VOCs种类繁多，成分复杂，不同行业的VOCs气体特征如流量、浓度具有较大差异。有研究表明，化学制品、医药制造、交通设备制造、印刷、电子及电信设备制造是产生VOCs气体最多的前5个行业，分别占调研总案例的26%、13%、12%、8%和5%。大多数行业VOCs点源产生的VOCs浓度在102-104mg/m3（注：上标2、上标4）范围内。浓度较高的行业如石油加工、化工医药制造等，这些行业产生的浓度大多高于103mg/m3（注：上标3）；浓度较低的如皮革、毛皮、羽绒制品等，其浓度一般低于500mg/m3。不同浓度的VOCs处理技术有较大差异，因此，掌握各行业产生的VOCs气体浓度分布特征对发展VOCs治理技术具有十分重要的意义。
为满足广大业主单位和环保行业同仁对VOCs和恶臭废气污染控制装备产品应用现状等方面有关基础知识的学习和普及，经征求专家同意，《VOCs前沿》根据有关研究成果，通过平台进行知识传播，拟分两大部分开展专题分享：
一、基于单项技术的设备与产品（吸附、催化燃烧、热力燃烧、生物法处理技术、紫外光氧化/光催化、冷凝回收、化学吸收、膜分离技术）；
二、基于不同设备产品的组合工艺（沸石吸附+氧化工艺、低温等离子体+吸收、选择性吸收分离+吸附回收、水洗+除雾+光催化氧化、光催化氧化+等离子、VOCs膜组合工艺）。
吸附技术是VOCs治理的主流技术之一，技术成熟、简单易行、治理成本低、适应范围广。
技术原理：当流体与多孔固体接触时，流体中某一组分或多个组分在固体表面处产生积蓄，此现象称为吸附。吸附属于一种传质过程，物质内部的分子和周围分子有互相吸引的引力，但物质表面的分子，其中相对物质外部的作用力没有充分发挥，所以液体或固体物质的表面可以吸附其他的液体或气体，尤其是表面积很大的情况下，这种吸附力能产生很大的作用，所以工业上经常利用大面积的物质进行吸附，如活性炭、分子筛等。根据此特点，可以根据实际情况选用适当的吸附剂，处理废气中的挥发性有机物（VOCs），达到循环利用，保护环境的目的。脱附是吸附的逆过程。是使已被吸附的组分从达到饱和的吸附剂中析出，吸附剂得以再生的操作过程，即被吸附于界面的物质在一定条件下，离逸界面重新进入体相的过程，也称解吸。一般来说，不利于吸附进行的条件常对脱附有利，如加热、减压等，常用有蒸汽、氮气脱附。
废气收集后，通过预处理然后进入吸附器，有机废气被高性能活性碳纤维（ACF）或者颗粒碳材料吸附，将有机物吸附于其微孔结构中，经两级活性炭纤维吸附，废气经过吸附材料净化后排放至大气。吸附有机废气的吸附材料通过热氮气/水蒸气解吸（脱附）再生，解吸出来的高浓度混合气进入换热器换热后再冷凝回收得到混合溶液，氮气在脱附周期内循环重复利用。工艺流程图1所示。
图1 活性炭吸附系统工艺流程
特点：不需要添加任何的絮凝剂和氧化剂等化学试剂，直接利用活性炭的微孔结构进行吸附；初期成本低，操作简单；活性炭所用的原料是果壳、煤和木材等物质，相对来讲，成本较低。且进行吸附时，没有太高的技术要求，操作简单灵活；由于孔隙多，表面积很大，所以吸附能力强，吸附效果自然也就比较好；对重金属进行处理时，对金属离子的吸附选择性好、稳定性强；可以对活性炭进行再生，重新使用。现在对活性炭的回收利用已经有很多方法，包括热再生法、生物再生法、化学溶液再生法、电化学再生法等等。这些方法对活性炭的再生有出色的效果，经过再生的活性炭，可以重新进行使用。适用范围：活性炭吸附技术在涂装、包装印刷、石油化工、化学品制造、医药化工和异味治理等领域都得到了广泛的应用。适合中低浓度大部分含有烷烃、酯类、醇类、酮类等有机溶剂的废气（若要脱附溶剂沸点宜控制在50-150°C）。设备（产品）分类概述：预处理阶段，废气中可能会含有氯化氢、硫酸雾等酸性气体或者粉尘，为了防止其对后续设备造成严重腐蚀或者对活性炭造成堵塞，需对废气进行预处理。预处理采用填料式喷淋洗涤塔，喷淋液选择碱液对酸性气体进行中和处理或者采用干式过滤器对粉尘进行过滤处理。活性炭吸附阶段，经过前面的预处理后，废气通入后端的活性炭吸附/脱附塔进行吸附处理，活性炭表面存在着吸引力（分子间范德华力），将通过活性炭微孔的有机气体吸附在活性炭表面，去除废气中的有机物，达到净化气体的作用。活性炭脱附阶段，活性炭脱附时采用蒸汽对活性炭床层直接加热，将活性炭中吸附的有机成分蒸出，蒸出来的混合蒸汽进入冷凝器中通过冰水对其进行冷却，冷凝成液态，进入分离桶中分离，分离后的废水进入污水站，分离后的有机溶剂进入储罐，用于后续回收。不能被冷凝的不凝气通入吸附总管，送入吸附罐中进行吸附处理。活性炭烘干阶段，脱附阶段有部分蒸汽冷凝成水留在的活性炭床层，脱附完成后需要对床层进行烘干。烘干配置单独的烘干风机，烘干风机入口设置高效过滤器，并设蒸汽加热器对新风进行加热，加热到60℃左右，通入活性炭罐中将碳层中的水分烘干。烘干后的吸附罐充氮气进行保护操作，等待下一次吸附。设备（产品）说明：不同的活性炭吸附材料有各自适用的范围。颗粒碳吸附罐适合浓度波动大，废气成分复杂的工况。碳纤维吸附器适合废气浓度较稳定，废气成分较单一的工况。蜂窝碳吸附器适合配合燃烧设备使用。碳纤维装置配型和颗粒碳装置配型见表1和表2。表1碳纤维装置配型表
风量m3/h | 3000 | 6000 | 9000 | 12000 |
溶剂量t/d | 0.75 | 1.5 | 2.2 | 3 |
吸附器 | 2X-2X | 2X-4X | 2X-6X | 2X-8X |
凉水塔t | 50 | 100 | 150 | 200 |
蒸汽t/h | 0.3 | 0.5 | 0.8 | 1 |
压缩空气m3/min | 2 |
风量m3/h | 18000 | 24000 | 36000 | 48000 |
溶剂量t/d | 2.2 | 3 | 3 | 3 |
吸附器 | 3X-6X | 3X-8X | 4X-8X | 5X-8X |
表2 颗粒碳装置配型表
风量m3/h | 9000 | 13500 | 18000 |
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溶剂量t/d | 4 | 4.8 | 5.6 |
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吸附罐 | 2X-Ф2200*3000 | 2X-Ф2200*4500 | 2X-Ф2200*6000 |
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单罐装碳量 | 2.2~2.7 | 3.3~4.1 | 4.4~5.5 |
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凉水塔t | 150 | 200 | 250 |
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循环水泵t/h | 150*2 | 200*2 | 250*2 |
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蒸汽t/h | 0.8 | 1.2 | 1.6 |
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风量m3/h | 27000 | 36000 | 40000 | 54000 |
溶剂量t/d | 4.8 | 5.6 | 4.8 | 5.6 |
吸附罐 | 3X-Ф2200*4500 | 3X-Ф2200*6000 | 4X-Ф2200*4500 | 4X-Ф2200*6000 |
生产过程废气，先经预处理装置处理气体中的一些高分子的物质和空气中的细小颗粒，再经冷却器将温度平衡稳定至45℃以下。经处理后的废气进入吸附－脱附操作单元，溶剂被高性能活性碳材料吸附，净化后空气穿透吸附材料后排放至大气。被吸附的溶剂通过蒸汽（氮气）解吸附。解吸出来的有机溶剂进入换热器与冷却水换热，然后再经冷凝为常温液态后回收。经废气净化回收设备处理后排放的废气VOCs去除率在95%以上。整个工艺过程由PLC功能程序控制，自动切换，交替进行吸附、解吸、冷却、间歇四个工艺过程。活性炭吸附系统应用工程现场如图3所示。
图2 活性炭吸附系统应用工程现场
VOCs转轮吸附技术源于1950年美国人Bryant发明的转轮除湿技术，1990年被应用于VOCs的净化。该技术目前适用于处理低浓度VOCs废气。由吸附VOCs转芯、气体过滤装置、转动装置、风机等组成。转芯一般分为三个区域：吸附区、再生区、冷却区。转轮吸附系统结构如图3所示。沸石转轮分为筒式转轮和盘式转轮。筒式沸石吸附转轮组合(Cassette)为一中心轴承与转体，转体由沸石吸附介质与陶瓷纤维制成。转轮上包含用以分开处理废气及处理后释出干净气体的密封垫，其材质为能承受VOCS腐蚀性及高操作温度的柔软材料制成（一般为氟橡胶）。密封垫将蜂巢状沸石吸附转轮组合隔离成基本吸附区(Adsorption zone)及再生脱附区(Desorption zone)。有时为特殊需求亦可分成更多串联区；而吸附转轮由一组电动驱动设备用以旋转转轮，转轮处理时为可变速、且可控制每小时旋转2至5转之能力，最大可到20转/小时。沸石转轮的吸附风速一般2~4 m/s；脱附风速1~5m/s。沸石转轮的适用湿度为＜80%，适用温度＜40℃，适用VOCs的沸点35~200℃。单套筒式转轮的处理风量10000~200000m³/h，如果分体运输可做得更大。
图3 转轮吸附系统结构示意图
废气经过滤后经由风机送至吸附区，废气通过吸附剂被吸附得到净化，净化后的气体从另一端被排出。接着被反方向吹扫的热空气脱附解吸，脱附下来的VOCs被收集进行集中处理，吸附剂被进入冷却区冷却后，入吸附区再次进行吸附。特点：转轮吸附具有运行稳定、结构紧凑、单位床层阻力小及占地面积小等优点。适用范围：在印刷、集成电路、塑料加工、喷漆生产线等产生的低浓度大风量有机废气。设备（产品）分类概述：吸附转轮用到的蜂窝结构吸附剂制备方法主要有涂覆式、沉浸式和成型式3种，使用的吸附材料主要有活性炭、活性炭纤维和沸石分子筛3种。设备（产品）说明：活性炭孔穴丰富，比表面积大，具有较好的广谱适用性，相比沸石分子筛吸附容量要大，是目前使用最广泛的吸附剂。不过湿度对其吸附性能有较大影响，当废气中有大量水蒸气时，吸附性能会大幅降低。而且由于解吸时温度较高，存在易燃等安全性隐患。活性炭纤维是继活性炭后研制出新型吸附材料，其商业化生产始于上个世纪六十年代。与颗粒和粉末活性炭相比，活性炭纤维具有很高的抗拉强度和弹性，因而可以加工成为布、织物、纸、毡等多种形式。活性炭纤维有直接成型为蜂窝状，制作成吸附转轮。不仅如此，活性炭纤维有很高的比表面积，其BET比表面积可达1000~2000m2，且孔径分布窄、均匀，并以微孔为主，其吸附量大，吸附快，再生容易，具有优异的吸脱附性能。活性炭纤维的应用领域也非常的广泛，在水处理、空气净化中都有使用。沸石分子筛阻燃性好，可耐受高温。沸石分子筛使用疏水性高硅分子筛，相对湿度RH>60%的废气工况下依然有良好的吸附性能，虽然成本比活性炭高，但是易于解吸，可循环使用更加环保。分子筛吸附浓缩系统的主要应用于各种喷漆车间（汽车制造、造船、自行车制造、飞机制造、金属制品等）的排气处理，各种印刷车间（凹版印刷、建筑装潢材料印刷、其他各种印刷过程）的排气处理，铝型材生产、镀膜加工工艺等的排气处理，各种电子制品制造过程的排气处理，半导体集成电路、液晶显示屏（LCD）制造过程的排气处理，锂离子电池制造（电极形成工序、电解液充填工序）过程的排气处理，树脂、橡胶、轮胎等制品生产过程的排气处理，汽车维修店面、服装干洗店等分散源挥发性有机物排气处理。
1、文中内容节选自《环保装备产品工程应用后评估方法（VOCs与恶臭类）》，工业和信息化部委托课题；
2、文中内容涉及装备产品的有关技术参数、典型案例和现场图片是经行业案例征集、企业自愿提供和专家筛选后确定入选的。
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