張 瑜，羌 寧，李世杰

(1.上海華誼精細化工有限公司，上海 200025；2.同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

揮發(fā)性有機物(VOCs)作為光化學(xué)反應(yīng)的重要前體物，是產(chǎn)生灰霾的主要根源，不僅危害環(huán)境而且危害人類健康[1～6]，近年來受到社會高度重視，VOCs治理迅速掀起了一股熱潮。

VOCs治理技術(shù)有吸附、冷凝、吸收、膜分離等回收技術(shù)，以及燃燒、生物、低溫等離子體、紫外光催化氧化等消除技術(shù)[7～12]，以及根據(jù)廢氣特點采取組合技術(shù)。近年來，對于大風(fēng)量、低濃度有機廢氣，治理的主流技術(shù)有“RTO(蓄熱式熱氧化)技術(shù)”“沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮-RTO技術(shù)”“活性炭吸附-氮氣脫附冷凝溶劑回收技術(shù)”和“吸附濃縮-CO(催化氧化)技術(shù)”[13～17]，廣泛運用于汽車涂裝廢氣[18]、家具廠噴漆廢氣[19]、包裝印刷廢氣[9-10,20]、涂料生產(chǎn)廢氣[21]等的治理。

企業(yè)在選擇VOCs治理技術(shù)時，必須兼顧技術(shù)可行性和經(jīng)濟適宜性，昂貴的投資和較高的運行費用對于很多企業(yè)來說難以承受。涂料生產(chǎn)廢氣是典型的大風(fēng)量、低濃度有機廢氣，因此，本文以非連續(xù)生產(chǎn)的某涂料生產(chǎn)企業(yè)為例，比較幾種可行技術(shù)方案的經(jīng)濟性，為優(yōu)化VOCs治理方案提供參考。

1 VOCs治理技術(shù)經(jīng)濟性分析

1.1 各技術(shù)工藝簡介

1.1.1 RTO技術(shù)

RTO是一種配有蓄熱床層的熱力燃燒治理技術(shù)，蓄熱燃燒系統(tǒng)主要由燃燒裝置、蓄熱室(內(nèi)有蓄熱體)、換向系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)和連接管道等組成(見圖1)，其工作原理為：將有機廢氣加熱至750℃以上，使廢氣中的有機物氧化分解成CO2和H2O，氧化反應(yīng)產(chǎn)生的高溫氣體流經(jīng)蓄熱體，使蓄熱體升溫而“蓄熱”，進而用于預(yù)熱后續(xù)進入的有機廢氣而“放熱”，從而節(jié)省廢氣升溫所消耗的燃料量，蓄熱體“放熱”后立即引入適量潔凈空氣進行清掃，待清掃完成后才能進入“蓄熱”程序。三室RTO是目前主流的應(yīng)用裝置，蓄熱體分為三個室，每個室依次經(jīng)歷“蓄熱—放熱—清掃”等程序，如此反復(fù)[22]。由于蓄熱系統(tǒng)的熱回收效率很高，該技術(shù)可對具有一定濃度的連續(xù)排放的有機氣體進行高效且較經(jīng)濟的處理。

圖1 三室RTO工藝流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of RTO with three Chambers

1.1.2 催化氧化技術(shù)

催化氧化系通過催化劑的作用減低揮發(fā)性有機物的氧化反應(yīng)所需的溫度，與直接燃燒相比，由于燃燒溫度較低，對設(shè)備材料和保溫的要求相應(yīng)減低，同時排氣溫度通常也低于直接燃燒，達到一定的節(jié)能效果，總體占地面積小，風(fēng)量不大時投資相對較小。催化氧化工藝流程見圖2，催化工藝在選擇催化劑時需要全面考慮來氣的情況，確保催化劑在使用過程中不出現(xiàn)失活現(xiàn)象才能達到設(shè)計的性能和催化劑使用壽命。由于采用的是間壁式換熱裝置，其熱回收率要大大低于RTO。

圖2 催化氧化工藝流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of catalytic oxidation process(CO)

1.1.3 沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮-RTO(或CO)技術(shù)

該技術(shù)是沸石轉(zhuǎn)輪吸附同RTO(或CO)技術(shù)的組合工藝，系統(tǒng)主要由粉塵過濾器、沸石轉(zhuǎn)輪濃縮吸附裝置、RTO(或CO)、風(fēng)機、換熱器、PLC自動化控制系統(tǒng)等組成(見圖3)。該組合技術(shù)通過沸石轉(zhuǎn)輪的吸附濃縮使大風(fēng)量、低濃度有機廢氣濃縮為較小風(fēng)量的高濃度氣體，高濃度氣體再經(jīng)RTO或CO高溫氧化分解為CO2和H2O。轉(zhuǎn)輪的工作原理為：轉(zhuǎn)輪以一定轉(zhuǎn)速連續(xù)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)過吸附區(qū)、脫附區(qū)和冷卻區(qū)，有機廢氣在吸附區(qū)被吸附凈化，吸附在轉(zhuǎn)輪中的有機物在脫附區(qū)被熱風(fēng)脫附濃縮后進入RTO或CO，脫附后的轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)到冷卻區(qū)被冷卻，再旋轉(zhuǎn)至吸附區(qū)，持續(xù)吸附VOCs廢氣，周而復(fù)始，連續(xù)工作[20]。

圖3 沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮-RTO(或CO)技術(shù)工藝流程示意圖Fig.3 Schematic diagram of zeolite concentrator & RTO (or CO) process

1.1.4 活性炭吸附-氮氣脫附冷凝溶劑回收技術(shù)

該技術(shù)是活性炭吸附與冷凝的組合工藝，系統(tǒng)主要由粉塵過濾器、顆?；钚蕴课窖b置、氮氣脫附系統(tǒng)、風(fēng)機、冷凝系統(tǒng)、PLC自動化控制系統(tǒng)等組成(見圖4)。該組合技術(shù)通過活性炭吸附-高溫氮氣脫附使大風(fēng)量、低濃度有機廢氣濃縮為高濃度氣體，高濃度氣體再經(jīng)冷凝系統(tǒng)冷凝成溶劑并回收[23]。脫附再生后的活性炭再繼續(xù)用于VOCs廢氣的吸附。

圖4 活性炭吸附-氮氣脫附冷凝溶劑回收技術(shù)工藝流程示意圖Fig.4 Schematic diagram of activated carbon adsorption & desorption with nitrogen & condensation solvent recovery process

1.2 案例的技術(shù)經(jīng)濟性分析比較

根據(jù)某涂料生產(chǎn)企業(yè)廢氣的排放情況，采用以上主流工藝設(shè)計若干可行的技術(shù)方案，并通過各技術(shù)方案的投資和運行費用等分析比較，從技術(shù)經(jīng)濟性角度進行方案優(yōu)選。

樣本企業(yè)VOCs廢氣情況：廢氣排口有5個，每個風(fēng)量25 000m3/h，分布在廠區(qū)內(nèi)相距較遠的三個車間，車間排口數(shù)分別為2個、2個、1個，由于涂料生產(chǎn)的特點，排放VOCs氣體的濃度不穩(wěn)定，約100～400mg/m3。該企業(yè)每周生產(chǎn)5d，每天生產(chǎn)8h，VOCs廢氣具有大風(fēng)量、低濃度、非連續(xù)穩(wěn)定排放的特點。

結(jié)合廢氣污染源的情況，設(shè)計了7種備選方案，如下：

方案A 配置5套處理能力25 000m3/h的RTO；

方案B 配置5套處理能力25 000m3/h的轉(zhuǎn)輪濃縮加3 000m3/h的RTO；

方案C 配置2套處理能力50 000m3/h的轉(zhuǎn)輪濃縮加5 000m3/h的RTO，1套處理能力25 000m3/h的轉(zhuǎn)輪濃縮加3 000m3/h的RTO；

方案D 配置5套處理能力25 000m3/h的活性炭吸附-氮氣脫附冷凝溶劑回收裝置；

方案E 配置2套處理能力50 000m3/h的活性炭吸附-氮氣脫附冷凝溶劑回收裝置，1套處理能力25 000m3/h的活性炭吸附-氮氣脫附冷凝溶劑回收裝置；

方案F配置5套處理能力25 000m3/h的轉(zhuǎn)輪濃縮加3 000m3/h的CO；

方案G 配置2套處理能力50 000m3/h的轉(zhuǎn)輪濃縮加5 000m3/h的CO，1套處理能力25 000m3/h的轉(zhuǎn)輪濃縮加3 000m3/h的CO。

考慮到生產(chǎn)為非連續(xù)性，按每天排放8h，平均排氣濃度250mg/m3考慮。方案A、B、C中的RTO每天啟爐一次。方案B、C中的轉(zhuǎn)輪濃縮加RTO系統(tǒng)正常運行時，由于增濃后的氣體濃度達到RTO自持氧化濃度范圍，不考慮濃縮后氣體的RTO輔助燃料費用，僅考慮轉(zhuǎn)輪濃縮的加熱附加燃料費用。由于風(fēng)量大濃度低且間歇運行，方案D、E按每5d保護作用時間的吸附容量設(shè)計，每套系統(tǒng)配備由兩臺并聯(lián)吸附床構(gòu)成的可就地再生吸附凈化系統(tǒng)，生產(chǎn)擴產(chǎn)時可實現(xiàn)連續(xù)運行。方案F、G的CO也是每天啟爐一次，但需要補充一定量的燃料以維持CO的正常運行。

對于RTO系統(tǒng)，其直接運行費用包括風(fēng)機及輔助系統(tǒng)的電費、輔助燃料費(包括啟動加熱和進氣濃度不高時的輔助加熱)和運行維護人員費用。對于風(fēng)量25 000m3/h 的RTO，其裝機功率按55 kW計，進氣濃度按平均250mg/m3考慮；對于5 000 m3/h的RTO，其裝機功率按22kW計，不考慮輔助燃料消耗；對于3 000m3/h的RTO的功率按12kW計，也不考慮輔助燃料消耗?？紤]到RTO系統(tǒng)每天的啟動加熱操作，每天運行按10h計。由于是非連續(xù)運行，每臺RTO均考慮每天啟動烘爐的燃氣消耗，烘爐燃氣量參照RTO的供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)估算。

對于25 000m3/h轉(zhuǎn)輪濃縮系統(tǒng)，兼顧3級預(yù)處理過濾的阻力及再生氣體的動力等，主風(fēng)機、輔助風(fēng)機等功率按20kW計；50 000m3/h轉(zhuǎn)輪濃縮系統(tǒng)，按35kW計，由于進氣濃度較低，均考慮了脫附加熱所需的燃氣消耗。

25 000m3/h活性炭吸附系統(tǒng)的吸附風(fēng)機功率按22kW計，每天按8h運行時間計，再生系統(tǒng)裝機功率75kW(含制冷系統(tǒng))。方案D按平均每天再生一套、每次再生5h設(shè)計，再生過程采用的高溫氮氣用蒸汽加熱，再生耗蒸汽量每次按1.5t計。方案E為2套50 000m3/h和1套25 000m3/h的活性炭吸附加氮氣脫附裝置，3套系統(tǒng)每周各再生1次，費用平均到5d得到日運行費用。

對于CO系統(tǒng)，其直接運行費用包括風(fēng)機及輔助系統(tǒng)的電費、輔助燃料費(包括啟動加熱和輔助加熱)，催化劑運行20 000h后的更換費用和運行維護人員費用。對于5 000 m3/h的CO，其裝機功率按5.5kW計，輔助燃料消耗按進出口溫差140℃計；對于3 000m3/h的CO的功率按4kW計，輔助燃料消耗按進出口溫差140℃計?？紤]到CO系統(tǒng)每天的啟動加熱操作，每天運行按8.5h計。由于是非連續(xù)運行，每臺CO均考慮每天啟動烘爐的燃氣消耗，烘爐燃氣量按將催化床加熱到300℃時的熱量平衡數(shù)據(jù)估算。

由于RTO、轉(zhuǎn)輪濃縮加RTO以及轉(zhuǎn)輪濃縮加CO涉及的熱氧化系統(tǒng)套數(shù)多，且需要每天啟動時加熱爐體，工作時間較長，需3～4人運行。再生式活性炭系統(tǒng)，為全自動運行，盡管再生時需要值守，方案D、E因采用的是就地再生，只需配備1人即可操作運行。電費按0.8元/kW·h計，天然氣按3.5元/m3計，蒸汽按0.3元/kg計，人員費用按300元/d計。

基于以上方案及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可得到不同方案的運行費用(表1)。表1中系統(tǒng)的投資費用由于涉及到技術(shù)專利、材質(zhì)、設(shè)備及自控元器件等配置的差異，結(jié)合供應(yīng)商的詢價，給出了大致的價格區(qū)間。

表1 不同方案的直接運行費用和投資費用情況Tab.1 Direct operation and investment costs of different schemes

在表1投資費用基礎(chǔ)上取中間值，并按10年使用壽命，5%的利率及每年工作250d，平均設(shè)計濃度250mg/m3，回收率90%等條件計算出的年度直接費用、間接費用和年度總費用情況如表2所示。其中活性炭方案D、E分別給出了回收液回用(D1、E1)和作為危廢處置(D2、E2)兩種情況的費用，回收液可用價格取5 000元/t，危廢處理費按8 000元/t計。

表2 不同方案的年度費用情況Tab.2 Total annual cost of different schemes (萬元/a)

方案A對于低濃度且非連續(xù)排放的氣體采用RTO工藝，一方面RTO的氣流阻力較大，濃度低時需要添加輔助燃料，同時間歇運行，每天均需要進行啟動升溫，總體上非常不經(jīng)濟。

方案B采用沸石轉(zhuǎn)輪濃縮加RTO的方式，由于濃縮系統(tǒng)的流體阻力較小，故有效地減少了主體氣流的阻力，同時濃縮后的氣體再進行熱氧化減少了熱氧化的輔助燃料需求，但每天的啟爐和轉(zhuǎn)輪的熱再生需要消耗一定的動力能源。

方案C系根據(jù)樣本企業(yè)的實際情況進行的優(yōu)化，通過合并系統(tǒng)的規(guī)模效應(yīng)提高了技術(shù)經(jīng)濟性。

方案D配置活性炭吸附氮氣保護脫附系統(tǒng)，因吸附凈化阻力不大，總體運行成本最低，由于活性炭系統(tǒng)的吸附能力，與熱氧化系統(tǒng)相比更加適用于非連續(xù)排放過程，但因工藝復(fù)雜及安全配置的因素，投資費用不低。該系統(tǒng)主要用于溶劑回收，進口氣體濃度高時，技術(shù)經(jīng)濟性更佳。對于樣本企業(yè)，回收的溶劑可用于低端產(chǎn)品制造。因此D1方案情景總體年度費用較熱氧化方案具有優(yōu)勢。如表2所示，如果回收液無法利用，則還需要考慮將收集液體作為危廢的處置的運行費用，如D2方案情景所示，活性炭吸附氮氣保護脫附系統(tǒng)的運行費用要超過濃縮熱氧化系統(tǒng)。

方案E為方案D根據(jù)企業(yè)情況的優(yōu)化版，通過合并系統(tǒng)的規(guī)模效應(yīng)提高了總體的技術(shù)經(jīng)濟性。方案E1情景在所有方案情景中總年度費用最低。

方案F 為沸石轉(zhuǎn)輪濃縮加CO的方式，與方案B相比，由于CO床層阻力較RTO要小，所以總體電耗減低，但由于通常情況下催化燃燒的熱回收率要遠低于RTO，所以需要添加一部分輔助燃料，因此總體動力費用差距不大。但考慮到催化劑的更換費用，總體直接運行費用要高于RTO。CO系統(tǒng)在小風(fēng)量情況下的投資要小于RTO，因此總年度費用總體較低。但使用CO設(shè)備時，在控制催化劑失活保證系統(tǒng)性能穩(wěn)定性方面需要特別注意。

方案G為方案F根據(jù)企業(yè)情況的優(yōu)化版，通過合并系統(tǒng)的規(guī)模效應(yīng)提高了總體的技術(shù)經(jīng)濟性。

從表2可知，對于樣本企業(yè)，“RTO技術(shù)”投資和運行費用最高，在回收液可以回用于生產(chǎn)時，“沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮-RTO技術(shù)”及“沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮-CO技術(shù)”投資和運行費用也明顯高于“活性炭吸附-氮氣脫附冷凝溶劑回收技術(shù)”。所以，就樣本企業(yè)的情況而言，從經(jīng)濟性角度，優(yōu)先采用“活性炭吸附-氮氣脫附冷凝溶劑回收技術(shù)”，且方案E優(yōu)于方案D。

2 治理模式改進

2.1 “分散收集，集中處理”模式

根據(jù)前述技術(shù)經(jīng)濟性分析，選用“活性炭吸附-氮氣脫附冷凝溶劑回收技術(shù)”對樣本企業(yè)廢氣進行治理。

考慮到間歇排放且VOCs排放負荷較低，為了進一步減少投資，同濟大學(xué)提出“分散收集，集中處理”的區(qū)域范圍VOCs減排控制模式，即方案H，配置7套(5用2備)處理能力25 000m3/h移動式活性炭吸附裝置和1套活性炭裝置再生中心，該方案中“分散收集”指采用5個移動式活性炭吸附裝置分別對5個排口VOCs廢氣進行吸附凈化，當(dāng)吸附一段時間后，在線監(jiān)控設(shè)施顯示排口VOCs濃度接近60%～80%的排放限值時，將移動式活性炭吸附裝置運送到廠內(nèi)集中建設(shè)的一套“氮氣脫附冷凝溶劑回收系統(tǒng)”的活性炭裝置再生中心進行脫附再生，同時排口處更換一個再生過的移動式活性炭吸附裝置。

方案H和方案D規(guī)模和再生頻次相似，只是方案H需要進行吸附器的移動，活性炭吸附系統(tǒng)排氣點處為吸附過程，無需人員運行看管。系統(tǒng)運行時，每天的主要工作為1臺吸附裝置的更換移動及再生中心5h的再生，系統(tǒng)的運行和維護按2人計。方案H的年度費用情況見表3，投資費用在500～700萬元之間，盡管人工費用有所增加，但總體年度費用仍然明顯低于方案D、E。

表3 方案H的年度費用情況Tab.3 Total annual cost of scheme H (萬元/a)

注：*為H1為回收液可回用，H2為回收液需作危廢處理。

方案H主要針對間歇生產(chǎn)的特點，采用可移動式活性炭吸附裝置加集中再生的模式進一步提高了技術(shù)經(jīng)濟性。由于生產(chǎn)裝置運行前不需要特別提前對環(huán)保裝置進行預(yù)熱，集中再生可有效提高再生裝置的使用效率，特別適合于大風(fēng)量、低濃度非連續(xù)排放的污染源的控制。該模式突破了常見的活性炭吸附-脫附一體化就地處理的模式，大大減少了建設(shè)造價。

該治理模式控制的關(guān)鍵是對廢氣排口VOCs濃度進行實時監(jiān)控，樣本企業(yè)采用較經(jīng)濟且維護較簡單、便捷，使用相對安全的光離子氣體檢測儀(PID)進行內(nèi)控監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)可以在手機應(yīng)用程序上實時查看，一旦數(shù)據(jù)達到設(shè)定的監(jiān)控上限值時，就更換移動式活性炭吸附裝置。

2.2 實際運行效果說明

方案H實施后，為了驗證該治理工藝的治理效果，樣本企業(yè)委托第三方對5個廢氣排口進行了監(jiān)測，移動式活性炭吸附裝置進出口非甲烷總烴的監(jiān)測結(jié)果見表4，結(jié)果顯示廢氣經(jīng)治理后5個排口非甲烷總烴均能達標排放，且在一定條件下，非甲烷總烴的去除效率能達90%以上。

方案H實施后，樣本企業(yè)的實際投資和運行費用與方案H預(yù)期相差不大(見表4)，由于樣本企業(yè)實際生產(chǎn)負荷低，產(chǎn)生的廢氣濃度低，且非連續(xù)穩(wěn)定排放，日回收溶劑量為86.2 kg，回收溶劑用于低端產(chǎn)品生產(chǎn)，可產(chǎn)生431元/d的經(jīng)濟效益(見表5)。

表4 廢氣排口非甲烷總烴監(jiān)測結(jié)果Tab.4 Monitoring results of non-methane hydrocarbons at exhaust outlet

注：樣本企業(yè)非甲烷總烴執(zhí)行的排放限值為排放濃度50mg/m3，排放速率0.2kg/h。

表5 實際投資和運行費用情況Tab.5 Actual investment and operation expenses

2.3 移動式治理模式的應(yīng)用前景

活性炭吸附技術(shù)是簡單易行的治理技術(shù)，是一些分散的諸如噴涂、印刷、化工等小型企業(yè)首選的治理技術(shù)。但單個企業(yè)建設(shè)相應(yīng)的活性炭再生系統(tǒng)費用高，小企業(yè)往往難以承擔(dān)。如果采用更換活性炭的方式，新活性炭購買和廢活性炭作為危廢處置的費用均很高。因此，要減輕單個企業(yè)的治理費用，可采用移動式治理模式，將吸附飽和的活性炭，送到統(tǒng)一建設(shè)的活性炭異位(地)再生平臺進行再生，大大減少單個企業(yè)的投資費用[16]。也可采用“吸附-移動脫附”的VOCs凈化技術(shù)[24]，廢氣收集后經(jīng)多級過濾裝置去除漆霧、顆粒物，再經(jīng)分子篩吸附床吸附后達標排放。吸附床吸附飽和后由移動式解吸裝置原位脫附，脫附出的VOCs 經(jīng)催化燃燒裝置凈化處理。

總之，無論是異位脫附還是原位脫附的移動式治理模式，都是打破傳統(tǒng)的吸附-脫附一體化模式，優(yōu)化吸附劑再生方式，具有更好的經(jīng)濟性，尤其適用于非連續(xù)排放的廢氣。

3 結(jié) 論

3.1 對于大風(fēng)量、低濃度有機廢氣，在幾種主流治理技術(shù)中，當(dāng)回收液具有利用價值時，“活性炭吸附-氮氣脫附冷凝溶劑回收技術(shù)”相較“RTO”“沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮-RTO技術(shù)” 及“沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮-CO技術(shù)”的經(jīng)濟性更優(yōu)；而回收液需作為危廢處置時，“沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮-CO技術(shù)”更具經(jīng)濟性，但必須考慮來氣的情況，選擇合適的催化劑，確保系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

3.2 對于非連續(xù)排放的廢氣，“分散收集，集中處理”的治理模式有利于降低VOCs治理裝置投資成本，具有很好的經(jīng)濟性。