VOCs处理技术分类及在煤制气项目的选用

北极星节能环保网讯: VOCs是一类低沸点、易挥发的有机化合物，通常是指在20℃条件下，蒸汽压大于或等于0.01kPa，或者在特定条件下具有相应挥发性的全部有机化合物的总称。VOCs大多有毒性，严重危害人体健康，轻则刺激眼睛和呼吸系统，重则中毒，此外，VOC对大气的危害还在于它与NOx在阳光下会产生光化学反应，在一定条件下生成臭氧、过氧乙酰硝酸酯(PAN)和醛类等光化学烟雾而造成二次污染。

由于VOCs的危害，国家出台了一系列法规，环保部印发的《石化行业挥发性有机物综合整治方案》对VOC的排放作出了严格控制。煤化工行业是挥发性有机物排放重户，但是企业对其认识及治理起步较晚，且排放的组分较复杂。鉴于目前对煤化工行业处理方案的报道较少，本文选取煤制气行业的VOCs治理措施进行分析比较。

1 VOCs处理技术

1.1 VOCs处理技术分类

目前VOCs处理方法按原理来分有回收技术和破坏技术两类。回收技术主要是采用物理方法回收气体中的有价值溶剂，包括冷凝法、吸附法、吸收法和膜分离法;破坏技术主要是采用化学和生物方法将气体中的有机物转化为CO2、H2O等物质，包括直接燃烧法、蓄热式燃烧法、催化燃烧法、生物降解法以及光催化降解、等离子体、电晕法等近年发展的新技术。

1)冷凝法是将废气降温至VOCs成分露点以下，使之凝结为液态后加以回收有价值的溶剂。主要适用于处理量较小且可冷凝物质的浓度相对较高的废气处理。

2)吸收法是采用低挥发或不挥发液体作为吸收剂，利用VOCs各种组份在吸收剂中溶解度的差异而净化废气。适用于高水溶性、小到中等废气量的处理。

3)吸附法是吸附剂(多为多孔性固体)从废气中有选择的吸附某些组分而去除VOCs的一种方法。适用于中低浓度的VOCs净化。

4)膜分离法是借助载体空气和VOCs蒸气不同的渗透能力，或膜对气体混合物中分子的不同选择性而使VOCs分子分离的技术。适用于较高浓度的VOCs分离与回收。

5)生物降解法是在生物反应器中利用微生物对废气中的有机物进行消化代谢，将其分解成水、CO2及其他无机盐类。主要用于低浓度，且以微生物可分解物质为主的废气处理[1-2]。

6)燃烧技术是基于含VOCs废气具有可燃性的特点，通过燃烧将废气中的可氧化组分转化为CO2和水等无害物质，包括直接燃烧、蓄热式燃烧(RTO)和催化燃烧(RCO)。直接燃烧是将有机废气当做燃料来燃烧，主要是处理VOCs浓度很高且具有相对较高燃烧热值的废气，燃烧温度一般在1100℃;蓄热式燃烧主要处理可燃物浓度较低的废气，无法着火或依靠自身来维持燃烧，是采用先进的热交换设计技术和新型陶瓷蓄热材料，把有机废气加热到800℃左右，使VOCs氧化分解成CO2和水，燃烧后的尾气除提供尾气蓄热升温所需要的热量，富余的热量余热回收副产蒸汽，保证净化效果和热量的有效回收;催化燃烧是利用催化剂的催化作用来降低氧化反应温度和提高反应速率，可以在较低的温度下进行氧化燃烧，使有机物转化为无害物质[3]。

1.2 几种常用VOCs处理技术的比较及其选择

上述VOCs气体处理技术是目前工业应用比较广泛的几种废气处理技术，而光催化技术、等离子体技术、电晕等方法是近年发展的新技术，工业应用较少，主要处于实验室研究阶段。表1对几种常用的处理技术进行了比较

1)环保政策、法规要求。处理后的废气必须达到排放标准要求(石化行业要求限值120ppm)。上述比较了目前应用广泛的VOCs废气处理技术各自的优缺点，工业企业在选择合理有效的处理方法时应从以下几个方面进行考虑。

2)技术条件。在对含VOCs废气处理工艺的选择中，在技术领域应考虑如下因素：VOCs的去除效率;废气性质(废气中有机物的组成、VOCs含量、废气流量、气味指标);可用建设面积;技术经济使用期;必要的附属设施建设(如水蒸气生产设施);与原有治污设备的配套;有机溶剂的回收等。

3)经济因素。主要考虑投资、运行费用和财务风险。

在满足环保要求的前提下，根据废气的性质、流量、温度、浓度等参数，企业应对几种废气处理技术进行技术、经济等方面的综合分析比较，通过可行性论证后，做出适合企业运行的技术方案。

2 煤制气行业VOCs治理

以某煤制天然气项目可研报告为例进行分析。目前煤制天然气行业多采用固定床碎煤加压气化、低温甲醇洗酸性气净化、甲烷合成生成天然气，根据工艺流程特点，VOCs主要排放点有四处分别为：低温甲醇洗酸性气净化后排放尾气、煤气水常压储罐呼吸废气、污水处理装置散发的恶臭气体、油罐区储罐呼吸废气。

2.1 低温甲醇洗排放气

低温甲醇洗排放的废气(由三股气混合)量为2X192000Nm3/h，VOCs浓度大约5000ppm，总硫浓度2.4ppm。

由于选用的气化工艺为鲁奇炉固定床气化工艺，VOCs不是单一组分，含有甲烷、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷、甲醇等物质，很难回收，如果想达到能再利用的纯度，在经济上几乎无法承受，因此只能采用破坏方法，即将VOCs转化为无害物质后再排入大气。而且废气流量大，浓度低，不易采用直接燃烧法。RTO和RCO的投资费用大致相当，由于RCO的燃烧温度要低于RTO，故RCO操作费用要省，但由于此股废气中含有硫会导致催化剂中毒失活而不能再生，故选用RTO较易。通过蓄热式氧化，有机废气去除率可以达到98%以上满足环保要求，而且热效率能达到95%以上，高的热回收率使补充燃料的使用量显著减少，从而节约运行费用。RTO装置目前常用的是阀门切换式，一般有氧化室、多个蓄热式组成，通过切换阀门来达到改变气流方向的目的，因此操作弹性较大，能在较大范围内适应废气流量和浓度的波动。

应注意的是，选用燃烧处理技术，燃烧反应后排出的SO2可能会导致硫超标，废气的燃烧过程可能会伴随有NOx的生成造成二次污染。为避免此种情况的发生，可以考虑废气处理技术的结合。在气体进燃烧装置之前，先用吸附或者是吸收法对废气进行预处理，采用吸附浓缩+燃烧工艺或碱洗吸收+燃烧工艺。

CO2是温室气体大量排放会加重环境负担，而且未来如果征收碳税，将为煤化工企业带来一定的经济负担，经过燃烧处理后排出的废气主要含有CO2和N2，经过初步分离后CO2纯度较高，结合企业自身及当地特点，便于作进一步的处理应用。CO2加氢合成制甲醇反应各国研究者正在重点攻关催化剂的研究;碳捕捉与封存技术的“二氧化碳驱采水”技术也在积极尝试，对处于西北缺水比较严重地区的煤化工来说此项技术拥有巨大潜能。

由于蓄热式燃烧装置投资费用相对较高，为避免投资损失，建议项目人员在初期可研、设计时，要对工艺数据进行严格核算，在确保满足环保标准的前提下，节省投资。例如，经测算燃烧处理后的废气硫含量不超标，且通过控制燃烧条件将NOx的生成控制在规定限值之内，则可以省去预处理装置单独选用RTO或RCO装置。需注意的另一问题是废气在进蓄热炉前需补充足够的空气，因此空气过量系数的选取很重要，既要防止达到混合气体爆炸极限范围内造成安全隐患，又要避免过多的空气量造成投资增加带来经济上的损失。

2.2 煤气水储罐呼吸气

煤气水储罐呼吸废气主要是储罐呼吸阀排出的无组织废气，以硫化氢和氨为主，VOCs浓度大约为500ppm，由于受到环境温度等的影响，流量和浓度波动较大。此股气体不具回收价值，可以考虑采用RTO直接燃烧处理。在压降满足的前提下，可以将此股气体通过管道输送到低温甲醇洗RTO装置进行处理，节省设备的投资。

2.3 污水处理装置废气

污水处理装置废气一类废气是在预处理单元的调节池、匀质罐、隔油池、酸化水解池等装置的散发气体，气量和浓度波动范围较大，VOCs含量较高;另一类是曝气池、污泥脱水间的气体，恶臭气味明显，主要以硫化物、挥发酚类物质为主。两类气体的组分有差别，但都处于污水生化处理装置区，可以依托生化处理既有装置、人员的技术、操作条件，选择生物降解法，通过微生物将废气中所含有的有机物降解为CO2和水。而且生化法也可除去硫、氮等无机组分。

2.4 油罐区排放气

油罐区储罐排放气。废气主要是储罐的呼吸阀排出气，以及装车过程中产生的有机废气。罐顶呼吸废气分别经过水封槽后可以通过管道联通与装车废气合并在一起集中处理。由于此股排放气含有有机溶剂，回收利用价值较高，且储罐储存石脑油、焦油等物质，排出的废气与石化行业相似，可以考虑采用石化行业比较成熟的处理技术即油气回收技术，例如冷凝+膜技术+吸附、吸附+吸收等回收方法的组合工艺。一方面可以减少有机废气的排放，降低对环境的影响;另一方面可以回收有机废气中的油组分，提高经济性。

对VOCs的污染防治应遵循源头、过程控制与末端治理相结合的综合防治原则。采用LDAR(气体泄漏与检测技术)对无组织排放源进行定性、定量检测，改进生产技术和工艺装备，从源头减少VOCs泄漏环节。末端治理方面采取高效的有机废气回收处理技术，满足环境质量要求。

3 结论

挥发性有机物对环境的危害和环保政策的要求，除了从源头上控制排放，在末端治理方面企业应根据具体的状况，选择相应的治理技术，以期能达到投资少、操作方便、效率高的处理效果。