冷却系统的运行上。节能的关键在于提高热交换效率和冷凝系统的设计优化。应用多级冷凝和热泵系统可以有效回收过程中的潜热，降低外界能源的输入。进一步地，冷凝法可以与其他处理技术如吸附法结合，以利用吸附剂再生时释放的热量，减少整体的能耗。这些措施能够有效降低系统的运行成本，提升VOCs废气治理工艺的节能性能。

3.3 催化氧化法的能效比较

催化氧化法通过引入催化剂来降低VOCs的氧化温度，从而减少能耗。与传统的热氧化法相比，催化氧化在更低的温度下进行，节省了大量的加热能量。为了进一步提高能效，研究者致力于开发新型高效催化剂，提高催化剂的选择性和反应速率，降低反应所需的能量。此外，集成热回收技术，如利用催化反应的余热预热原料气，可以显著提高系统的总体能效。催化氧化法的优化还涉及提高系统的稳定性和减少催化剂中毒风险，以延长催化剂的使用寿命和减少维护成本。

3.4 生物法的节能潜力

生物法处理VOCs的能耗相对较低，因为它们在常温常压下利用微生物代谢作用处理污染物。尽管如此，生物法的节能潜力仍有待挖掘。优化操作参数如气流速率、湿度、温度和pH值，可以提高微生物的活性和处理效率，从而减少能耗。进一步地，通过耦合生物法与其他低能耗的废气预处理技术，如吸附和冷凝，可以减轻生物反应器的负担，降低能量消耗。此外，研究在生物反应器中使用的微生物群落的优化，如引入对特定VOCs更高效的菌种，也是提高能效的重要方向。通过这些措施，生物法不仅能有效处理VOCs，还能保持较低的能耗，实现环境友好的废气治理。

4 结语

在本研究中，笔者综合考察了VOCs废气治理技术的节能潜力，并提出了切实可行的改进方向。物理方法的优化、化学方法的催化剂创新以及生物方法的微环境调控，共同构成了提升处理效率的多维策略。笔者认为，未来VOCs治理的发展应以节能减排为核心，倡导绿色环保的同时，注重经济效益的实现。通过技术创新与优化，可望达到环境保护与工业发展的和谐共进。

参考文献

[1]郑憬文.光催化技术在VOCs废气治理中的研究进展[J].广州化工,2022,50(18):37-39.

[2]王登祥,杨生林,张同鹏.低浓度VOCs节能处理技术研究与应用[J].上海涂料,2022,60(04):18-20.