有機廢氣的處理技術

有機廢氣的處理技術
化工一班
 大氣污染是我國目前最突出的環境問題之一,其污染物的主要來源是工業廢氣，而工業廢氣中絕大多數又是有機污染物。可見治理有機廢氣是大氣污染治理中極為重要的一部分。
有機廢氣的來源及危害
1．有機廢氣的來源
 工業生產中會產生各種有機物廢氣,主要包括各種烴類、醇類、醛類、酸類、酮類和胺類等。這些廢氣的來源十分廣泛，其中一些主要行業所排放的有機廢氣如表一所示。
 表一  主要行業所排放的有機廢氣
行業 排放氣體
化學行業  石化、有機合成反應設備排氣
印刷行業  印墨中有機溶劑、造紙設備的排氣
機械行業  機械噴漆、金屬制品產生的氣味
汽車行業  汽車的噴漆、干燥爐鑄件生產設備排氣
塑料/木材工業  塑料、膠合板、粘合劑、制造設備排氣
電子工業  松香、半導體制造設備排氣
食品/其它  食品加工設備、廚房排氣
 2．有機廢氣的危害
 在許多化工生產中,有機廢氣的排放一直是一個很突出的問題，絕大多數有機廢氣對人體的健康都有害。如有機廢氣通過呼吸道和皮膚進入人體后,能給人的呼吸、血液、肝臟等系統和器官造成暫時性和永久性病變,尤其是苯并芘類多環芳烴能使人體直接致癌,危害人體健康。
 有機廢氣還會造成嚴重的大氣污染。一些有機物進入大氣后，在一定條件下形成光化學煙霧，造成二次污染；一些有機物進入平流層后，在紫外線的照射下與臭氧發生光化學反應，造成臭氧層空洞；一些有機物具有惡臭污染和有害氣體的兩重性；還有一些有機物會引起溫室效應。
 此外，有機廢氣的排放還會造成資源的浪費，加大生產成本。
有機廢氣的排放標準
 我國的有機廢氣污染現狀不容樂觀，蘭州和上海等地的某些大型石化工業區就曾出現過光化學煙霧現象，南京城區也出現了大規模的惡臭污染，且類似的案例越來越多。
 因此，我國對有機污染物的排放和防治作了相關的法律規定，幾年來相繼頒布了《工業企業設計衛生標準》、《惡臭污染物排放標準》、《大氣污染物綜合排放標準》 及《中華人民共和國大氣污染防治法》等，這使得有機污染物的排放監督管理和控制逐步走向有序化。
有機廢氣的治理方法概述
 總的來說,有機廢氣的處理方法主要有兩類：一類是回收法。回收法是通過物理方法，在一定溫度、壓力下，用選擇性吸附劑和選擇性滲透膜等方法來分離揮發性有機化合物(VOCs)，主要包括活性碳吸附法、變壓吸附法、冷凝法和生物膜法等；另一類是消除法。消除法是通過化學或生物反應，用光、熱、催化劑和微生物等將有機物轉化為水和二氧化碳，主要包括熱氧化法、催化燃燒法、生物氧化法、電暈法、等離子體分解法、光分解法等。
 三、有機廢氣傳統處理方法介紹
 1．活性碳吸附法
 活性炭經過特殊的工藝處理后，能產生豐富的微孔結構，這些人眼看不到的微孔能夠依靠分子力，吸附各種有害的氣體和液體分子，從而達到凈化的目的。
 活性炭吸附過程包括吸附凈化和熱脫再生。吸附凈化過程是將有機廢氣由排氣風機送入吸附床，有機廢氣在吸附床被吸附劑吸附而使氣體得到凈化，凈化后的氣體排向大氣即完成凈化過程。當吸附床內吸附劑所吸附的有機物達到允許的吸附量時，該吸附床已經不能再進行吸附操作，需要脫附再生。脫附再生即用來自催化的熱空氣吹掃吸附劑，使吸附的有機物脫附出來，達到使吸附劑的吸附能力再生的目的。
 活性碳吸附法適用于大風量、低濃度、溫度不高的有機廢氣治理。此法工藝成熟，效果可靠，易于回收有機溶劑，因此被廣泛地應用于化工、噴漆、印刷、輕工等行業的有機廢氣治理，尤其是對苯類、酮類的處理。但它也存在不耐高溫、在濕潤的條件下不能保持良好吸附能力和易燃等缺點。沸石作為一種很好的替代吸附劑，已被逐步開發應用。
 2．催化燃燒法
 有機氣體中的碳氫化合物在較低的溫度下(250～300 ℃)，通過催化劑的作用，能被氧化分解成水和二氧化碳等無害氣體并釋放熱量。在催化燃燒過程中，由于燃燒反應溫度低，不易生成高溫下的二次污染物如二惡英、氮氧化物等，并由于燃燒完全，不會產生CO和剩余可燃氣體，而且脫除污染物效率高，還可以回收熱量節約能源。
 此處理方法的關鍵問題是開發與研制一種起燃點低、催化活性高、穩定和價廉的催化劑。用浸漬法研制的過渡金屬及其氧化物系列的燃燒催化劑效果就較好。另外，新近研發的納米粒子催化劑由于具有比表面積大、活性點多、選擇性高等特點，正被逐步開發應用。
 催化燃燒是一種處理有機氣體的有效方法，特別適于處理量大、氣體濃度較低時苯類、醛類、酮類、醇類等各類有機廢氣的處理。
 3．吸附濃縮+ 催化燃燒法
 在以上兩種方法的基礎上，還產生了結合處理的工藝技術，即采用活性炭吸附濃縮、熱空氣脫附和催化燃燒三種組合工藝凈化有機廢氣。工藝流程圖如圖1 所示。
 
圖1  組合凈化流程示意圖
 1-過濾阻火器;2-氣流分布器;3-吸附床;4-熱風機;5-換熱器
 6-預熱室;7-催化床;8-集氣器;9-排風機
 有機廢氣經預處理除去粉塵和其它催化劑毒物后，由風機送入預熱器預熱至起燃溫度以上，再進入催化床反應。此工藝中吸附床選用目前國內外公認的先進的活性炭纖維作吸附材料，其材料具有吸附效率高、吸脫附時間快、使用壽命長的特點，凈化效率達90%以上；催化床選用性能優良的蜂窩陶瓷貴金屬催化劑，凈化效率達95 %以上；另外先進的自動控制系統實現了系統內吸附、脫附、熱平衡、催化反應的連續運行。凈化系統設計合理、結構緊湊、高效。與前兩種有機廢氣凈化系統相比，設備投資和運行能耗明顯降低，適用于大風量、低濃度的苯類、酮類、醛類、醇類等多種有機廢氣治理。
 四、有機廢氣新處理技術介紹
 隨著科學技術的進步和發展，除上述傳統處理工藝技術外，一些新的技術正逐步被開發應用，為有機廢氣的治理提供了更廣闊的途徑。
 1．變壓吸附分離與凈化的技術
 該技術是利用氣體組分在固體吸附材料上吸附特性的差異，通過周期性的壓力變化過程實現氣體的分離與凈化，是一種物理吸附法。該方法采用沸石分子篩作為吸附劑(吸附容量大、吸附選擇性強)，在常溫及一定壓力條件下，有機廢氣被沸石分子篩吸附，吸附有機廢氣以后的吸附劑通過降壓抽真空解吸有機物，使吸附劑再生，再生后的吸附劑可以重新吸附有機廢氣，以此循環往復。生產過程中采用4個相同的吸附塔在一臺計算機的控制下,通過調節閥變向，不斷改變氣流的流向，改變各塔的工作階段，來實現各塔的吸附與再生交替進行。 工藝流程如圖2所示。

 圖2  變壓吸附凈化流程示意圖
 變壓吸附分離與凈化的技術（PSA）是近幾十年來在工業上新崛起的氣體分離技術，具有能耗低、投資少、流程簡單、工藝周期短、自動化程度高、設備適應性強、吸附劑使用周期長、產品純度高、無環境污染等諸多優點，是各種氣體分離與回收的較理想的方法，極富有市場競爭力，在不久的將來將會在工業上迅速推廣。
 2．光催化降解技術
 該技術是通過光催化氧化反應凈化消除揮發性有機氣體。所謂光催化氧化反應，就是用特定波長的光照射納米TiO2半導體材料，激發出“電子—空穴”對(一種高能粒子)，這種“電子—空穴”對和周圍的水、氧氣發生反應后，生成具有極強氧化能力的自由基活性物質，可將氣體中的甲醛、苯、氨氣、硫化氫等有害污染物氧化分解成CO2和H2O等無毒無味的物質。
 光催化降解有機污染物比較完全，且不存在吸附飽和及二次污染問題。因此，該技術被認為是具有廣闊應用前景的新凈化技術。可以用來處理含有烯烴、醛、脂肪酸、甲基酮、芳香族化合物的有機廢氣。該工程工藝設計以光催化氧化單元為中心，用防水防油的布袋除塵器對廢氣進行預處理，光源是紫外線殺菌燈，催化劑是納米TiO2。工藝流程圖如圖3所示。

 圖3  光催化降解流程示意圖
 3．膜技術
 膜分離是指用人工合成或天然的膜材料為隔障，來分離混合氣體或液體的過程。該法是一種新的高效分離方法。用膜分離法可回收的有機物包括脂肪族和芳香族化合物、鹵代烴、醛、酮、腈、酚、醇、胺、酯等。該法最適合處理有機物濃度較高的廢氣、回收效率可以達到97 %以上。工藝流程如圖4 所示。

圖4  膜分離回收流程示意圖
 有機廢氣經壓縮機壓縮后進入冷凝器中冷凝，冷凝下來的有機物可以回收，余下未冷凝的部分通過膜分離單元分成兩股，一部分回流至壓縮機，另一部分直接從系統中排出。為保證滲透過程的進行，膜的進料側壓力需高于滲透后氣流的側壓力。
 4．生物技術
生物控制法是近年來發展起來的空氣污染控制技術，其實質就是在適宜的環境條件下，附著在濾料介質中的微生物利用廢氣中的有機成分作為碳源和能源，維持生命活動，并將有機物分解成為CO2和H2O的過程。有機氮被轉化為氨氣，繼而轉化為硝酸；硫化物先轉化為硫化氫，繼而氧化為硫酸。除含氯較多的有機物分子難以降解外，一般的氣態污染物在生物過濾器中的降解速度為10～100g/m3·h。生物過濾器對揮發性有機物的去除率可達95% ，對惡臭物質達99%。用于凈化有機廢氣的生物膜處理裝置有生物濾池、生物滴濾池和生物洗滌塔三種形式。
 生物降解法廣泛應用于有機物廢氣處理中,與常規的處理法相比,具有設備簡單,運行費用較低,二次污染較少、有機物去除率高（90%以上）、處理氣體多樣化(如烷烴類、醛類、醇類、酮類、羧酸類、酯類、醚類、烯烴類、多環芳烴類、鹵素類化合物)等優點。生物處理技術在歐洲及美國已得到廣泛的應用,技術較為成熟。而目前我國這方面的研究不多,技術的應用也比較少。但是,隨著人們對生物法凈化有機廢氣這一經濟有效的處理工藝認識的加深,生物降解法在我國的有機物處理中將會逐步地更新與發展。

 對于有機氣體的凈化處理,無論是廣泛采用的傳統處理方法,還是新開發的處理技術,由于其適用范圍、去除性能、投資運行費用等多方面因素,皆制約了單元處理技術的應用。目前,除了推廣有機物的單元處理工藝外,重點開發不同單元處理工藝的組合技術,以達到提高去除效率,降低投資運行費用,減少二次污染的目的。隨著有機產品的大量使用,有機物污染已引起世界的高度重視,控制這類污染已成為各國的一項義不容辭且刻不容緩的任務。我國是一個發展中國家,面臨經濟發展和環境保護的雙重任務。為促使經濟、社會、環境的協調發展,開發經濟有效的有機物的凈化處理技術已成為我國解決有機污染的重要課題。在目前已經開發應用的處理技術中,吸附濃縮+ 催化燃燒組合法以及PSA 法更適合我國國情,在國內有機廢氣治理領域更具發展前途。