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防止大气污染的挥发性有机化合物（VOCs）处理技术

全伟力罔野浩志篠原修二古木啓明山田健一郎

（株式会社西部技研）

摘要众所周知，要从根本上防止大气污染，不仅要限制VOCs污染空气的排放浓度，还要限制其排放总量。因此，不仅要着眼于高浓度VOCs污染空气的净化处理。对于大风量、低浓度的VOCs污染空气也应该采取有效治理对策。本文介绍的吸附转轮浓缩分离+燃烧氧化分解法，适用于工业生产过程排放的大风量、低浓度的VOCs污染空气处理过程，具有净化效率高、投资少、能耗低、运行成本低等优点。

关键词VOCs污染空气PM2.5空气净化吸附分离蜂窝转轮

一、引言

近年，以北京为中心的中国北方地区，由于空气中颗粒物质PM(ParticulateMatter/颗粒物质）浓度过高而引发的雾霾天气频繁出现。PM中尤其是直径小于2.5μm的可吸入颗粒物，细颗粒物PM2.5具有较强的穿透力，可能抵达细支气管壁，并干扰肺内的气体交换，对人体健康的危害更大。

PM2.5来源广泛、成因复杂。一般可分为有自然源和人为源两种。自然源包括土壤扬尘、海盐、植物花粉、火山灰等。人为源包括如发电、冶金、石油、化学、纺织印染等各种工业过程、供热、烹调过程中燃煤与燃气或燃油燃烧排放的烟尘，及其各类交通工具在运行过程中使用燃料时向大气中排放的尾气。

除自然源和人为源之外，喷涂喷漆装修、化工厂、印刷行业等排放的挥发性有机物VOCs(VolatileOrganicCompounds)等大气中的气体污染物会通过大气光化学反应生成二次颗粒物，造成空气污染。日本在防止空气污染方面，经历了当初只是针对汽车尾气、火力发电厂、工业锅炉的排烟排放，制定排放标准和相关法规进行管理的过程。虽然被管理的行业取得了一定的成果，但是大气综合质量却没有明显改善的过程。最后在年对于大气污染防治法进行了修订，制定5年计划对VOCs的总排放量进行削减管理，终于使大气质量有了明显改善。

光化学烟雾又称“光化学污染(photochemicalpollution)”。是指大气中因光化学反应而形成的有害混合烟雾。如大气中碳氢化合物(VOCs)和氮氧化合物(NOX)在阳光（特别是紫外光）的作用下发生化学反应所产生的光化学氧物化、PM等污染物。要彻底防止光化学污染物发生，除了要对汽车尾气、燃煤排烟、火力发电厂锅炉排烟制定严格排放标准、加强管理外，还要对各个生产行业的VOCs排放量削减采取强有力的措施。

光化学氧化物主要包括：醛，PAN(Peroxyacylnitrates/过氧乙酰硝酸酯），臭氧等有害物质，其对人体的危害性远远高于其成因物质VOCs。而光化学烟雾中的颗粒物质PM主要是工厂等污染源排放到大气中的挥发性有机物VOCs在紫外光的作用下发生反应生成新的物质。生成物发生聚合、凝聚而产生。虽然空气中的硫氧化物(SOx)及氮氧化物(NOx）也是PM形成的一个因素，但是由于臭氧参与了此类反应。可以认为VOCs才是这些由无机物而产生的PM的原因之一（如图1所示）。

本项研究的课题是，对于通常净化处理方式无法高效处理的大风量、低浓度的VOCs污染空气，提供一种经济实用、高效节能的净化处理方法。

图1光化学污染发生机理示意图

二、VOCs污染空气净化方法及其特点

VOCs污染空气净化处理最简单的方法是采用活性炭等吸附剂充填塔对污染空气进行吸附分离。由于吸附塔中充填的吸附剂其吸附容量有限，需要两塔以上切换使用。该方法对于低浓度、污染空气风量较少的情况，或是浓度较高，但是污染空气量比较少的场合，具有投资、运行成本都较低的优点。但是，对于污染空气中VOCs浓度超过数十、或者数百ppm以上的中高浓度的场合，由于需要频繁更换吸附剂，造成运行成本过高。也就是说，吸附塔方式对于低浓度、高有害性污染空气，或者是有恶臭气味的污染空气，是一种较好的净化方法。但是，对于像工业生产过程排放的大风量、高浓度的VOCs污染空气的净化处理，吸附塔方式并非最佳选择。

在VOCs污染空气净化方法中，燃烧法（氧化分解法）也是一种系统构成简单，适用于多种VOCs污染空气方法。具有分解效率高、设备投资少等优点。采用燃烧氧化分解法处理VOCs污染空气时，如果污染空气浓度较高达到其自燃范围，可以用较少的运行成本对其进行无害化处理。但是，如果VOCs的浓度较低，达不到其自燃的浓度范围，就需要提供燃料对其进行燃烧处理。因此该方法处理低浓度VOCs污染空气时运行成本很高，成为企业经济负担。在没有强有力的法规及执法机制的情况下，一些企业就会不加处理直接排放到大气中。随着法律法规的强化，执法力度的加大，大风量、低浓度VOCs的无害化处理成为必须选择。但是，如果对于低浓度、大风量的VOCs污染空气直接采用燃烧氧化法进行处理，虽能减少VOCs的总排放量。但在增加企业经济负担同时，也会增加因为投入燃料燃烧而产生的CO2排放，加剧地球温暖化。

如上所述，要从根本上防止大气污染，不仅要限制VOCs污染空气的排放浓度，还要限制其排放总量。基于此观点，不仅要着眼于高浓度VOCs污染空气的净化处理。对于大风量低浓度的VOCs污染空气也应该采取有效治理对策。本文介绍的吸附分离浓缩＋燃烧氧化分解组合的方法，适用于工业生产过程排放的大风量低浓度的VOCs污染空气处理过程，在欧美及日本已经广为采用。该技术是解决减少VOCs排放总量与实现CO2减排的有效方法之一。

VOCs浓缩分离装置的基本构成如图2所示。系统由浓缩用吸附分离转轮及其驱动装置、带有密封构造的转轮箱体、由用于分割处理区、再生区的前后风室、再生加热器或热交换器、送风风机等构成。

VOCs分离浓缩装置的工作原理如图2所示。从工厂生产装置排出的含有VOCs的污染空气，由鼓风机送到吸附转轮的吸附区，污染空气在通过转轮蜂窝状通道时，所含VOCs成分被吸附剂所吸附、空气得到净化。达到排放标准的净化后空气被排放到大气中。由于吸附转轮在驱动马达的带动下处于缓慢旋转状态，接近吸附饱和状态的吸附转轮旋转进入到再生区，在与高温再生空气接触的过程中，VOCs被脱附下来进入到再生空气中，吸附转轮得到再生。再生后的吸附转轮经过冷却区冷却降温后，返回到吸附区，完成吸附／脱附／冷却的循环过程。通过冷却区的空气在冷却吸附转轮的同时，自身被加热温度上升到℃前后。该空气被送到再生加热器中加热到所需再生温度后作为再生空气使用。冷却空气不仅起到冷却吸附转轮的作用，也回收了热能。从而使该系统具有很高的节能效果。通常该系统再生空气的风量一般仅为处理风量的1/10~1/20,再生过程出口空气中VOCs浓度被提高到处理空气浓度的10~20倍。因此，该过程又被称为VOCs浓缩净化过程。

图2VOCs浓缩分离装置的基本构成

图3吸附浓缩分离＋氧化分解法系统流程示意图

如图3所示，浓缩后的含有VOCs的空气被送到燃烧装置中，燃烧分解为无害的CO2、水蒸气等排放到大气中。燃烧过程产生的燃烧热在排放到大气之前，经过热交器对进入燃烧装置的浓被导入到吸附转轮再生器作为再生空气的加热热源加以使用，从而降低整个系统的能耗，实现节能。由于采用该吸附浓缩装置，可以使需要燃烧氧化分解的VOCs污染空气的数量减少到原污染空气排放量的1/10~1/20。不仅可以使所需燃烧装置的大小降低到1/10以下。而且由于VOCs的浓度被提高了10~20倍，几乎达到其自燃的浓度范围，可以大幅度减少燃料消费量，降低运行成本。该VOCs浓缩净化燃烧装置的最大特点是：除送风风机之外，整个系统在接近零能耗的情况下实现了对VOCs污染空气进行净化处理。

四、疏水性分子筛及蜂窝状吸附转轮的最佳化

所谓疏水性分子筛是指通过提高分子筛中的Si/Al原子比，尽可能降低分子筛中氧化铝的比率，使其几乎不吸附水蒸气，而对VOCs具有较高的选择性吸附特性。VOCs吸附浓缩用转轮采用的疏水性分子筛主要是ZSM-5型、Y型等。分子筛对于VOCs的吸附特性取决于分子筛的结晶构造、微孔孔径、疏水化程度等因素。即使是相同结晶形态、相同硅／铝原子比的不同分子筛，其对VOCs的吸附特性也是不尽相同。本研究为了对比不同厂家生产的相同规格的疏水性分子筛的特性，分别采用不同厂家的分子筛试制了吸附转轮。通过对各种VOCs进行吸附分离浓缩试验，对其性能进行了评价。本项评价试验所采用的分子筛均为硅/铝比在以下的高硅分子筛。

蜂窝状VOCs吸附转轮的制造方法是：把加工成波纹形和平板形陶瓷纤维纸用无机粘合剂粘接在一起后卷成具有蜂窝状结构的转轮，并将疏水性分子筛浸渍涂层在蜂窝状通道的表面、并经烧结制成吸附转轮。因为吸附转轮中如果含有有机物成分，在对转轮进行加热再生时会有可能因为温度过高引起燃烧发生事故。所以在吸附转轮制造过程要对其进行烧结，使有机物成分全部发生氧化反应转化为无机物质。

试验用吸附转轮的尺寸为：直径cpmm、转轮厚度mm、蜂窝规格约cpsi(cell/inch2)。吸附转轮A、B、C、D、E分别是浸渍涂层了不同厂家的分子筛产品。浓缩后浓度倍率则根据所处理的VOCs种类、处理入门污染空气浓度、所要求的净化率而设定在3~20倍之间。评价试验条件，再生温度设定为℃、净化处理风速为2m/s。

图4所示为对甲苯(Toluene)污染空气进行吸附净化的试验结果。在转轮入门污染空气中甲苯浓度低于ppm的情况下，吸附转轮E具有最高的净化率，达到95%以上。当甲苯浓度高于ppm时，其净化率急剧降低。从试验结果可以看出：转轮入门甲苯浓度对于吸附转轮B、C、D的净化率影响很小。其中吸附转轮D在很宽的浓度范围内都具有较高的净化率。可以认为对于净化甲苯污染空气而言，吸附转轮D最为适合。

图4甲苯污染空气吸附净化试验结果

图5为对异丙醇(Isopropanol)污染空气吸附净化的实验结果。结果表明：对于异丙醇污染空气而言，吸附转轮A、C、D几乎具有相同的吸附性能。吸附转轮B的净化率最低，而且随着入口浓度增加急剧降低。而吸附转轮E则具有最高的净化率，而且净化率随着转轮入口污染空气中异丙醇浓度升高，变化较小。可见E是净化异丙醇污染空气的最好吸附转轮。

图5异丙醇(lsopropanol)污染空气吸附净化实验结果

图6所示为间二甲苯污染空气吸附净化试验结果。对于间二甲苯污染空气而言，吸附转轮D在很宽的浓度范围内都具有加高的净化率。吸附转轮E虽然在转轮入口污染空气中间二甲苯浓度低于ppm的条件下具有较高的净化率，但是当入口浓度超过ppm时，其净化率急剧下降。这一变化趋势与甲苯污染空气吸附净化时很相似。试验用的其他吸附转轮在入口浓度不超过ppm条件下净化率相差不大。

图6间二甲苯(m-xylene)污染空气吸附净化实验结果

图7所示为乙醇(Ethanol)污染空气吸附净化的实验结果。在转轮入口污染空气中乙醇浓度低于ppm的情况下，吸附转轮A具有最高的净化率。可是，当入口浓度超过ppm时，其净化率与吸附转轮E相比发生了逆转。吸附转轮E虽然在较宽的浓度范围内都具有加高的净化率，但其净化率也仅仅只有80%左右。可见，乙醇污染空气与其他VOCs污染空气相比，是较难分离净化的。与其他转轮相比，吸附转轮E被认为比较适用于乙醇污染空气的净化分离。

综合可见：对于不同种类的VOCs污染空气，不同入口浓度，各种吸附转轮的吸附分离性能有着明显差异。为此，我们对入口浓度为ppm、ppm的两种条件下的净化率的平均值进行了归纳。分别列于表1、表2中。由表1可见：在入口浓度ppm的条件下，综合性能最好的为E吸附转轮。其次为吸附转轮A、D、C的顺序，最差为B转轮。由表2可见：在入口浓度ppm的条件下，综合性能最好的为E吸附转轮。其次为吸附转轮D、A、C的顺序，最差仍为B转轮。

图7乙醇(Ethanol)污染空气吸附净化实验结果

表1入口浓度ppm时的净化率单位：％

名称

toluene

IPA

m-xylene

ethanol

Average

A

94.0

95.0

98.0

82.2

92.3

B

93.0

88.8

98.0

64.0

86.0

C

94.0

97.1

97.0

60.8

87.2

D

95.0

94.8

99.1

74.8

90.9

E

95.7

98.2

98.0

80.0

93.0

表2入口浓度ppm时的净化率单位：％

名称

toluene

IPA

m-xylene

ethanol

Average

A

91.0

91.0

95.1

62.2

84.8

B

92.2

74.2

96.9

59.2

80.6

C

92.2

91.8

93.7

58.3

84.0

D

94.8

91.0

97.0

62.5

86.3

E

89.0

96.0

92.4

76.0

88.4

实际应用上，多数境况需要净化处理的VOCs污染空气是多种VOCs的混合物，其入口浓度变化也是很大的。因此，综合表1、表2的试验结果，可以认为吸附转轮E是比较高效的VOCs污染空气净化转轮。

五、结语

工业生产过程排放出的大风量、低浓度VOCs污染空气，由于采用现有技术较难有效处理，而常常被直接排放到大气中。鉴于目前大气污染状况日趋严重，开发高效率低能耗的有效处理方法已成为人们的共识和急需。解决这一难题的一个方案是：采用吸附转轮分离浓缩技术与燃烧氧化分解相结合的VOCs净化处理系统。通过采用吸附转轮对VOCs污染空气进行分离浓缩，不仅可以减少需要燃烧处理的污染空气数量，降低燃烧装置的体积与设备投资、减少净化处理过程所需能耗。而且对于实现减少CO2排放量，防止地球温暖化也有直接贡献。今后应积极推广采用此技术，改善大气环境、造福人类。

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