有机废气液膜吸收浓缩——热力焚烧 新工艺、新装置

一、概述

随着国家对大气污染治理的政策力度越来越加大，各地环保执法也趋于从严从重态势，目前除北京、天津、上海、重庆、广州等一线城市外，广东、河北等省、市均陆续出台了VOCs大气污染物排放地方标准，其中苯、甲苯、二甲苯、非甲烷总烃的排放标准均严于国家标准。标准的提高，也意味着相应的净化处置技术与装备工艺水平也必须同步升级提高，也意味着以政策倒逼环保治理技术的创新，研发与技术进步。

综观20余年来，国内VOCs治理，从最初的活性炭吸附、静电吸捕、低温等离子裂解、催化氧化分解，发展到吸附浓缩（活性炭、分子筛）、热风反吹脱附进入热力焚烧装置（蓄热炉、热力分解炉）的RTO、RCO、TNV（沸石转轮+蓄热炉）的高端废气净化处置阶段。

通过20余年的实际工程运行表明：传统的活性炭吸附净化，虽然可以确保经处置后的VOCs废气稳定达标排放，但由于后续的饱和碳再生回用，脱附溶剂的二次净化分馏存在投资和运行管理上、技术上的种种问题，并且仍然存在废弃再生碳与脱附再生的二次污染产生排放的老大难问题。

大多数VOCs废气均具有低浓度、大风量的特点，采用单一的低温等离子、紫外光氧分解技术处置，由于废气在净化历程中时间短（不到1秒），其去除率仅为30—40%，而且均有易燃、易爆的安全风险。

RTO、RCO、TNV均同属于热力焚烧、氧化分解VOCs的一种净化技术，其适用VOCs的浓度范围广、氧化分解比较彻底、净化效率高、便于监管而逐渐成为各地环保管理部门主推的废气治理工艺选项，京津冀、长三角、珠三角等经济发达地区，多数环保执法部门已出台文件，要求对VOCs治理，无论前置采用何种净化手段，最终必须配套热力氧化净化装置。

RTO、RCO、TNV氧化净化的工艺核心是通过活性炭（颗粒碳、纤维碳、蜂窝炭）、沸石分子筛等固相物对废气中的VOCs组份进行物理吸附、截留、浓缩（5—10倍），然后经热风反吹脱附方式，再送入热力氧化炉在高温（900—1000℃）或催化分解炉（450℃），并在一定的停留时间（1—1.5秒）条件下进行热氧燃烧碳化分解。

其适用的工况条件必须是VOCs产生量大、必须24小时连续运行的工业企业。而且只能做在线处置，不能做离线处置，这对于大多数对防火、防爆、严禁明火控制严格的石化、化工、医化等行业是不可接受的。

在实际运行中，因装置并非长期保持运行状态，因而每次停机后的再次启动，还需外加燃料来进行加热升温蓄热炉体，因而造成附加能耗高。同时又由于RTO在工作中废气的换向阀要频繁切换，其在高温下的可靠性变差，可能导致系统内浓缩的VOCs不能顺利进入热力焚烧炉，而滞留在系统管线中。由于压力、浓度逐渐积累、升高、会带来燃爆的安全风险。另外，由于RTO、RCO、TNV流程较为复杂，其配套的电器、控制系统自动化水平也高，对于操作、管理、维护人员的专业水平也相应要高，但大多数工厂并不具备上述条件，这也就为以后的运行埋下了长期的安全隐患。

根据统计表明：目前国内涉及VOCs产生与排放的企业统计，小时排放量在10000m³—50000m³的企业数据占总数的90%，VOCs的产生与排放涉及国民经济的120多个行业，其所涉及的各种有机溶剂更多达1000余种（如设备、车辆、涂装、汽摩、家具、制鞋、印刷、橡塑加工等），由于各行业生产性质不同，相关工艺配方不同，产生的VOCs废气成分更是千差万别，而且均具有日总排污量不大（5-60Kg/日）、短时浓度高波动大（100—500mg/m³），作业时间短、不连续运行、产生VOCs废气工位点多且分散的特点，并且均属小厂、老厂本身场地狭窄、难以再有安装占地空间大的环保净化装置与设备的位置。

由于VOCs污染物成分复杂，无论是环保监管部门，生产业主单位对净化治理的技术与工艺选择均感困惑，以前大部分建有净化处理设施的企业，由于选择工艺技术不当，治理难以可靠、稳定达标的运行，在京津冀地区占80%的企业，普遍采用单一的低温等离子、光氧化、活性炭吸附，经现场环保督查监测均不能实现达标排放，从三次全国环保督查的反馈结果数据统计上看，这方面的问题最为突出。

上述这些企业已经十分清楚，污染不达标治理已经到了决定企业存活的关键时刻，也急迫寻求一种技改资金能够承受、运行费用低廉、使用简单、安全可靠性强的VOCs废气治理技术与装备。

二、液膜吸收法与活性炭吸附法的相同与不同点比较

对于低浓度、大风量VOCs废气的净化治理，采用活性炭、沸石以固体吸附、截留、浓缩废气中的VOCs组份，经净化气外排大气环境，浓缩气反吹进入热力氧化、焚烧装置进行充分燃烧、分解净化，属于一种气——固传质交换，吸附——分离——净化处置工艺方式。与所有气——固分离工艺一样存在着，在单位时间、单位传质空间效率不高（10—30%）、阻损大（1000—3000Pa）、流程长、装置庞大的老问题。

液膜吸收法对化工反应中涉及的多组分、化学性质各异的气相物的吸收、浓缩、分离，已是在石化工业中大量应用并已正常运行的传质效率高、适用无机、有机物范围广、操作简便、连续运行经济性、安全性、可靠性强的成熟工艺。根据上述VOCs产生的性质与工厂特点，可以十分方便的改进设计、实现在常温、常压工况条件下，通过复配的水基液膜吸收剂一步完成废气中VOCs的吸收、浓缩、脱除，然后在通过对吸收饱和液的破乳分离，上层含各种有机溶剂的液相物，再进入热力焚烧炉（或烧具），十分快捷、方便的进行高温

焚烧净化处理。简化了二次浓缩的流程，大幅降低了处置投资费用，是一种传质效率、浓缩倍数高，运行安全性、可靠性强的气——液吸收净化新工艺、新装备。完全满足环保监管要求的全部、彻底、干净的废气处置要求。

三、液膜吸收浓缩——热力分解净化的原理与技术特点

1、大多数有机溶剂，有机物与水不相溶混，与水并不亲合与之产生反应。因此采用传统的水作为有机废气的处理，只能作为一种降低烟温、去除粉尘、部分漆雾、树脂、水溶性醇、醛、酮类有机物的初级预处理工艺，其VOCs的去除率还不到5%，但具有降低气温，调节有机废气混合气体浓度，控制在其燃爆下限的1/3——1/4，具有安全保证性。

2、本工艺配套的水基液膜吸收剂是一种以水为主，根据双膜理论配置的一种既有亲油性，又有亲水性的双活性基团的VOCs吸收转换液。可以将VOCs废气中即不溶于水的油相组份接枝亲水基团而能迅速转溶于水，形成一种均匀而稳定、多相包膜、高分散态的乳状液。实现了大风量、低浓度VOCs废气在常温、常压下的快速净化吸收处理。同时本吸收液对废气中夹带的粉尘、漆雾、树脂等具有吸收溶解、乳化功能，因此也不需另行设置前处理装置，一塔两用。

3、吸收净化塔采用专利设计的涡旋式自旋喷吹装置（专利号：ZL.2014.2.0598268.5），不仅实现了利用废气自身动力来对动吸收液各质点同时产生湍流与涡旋自激效应，使吸收液产生更加细微的液沫和更为巨大的液膜表面积（如使液膜的平均厚度由原来的0.025μm变为0.01μm，其形成的液膜表面积则为从0.4×106c㎡变为1×106c㎡，提高了2.5倍的表面积），其形成的传质交换面积是活性碳空隙表面积的10—20倍。

由于液膜的传质面积更大，油相组份的接枝反应不仅数量巨增，而且传质速度比活性碳吸附更快，在数量庞大的分子级别的传质界面上为瞬时完成传质交换功能提供了技术保障。

4、一般活性碳对废气中VOCs的吸附饱和率最高为38%，而液膜的吸收饱和率高达95%，是活性碳的2.5倍。由于采用了以亲水为主体的吸收液配方，在降低处置费用的同时，又完全满足了防火、防爆的工厂安全目标。

5、水基液膜吸收净化剂也涉及一个吸收饱和后的分离再生、二次处理的问题。本工艺在其配方设计时，即考虑到吸收饱和后的分离、再生技术方案。吸收塔附设置有在线再生分离系统，经破乳分离再生的吸收液，上层油相轻组份为吸收的混合有机物溶剂类，一般含有70-80%的碳氢化合物，其热值为6000—8000大卡/kg（柴油9000大卡/kg、液化气11000大卡/kg、天然气8500大卡/m³，人工煤气5500大卡/m³）是一种类似于高热值的液态工业燃油，可作为一种十分清洁的能源，十分方便的参与各种工业炉、窑、锅炉、烘干炉的供热燃烧。由于本工艺回收的燃油具有可储存性，因此在使用的同时更具有方便性和可调节性。

6、经回收的工业燃油可以通过焚烧炉装置，燃烧后产生的热能去工厂需供热的各工序（干燥、烘烤），也可以作代替燃油作为燃油炉、燃气锅炉（工业窑）的高能燃料。一则化废为利，节省能源、降低费用，二则实现了节能减排的工厂目标。

7、经分离后的下层液重组份，在添加部分新吸收液乳化液后可返回液膜吸收塔参加净化运行，因此本工艺系统中也没有二次污染产生的问题。

8、由于本工艺浓缩回收的副产物——工业燃油具有可储存性，使用灵活、方便，对于间歇性生产单位提供了适用性，由于没有活性碳吸附浓缩法必须浓缩——焚烧分解二位一体的工艺限制，其工程投资只有活性碳吸附浓缩工艺装置的60%，运行费用只有其三分之一。

四、三种热力分解、焚烧净化方法的技术经济性比较

五、三种工艺方法的经济技术比较基础工况：

1、有机废气的处置量10万m³/h，废气中VOCs含量350—500mg/m³（取平均值400mg/m³），要求净化后外排VOCs浓度＜60mg/m³。

2、两班制（或单班制）作业，每班作业时间8h，全年工作日300天。

3、活性炭（蜂窝炭）+三床式RTO，沸石转轮+三床式RTO、液膜吸收+燃烧炉

4、电费1.0元/kwh、天然气费按4元/m³、标准煤1.00元/kg、人均工资5000元/月、活性炭砖18元/kg、沸石分子筛40元/kg计算。