摘要：VOCs处理工艺的设计和运行管理对于高效、经济、环保地处理工业废气具有重要意义。其工艺设计旨在选择合适的处理技术，最大程度地去除VOCs污染物，将其转化为对环境影响较小的物质。在设计过程中，相关人员需要综合考虑废气的成分、浓度、流量等因素，结合吸附、催化氧化等多种技术，实现高效净化。运行管理包括设备维护、监控系统建设等方面，旨在保证处理系统的平稳运行和安全运行。

关键词：VOCs；治理工艺；

一、我国工业废气现状概述

1.VOCs是石油化工、印刷、制药、橡胶和喷漆等工业领域常见的污染物。目前已检测出的VOCs有300多种，依据化学结构分为烷烃、苯系物、烯烃、炔烃、醇类、醚类、卤代烃等化合物共12类。

2.VOCs的危害。VOCs主要来源是工业制造及化工燃烧、涂料的使用，VOCs具有一定挥发性、刺激性、毒性、致癌性。目前，VOCs的危害主要集中在以下几方面。（1）对身体健康的影响。目前检测出的300多种VOCs，有近20种为高致癌物质及有毒物质。如果人们长期生活在含有大量VOCs废气的环境中，可能导致人体中毒，轻者可能出现头晕、恶心、呕吐等症状；严重者会出现肝脏中毒，危及生命健康。（2）对生态环境的影响。VOCs能够参与大气中二次气溶胶的形成，导致出现雾霾天气。

二、VOCs有机废气的种类

1.化工有机废气。在探究VOCs有机废气处理技术前，相关人员应明确VOCs有机废气的具体种类。在实际工作中多采用催化燃烧技术与冷凝回收技术，通过对这些技术的合理控制，可切实解决化工有机废气的处理问题。

2.定型废气。定型废气主要成分为内酯、醇、脂肪酸、酮与醛等，这些气体皆带有毒性，在该类气体的影响下，企业周围的大气环境将受到严重影响。引起定型废气污染的多为化纤类生产企业，在开展实际处理时，要合理运用有机废气处理技术，利用对相关技术手段的精准控制来提升处理效果。

3.塑胶塑料废气。塑胶塑料产生的废气也会给企业周围环境带来恶劣影响，该类废气的主要成分为塑胶与塑料经过燃烧所生成的气体中含有的苯乙烯、丙烯与乙烯等有毒物质，其处理过程较为复杂，因此，在实际工作中要合理选择处理技术，如选择等离子净化技术，可有效提升有机废气的处理效果。

4. 喷漆废气。喷漆废气的主要成分为甲苯、二甲苯、丁醇及丙酮等，此类有机化合物带有一定的挥发性，在对其进行处理时，要根据喷漆废气的具体情况和喷漆工作所处的场所，选择合适的处理技术。

三、 VOCs的处理工艺

1.VOCs处理工艺概述。

发展高效、节能、绿色环保的VOCs降解技术，对社会发展具有十分重要的意义。工业废气VOCs处理工艺包括吸收法、吸附法、氧化法、低温等离子法、生物法等。根据我国国情，燃烧氧化法和吸附法最符合企业的经济效益；生物法和低温等离子法是近几年VOCs废气处理的技术热点。（1）吸收法。吸收法利用不同气体在一定溶剂中溶解度的不同，对气体混合物进行分离和回收。在实际应用中，VOCs吸收器一般采用填料洗涤吸收塔，以柴油、碳酸丙烯酯等材料作为VOCs吸收剂。吸收法的优点是操作简单、成本低廉，但是缺点也比较明显，其治理效率不高且容易对治理设备造成损害。此外，水喷淋法也是吸收法的一种。水喷淋法是指废气经收集之后，部分较重的组分受重力作用溶解于水中，其他废气则继续通过水喷淋和抽风系统超微雾化；较轻组分在上升过程中与水充分接触，废气中的细小颗粒与水混合并附着，其余组分继续上升，最后被收集，以达到净化废气的效果。（2）吸附法。吸附法需要先将VOCs吸附富集，然后再高温高压解吸回收，吸附法具有操作简便、工艺成熟、能耗低、治理效率高的特点，但是其吸附剂需要具备高吸附容量和高速率、化学性质稳定、容易再生等特点。当VOCs具有浓度低、风量大的特点时，采用分子筛吸附浓缩法可以达到良好效果，VOCs废气被净化后从浓缩装置的处理间达标排放。吸附剂能够提供大量的接触表面积，同时装置旋转能够将吸附后的吸附剂转至脱附区脱附再生，而冷却后的废气，经加热后可以作为再生废气使用。（3）氧化法。氧化法处理VOCs废气需要外界条件的支持，因此根据条件工艺不同，又分为燃烧氧化法、催化燃烧法和光催化氧化法。1）燃烧氧化法。在实际应用中，燃烧氧化法又分为直接燃烧和热力燃烧。①直接燃烧是指将VOCs废气、空气和助燃料直接在炉膛燃烧处理，此方法适用于VOCs浓度较高的废气。②热力燃烧是在对VOCs废气进行处理时，先利用燃料燃烧的热量预热，减少辅助燃料的使用，以达到较好的VOCs废气净化处理效果。这种方法对燃料燃烧的热量利用率较高，经济效益较好，在国外应用广泛。2）催化燃烧法。催化燃烧技术是将VOCs废气预热，等温度到达起燃温度后，会在催化剂表面氧化分解，以此彻底净化VOCs废气。该法目前使用的催化剂有贵金属催化剂、非贵金属催化剂和复合催化剂。贵金属催化剂中的Pd和Pt由于起燃温度高、耐热性好、催化效率高等优点而被广泛应用，但价格昂贵、资源稀缺；非贵金属催化中，Mn和Ce的氧化物使用寿命长且成本低廉，是较理想的催化材料，但受制于催化剂的制备和载体的选择而没有得到广泛应用。催化燃烧技术具有安全性高、能量消耗低、没有二次污染等优点，而且操作工艺简单，对VOCs的浓度和热量值限制较小，但缺点也比较明显，比如其工艺条件较为严格。3）光催化氧化法。光催化氧化技术的原理是在光照条件下，催化剂导带电子发生跃迁，产生空电子对。跃迁电子和空穴分别与氧气和水分子结合，产生具有强氧化性的自由基，从而氧化分解空气中的有机物分子。光催化氧化技术的优点是节能安全，成本低、条件温和且矿化率高。但是在实际应用中，催化剂在高浓度VOCs废气中容易失去活性，因此光催化氧化技术受催化剂材料比表面积和催化剂与VOCs接触面积的限制。在目前的应用中，光催化氧化技术只适用于处理VOCs浓度较低的废气。目前经常使用的催化材料是TiO2和ZnO，其具有安全无毒、来源广泛的优点。在降解VOCs的工艺中，催化剂的应用一是作为空气净化设备的填料；二是作为功能图层应用于光催化表面。有研究表明，TiO2在作为功能图层方面取得了良好进展，并在多个场合得以应用。（4）低温等离子法。低温等离子技术是利用自由基和高能电子将废气在短时间内分解，同时引发后续反应。通过低温等离子技术处理VOCs废气，在实际应用中优势显著：1）处理工艺在常温常压条件下完成；2）自动化水平较高，可缩短反应流程且不受外界干扰；3）设备简单；4）对高分子污染物处理效果明显。但是其缺点也很明显，就是运维成本较高。（5）生物法。生物法的原理是利用聚集在有孔且潮湿介质上的微生物的生命活动，将废气中的有害物质转变为以二氧化碳和水为主的无机物。通常认为生物净化废气需要三步：首先，废气和水需要进行接触并溶于水；其次，在具有浓度差的条件下，溶于水的有机废气扩散至生物膜附近并被生物膜捕捉；最后，微生物利用自身代谢将捕捉到的有机废气转化为无害无机物。生物法处理较低浓度的VOCs效果良好。

2.VOCs处理工艺的选择。（1）利用工艺特点选择工艺。1）吸收法。吸收法常用吸收剂的特点是饱和吸收量大、沸点高、化学稳定性好、蒸汽压低且不容易起泡、成本低廉。吸收法能够有效减少废气中的有机物，工艺简单、适应性广、吸收剂能再生，能有效回收有机物。同时吸收法回收效率低，且吸收剂耗能高，需不断补充吸收剂。2）吸附法。吸附法需要利用吸附剂对有机废气进行富集，常见的吸附剂有活性炭、硅胶、沸石、矿物黏土、活性氧化铝、聚合物等。活性炭因为孔径分布广，吸附过程快等优势是使用最广泛的吸附剂。但是活性炭处理高沸点废气时，活性炭微孔容易堵塞，难以恢复，且在处理过程中，随着废气浓度的升高，容易引发自燃，因此活性炭的处理成本和工艺安全成为其不足之处。3）冷凝法。冷凝法优势比较明显，即工艺简单、自动化程度高、回收纯度高，但其对制冷系统要求也较高，能耗大。对高沸点有机物，尤其是价值高的油气处理多采用冷凝技术。基于对冷凝系统的节能优化，设计出甲苯冷凝回收系统，测试结果显示，冷级负荷降低了69.6%，能耗降低了38.9%.4）生物法。生物法在欧洲得到广泛应用，我国自上世纪90年代开始研究生物法处理VOCs废气，取得了很大进步。利用生物膜处理低浓度甲苯废气，当甲苯浓度在0.183～1.803 mg/L，气体流量在86.4～190.8 L/h时，增加甲苯流量和浓度，甲苯生化去除量最大值为157.13 mg/L。生物法在实际应用中，受到VOCs废气种类、浓度、温度等不稳定条件的影响，增大了试验难度，因而这是生物法研究的方向之一。

3.沸石转轮+催化燃烧技术原理

3.1、转轮吸附简介

转轮吸附是由转轮除湿技术演化而来，后由来自瑞典的Carl Munters提出可以把吸附材料做成蜂窝状，然后将转轮技术用于分离过程的想法。在1986年，瑞典Munters公司第一个将理论变为现实，将沸石制成蜂窝状置于转轮中，来实现有机废气中VOCs的净化。1988年，日本西部技研公司在VOCs净化工程中采用了蜂窝状沸石转轮，并获得成功。沸石转轮技术已被大量用于日本、美国、欧洲等国家低浓度大风量VOCs的治理中，而在我国的台湾、内陆等等地区也先后得到了很好的应用。由于国外转轮技术发展较早，因此技术较为先进。近几年来我国大力倡导“绿水青山就是金山银山”的环保理念、配合各级环保督查的开展，我国在VOCs治理及转轮应用技术的研究推广方面取得了大量实效。

转轮常用吸附剂：

（1）吸附剂种类

吸附材料是转轮技术的核心，常用的有活性炭和沸石分子筛两种。活性炭有丰富的微孔，较大的比表面积，吸附能力强，速度快，被广泛用于转轮技术中。活性炭作为吸附剂处理废气时， 其吸附容量大，成本低，但是其孔道易堵塞，并且活性炭本身具有一定的可燃性，在脱附时易着火，会构成一定的安全隐患，不符合安全生产的要求，在实际的应用中会受到影响。

沸石分子筛是一种具有特定骨架结构的结晶铝硅酸金属盐的水合物材料，化学通式为：

[ （A102） x - （SiO2）y] - zH20o

其中M代表阳离子，m表示其价态数，z表示水合数，x 和万是整数，改结构被活化后，甲.头的水分了会消失，剰下的成分就会白动形成笼形结构，孔径为3～10Å。

沸石分子筛其选择吸附能力主要得力于规整的结构。沸石分子筛孔径排列规则，分布均匀，选择吸附性主要是因为不同沸石的孔径大小不同，一般情况下，只有分子动力学直径小于分子筛孔径的分子才会被分子筛吸附。

不同类型的分子筛的骨架结构和孔径大小也存在较大的差异，而分子筛的骨架结构具有程度范围内的可变性，因此一些分子动力学直径略大于孔径的分子也可以被其吸附，但是吸附速率和吸附容量会明显减小。

由于结构中具有阳离子，并且其骨架结构带负电荷，因此是分子筛自身带有极性。沸石分子筛的阳离子会产生强正电场，以此来吸引极性分子的负极中心，或者可极化的分子经沸石分子筛静电诱导后极化。

因此，沸石分子筛能够吸附极性较强或较易极化但动力学直径略大于其孔道尺寸的分子。由于分子筛具有特殊的孔道结构使其具有特殊的性能，于高温低压的条件下也能够发挥其吸附能力。目前常被用来吸附的分子筛种类有13X， NaY，丝光沸石和 ZSM -5 等。

3.2沸石转轮原理介绍

研究得出：若是将加工好的波纹形以及平板形陶瓷纤维纸采用无机粘合的方式做成蜂窝状的转轮，然后再将具有吸水性的沸石涂抹在这个转轮的通道上，该转轮就成为了吸附性转轮，经过实验证明，该吸附性转轮对于VOCs的净化处理十分有效。

沸石转轮浓缩区可分为处理区、再生区、冷却区三部分，浓缩转轮在各个区内连续运转。 VOCs有机废气通过前置过滤器过滤后，再通过浓缩转轮装置的处理区。

在处理区VOCs被吸附剂吸附去除，净化后的空气从浓缩转轮的处理区排出。吸附在浓缩转轮中的有机废气VOCs，在再生区经热风处理而被脱附、浓缩到5～15倍的程度。

4转轮吸附浓缩-催化燃烧工艺特点

（1）吸附区旁路内循环的建立。当废气经过吸附区吸附后不达标，进入旁路内循环，再次进行吸附处理。此旁路内循环的基本思路为消灭现有污染再吸纳新的污染。

（2）冷却风旁路建立。在工况十分复杂的情况下，VOCs浓度有可能陡然升高，此时将部分冷却风引入到吸附区以降低脱附风量，同时在传热2后补充新风，以维系进入催化反应器的风量在预设范围以内。此旁路的基本思想是以新风对高浓度VOCs进行稀释，因而从效果上看，此法也会延长治理时间。

5转轮吸附浓缩-催化燃烧技术应用

根据转轮使用场所的不同，配套应用不同的组合模式。在我国的造船行业便于治理的有组织排放场可分为普通场所和易燃易爆场所，如钢板预处理线为普通场所，应用有机废气净化装置RTO（蓄热燃烧），通过过滤、沸石转轮浓缩、电力辅助蓄热燃烧；涂装厂房为易燃易爆场所，应用有机废气净化装置沸石转轮+CO（催化燃烧），通过过滤、沸石转轮浓缩、天然气辅助催化燃烧，使之排放达标。

四、VOCs污染防控与治理

1. VOCs治理中存在的问题。调查了省工业涂装VOCs的治理现状，结果显示：工业涂装准入门槛较低，生产装置低端，产生的废气收集效率低。调查的中小型企业半数未安装VOCs处理设施，治理措施覆盖率低，而低端、低效率技术使用广泛。被调查企业吸附剂、吸收液等处理设施没有及时更换，治理效果有限，管理形同虚设。

2. 对策与建议。针对存在的问题和工艺改进，本文提出以下几点建议：（1）优化有机废气处理管控系统；（2）合理应用处理技术与设备；（3）提升业务人员的综合素养。

五、有机废气处理技术未来的发展展望

1.变压吸附。变压吸附是通过气体组分在固体吸附剂的作用下吸附特性的差异，周期性的压力变化可以实现有机废气的分离与净化，它属于一种物理的吸附方式，宜用于气量大、浓度低和挥发性有机废气。采用沸石分子筛作为吸附剂时，在常温与压力的作用下，将污染物吸附在沸石分子筛上，未被吸附的气体则可以进入下一阶段。吸附剂可以通过抽真空来解析被吸附的污染物，从而恢复吸附剂的性能，可再利用。变压吸附是近几年新推出了一种气体分离技术，它具有众多优点：流程简单、消费低、耗能少、自动化水平高、绿色环保等。（2）等离子体。等离子体分解氯氟烃的技术是通过将高频等离子进行加速加热的方式，在高温下（10000℃）让等离子化学作用与水蒸气接触从而实现分解的目的，高温分解后急冷到低温（80℃）后排气。此法宜用于气量大、浓度低的挥发性有机废气，流程简单，具有较高的去除率。（3）光氧化分解。光分解VOCs有两种形式：第一种就是利用光照直接进行VOCs的分解；第二种就是在催化剂的作用下进行光照分解VOCs。有机氯化物和氟氯烃在185nm紫外光照射下，其分解的时间非常短。光催化氧化法是运用紫外线照射光催化剂进行激活，H2O分解成OH自由基，OH自由基将有机污染物氧化成CO2和H2O。光催化氧化法能将有机气体彻底无机化，副产物少，但目前尚未得到商业化应用，原因是催化剂易失活、催化剂难以固定、催化效率不稳定等。

总之，VOCs废气直接排放不仅会对人们的健康和生活造成严重影响，也会严重损害生态环境，直接或间接地造成人们生活质量下降。因此，VOCs处理是至关重要的问题，我们应从各个行业角度出发，选择合适的处理技术，推进现有技术革新，制定合理的标准和政策，提升VOCs治理能力，从而提高人们的生活质量。

参考文献：

[1]刘冰.国内工业VOCs废气治理的现状及发展.2021.

[2]王红兵.关于有机废气（VOCs）处理工艺设计与运行管理探讨.2022.