保定市优环环保科技有限公司 关于中小型企业VOCs废气治理措施现状弊端及催化燃烧治理前景分析

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关于中小型企业VOCs废气治理措施现状弊端及催化燃烧治理前景分析

目前我国中小型VOCs排放企业主要为以下几个行业：

1. 小型机械配件加工企业，带有喷漆环节或者喷塑环节。

2. 小型家具厂有喷漆工序。

3. 汽修厂喷漆或者汽车4S店喷漆。

4. 小规模塑料制品生产企业。

5. 小规模橡胶制品企业。

6. 中、小规模制鞋企业。等等

这些企业一般都具有以下几个特点：

1.规模小，环保投资能力较差。

2.场地比较紧张，一般没有专门为环保工程预留用地。

3.需要的风量较小，一般都在10000m³/h左右。

4.没有专门的环保设备的管理和运行人员，且一般不具备环保工艺的效果辨别能力。

       因为以上这些特点，这些企业目前在选择VOCs治理设备的时候首先考虑的是成本而不是效果，大多数中小企业都选择了光氧催化、低温等离子、活性炭吸附的处理工艺，或者2个工艺串联使用，且一般都选择了廉价的设备供应商生产的设备。根据我公司对以上3种不同工艺的了解，结合目前多家企业的运行现状和检测数据情况，对这3种不同工艺设备的使用现状做出如下分析：

一、 光氧催化工艺

      现应用的光催化废气处理设备的技术是利用特种紫外线波段，在特种催化氧化剂的作用下，将氧气催化生成负氧离子，再将废气分子氧化还原的一种特殊处理方式。国内运用的光催化氧化的治污设备，通常采用双波长紫外光管，采用二氧化钛材料作为催化剂，制造其的环保公司对设备的除污参数，基本上都会提到这类设备的除污效率达到80% 以上。实际上现市场的光催化氧化法处理设备采用的紫外光管降解VOCs 受催化材料、粉尘、反应时间、湿度、废气浓度等影响甚大，同时如无可控技术，会生成中间副产物并加大了污染排放。存在巨大环保责任风险。

      实际情况是，现有的光氧催化设备生产厂家，根本不考虑粉尘、湿度和废气浓度的影响，直接按风量售卖其产品，完全不考虑废气种类、浓度、温度、湿度，腐蚀性等等工况条件，根据大量检测报告结果显示，许多光氧设备废气进、出口浓度基本一致，完全没有处理效率。甚至出口浓度比进口浓度还高！

（1）光催化材料的影响

光催化氧化技术的微观反应原理是：当催化剂被一定光强的光照射时，根据半导体电子结构的特点，催化剂中会发生电子跃迁，即电子（e -） 会从充满的价带跃迁到空的导带，从而留下氧化性极强的带正电的空穴（h +）。若采用市面上的二氧化钛（建材）材料，而不是锐钛矿型（光触媒介）二氧化钛光触媒（性价比等同碳与钻石），完全没有催化光解功效。

实际情况是，现有的光氧设备生产厂家许多都存在催化剂漏装现象，或者其一块催化剂板材仅需几百元，可见根本不可能是“锐钛矿型（光触媒介）”，也就是说基本没有催化效果。

（2）生成副产物

目前普遍研究认为光催化氧化法能够将VOCs 完全降解生成无毒无害的CO₂ 和H₂O等，但是在实际工程实践中VOCs 的光催化氧化反应会生成酮、醛等中间产物，对环境造成二次污染。

UV 光解产生很多中间副产物，成分更复杂，可挥发性、可迁移性、毒性更高。在企业工厂的实际应用中，一定风量的VOCs 的光催化氧化反应会生成酮、醛等中间产物与臭氧，这些产物可能成分更复杂、毒性更大，对环境造成二次污染。部分使用企业因对设备不甚了解，购买了毫无效果的设备也不清楚。

（3）反应时间的影响
    在企业工厂的实际应用中，会不断的排放VOCs，因此VOCs 在通过光催化氧化法处理设备的时间很短，从而导致了降解率偏低，达不到应有的标准。

短时间内（1 秒钟左右时间），单独紫外光设备对VOCs 降解率很低。在单独UV 光解技术应用中，即使延长反应时间，对VOCs 的降解率也在10% 以内（正如国内某知名紫外线灯管厂所介绍的，没有在反应区留滞三秒以上，基本没有效果），不但满足不了工业治污应用，还产生很多副产物污染气体。

实际情况是，市面上大量的光氧设备，按照其生产厂家提供的风量规格，其停留时间基本都小于1S，可见其降解效率很低。

（4）相对湿度影响

随着湿度增大，在湿度50% 时，降解率升到一个极点。但随着湿度增大，降解率又开始下降。所以光催化氧化法不是越干燥越好，也不是湿度越高就越好。UV 光生成的臭氧，需要与部分水汽反应生成氢氧自由基或负氧离子增强介质的反应活性才可能增大与VOCs 的反应几率。总之，单独的紫外光解技术的弊端是，受催化剂、湿度、灰尘颗粒物的影响，紫外灯大部份能量用于产生臭氧，短时间光解VOCs 做不到彻底，反而产生更复杂的中间副产物，造成二次污染，此外，如果采用市面上的二氧化钛材料，不是锐钛矿型二氧化钛光触媒，完全没有催化光解功效。

因此，我们可以分析出，在企业工厂实际生产中，催化氧化法处理设备对VOCs 的降解率比较低，经常出现出口浓度大于进口浓度的现象，而且还会产生多余的臭氧，存在造成环境的二次污染的风险。

但是，根据我们的经验，尽管光氧催化法对于处理VOC废气技术条件比较苛刻，但是由于臭氧的强氧化性，对于处理H₂S跟NH₃这种还原性较强的臭气，具有较好的处理效果。

二、 低温等离子工艺

技术原理为：低温等离子废气处理设备中的介质阻挡放电过程中，等离子体内部产生富含极高化学活性的粒子，如电子、离子、自由基和激发态分子等。VOCs 与这些具有较高能量的活性基团发生反应，部分会被裂解，最终转化为二氧化碳和水等物质，从而达到净化废气的目的。

国内生产的运用低温等离子体技术的治污设备，制造环保公司对设备的除污参数，基本上都会提到这类设备的除污效率达到80%以上。例如低能量的等离子体设备可用于治理油烟机油烟污染，但是在实际处理工业VOCs过程中，这种低温等离子体技术设备对VOCs的降解会生成副产物污染，VOCs 的易燃性令其安全性将备受关注。

实际情况是，许多生产企业产生的VOCs废气多伴有油性物质或者粘附性物质，长期不清理设备会导致等离子放电体被油污或者粘附性物质附着，导致放电异常并引燃附着物，引发火灾，这种情况屡见不鲜。

（1）生成副产物

现在采用等离子体技术的处理VOCs 存在的问题是，等离子体对VOCs 是可以部分降解的，如对简单的VOCs 烷烃类、胺类物质，可以部分降解，但是对有机污染物甚至空气的激发是没选择性的，且在短短零点几到1 秒内的时间对VOCs 的降解是不完全的，还会产生一氧化碳、臭氧与氮氧化物等污染气体，生成的大量中间产物，可能挥发性、迁移性、毒性更强，危害更大。生产等离子体的厂家对原理剖析中，通常会指出臭氧能够与VOCs 一起发生反应，生成无害的气体。但是实际检测结果表明，等离子体激发空气生成大量臭氧，大部分的臭氧在处污设备中是没有与VOCs 发生反应的。

（2）空气氧浓度的影响

等离子体对VOCs 的降解受废气中氧浓度影响比较大，同等电压下，废气中10% 的含氧量分别比0%含氧量和20%含氧量的降解率高。

但是在实际处理过程中，废气的含氧量很难做到10% 的最佳比例，导致了等离子体技术处理设备对VOCs 的降解率达不到最佳效率，甚至会因为含氧量过高或过低，导致对VOCs 的降解率只有理论值70% 以下，不但达不到治理VOCs 的标准，生成的副产物对大气产生了更多污染。
（3）电压条件的影响

不管废气中含氧量多少，增大等离子体的电压，生成臭氧量都会增加。虽然电压大，可以增大激发电弧的能量，从而加大对VOCs 的降解率，但是，同时电压越大产生的臭氧量越大。

三、 活性炭吸附工艺

    活性炭吸附法是一种稳定且有效的VOCs治理工艺，活性炭的选择性吸附特性，使其对绝大多数的有机废气分子均具有较好的吸附效果。吸附效果受到以下几个条件限制：

1.吸附剂的品质，也就是活性炭本身的品质，不同价位不同品质的活性炭其吸附饱和度，吸附效率均不相同。一般廉价的活性炭吸附设备选购的活性炭多为低孔隙率，低表面积，低饱和度的廉价产品。

2.吸附床的设计参数：通过吸附层的速度，在吸附层内的停留时间，吸附床的压力损失。实际情况是大多数企业选用的活性炭吸附设备对以上参数均没有根据企业的情况进行设计调整，全部一概而论，导致真实的处理效率不高。

3.废气的温度和颗粒物含量：过高的温度会使吸附效率大幅降低，过高的含尘量会是活性炭阻塞，失去吸附效果。

除了受到以上几个条件限制外，活性炭吸附工艺还存在以下几个弊端：

1.吸附容量有限，一般不超过自身质量的15%，当吸附饱和时则丧失了吸附能力，而更换活性炭会产生固体废物甚至危险废物，购买新活性炭又增加了运行成本。大多数企业不了解自身设备的活性炭更换周期，做不到即时更换，监管也比较困难。

2.吸附过程只是完成了污染物的转移，将VOC分子从气相转移到了固相，VOCs分子并没有分解，其总量并没有减少！

根据对上述3种工艺的分析，结合现有大多数中小企业的使用现状，基本可以做出如下总结：

现有中小企业大多因为环保投资能力不足，场地有限，选用了廉价的光氧催化设备和低温等离子设备，这些设备多为未经设计的不合格产品，其停留时间大多不够1秒，催化剂大多为无效产品，灯管的品质有待商榷，工况的运行条件也无法满足理论最佳条件，导致处理效率低下或者没有，甚至出现出口浓度大于进口浓度的现象，许多装备了等离子设备的厂家因为维护不当甚至出现了起火现象。这些企业安装了所谓的VOC 处理设备，但却没有任何处理效果，完全留于形式，整天消耗大量电力维持设备运行不但没有使污染物减少，反而产生了大量臭氧和其他副产品，加重了大气环境的负担，是一种及其不合理的现象！

对于安装活性炭吸附设备的企业，由于其追求廉价，致使吸附床设计不合理或者根本未经科学设计，活性炭质量不过关，短时间内就完全饱和，丧失吸附能力。 

 鉴于以上种种原因，本公司为中小型VOCs排放企业量身定制了一款催化燃烧工艺的处理设备—RCO一体化处理设备。ROC一体化设备属于本公司的第三代产品，产品型号为YH-RCO-Ⅲ-100,其中第一代与第二代产品均为传统分体式RCO设备，目前均已完成上市并有许多成功案例。本公司第四代产品已经列入研发计划，第四代产品仍为一体化RCO设备，并与PID检测设备完美结合，能实时监控排放浓度变化调节自身工况，同时实现排放浓度在线传送与报警，实现处理、监测、联网监控一体化，极大程度的方便了环保主管部门对排污企业的在线化管理。

RCO（Regenerative Catalytic Oxidation）催化燃烧技术是VOCs（挥发性有机化合物）治理技术，催化燃烧是用催化剂使废气中可燃物质在较低温度下氧化分解的净化方法。

催化燃烧是典型的气——固相催化反应，其实质是活性氧参与的深度氧化作用。在催化燃烧过程中，催化剂的作用是降低活化能，同时催化剂表面具有吸附作用，使反应物分子富集于表面提高了反应速度，加快了反应的进行。借助催化剂可使有机废气在较低的起燃温度条件下，发生无焰燃烧，并氧化分解为CO₂和H₂0，同时放出大量热能，从而达到去除废气中的有害物的方法。在将废气中的进行催化燃烧的过程中，废气经管道由风机送入热交换器，将废气加热到催化燃烧所需要的起燃温度，再通过催化剂床层使之燃烧，由于催化剂的存在，催化燃烧的起常温度约为280-320℃，大大低于直接燃烧法的燃烧温度650-800℃因此能耗远比直接燃烧法低。

本公司生产的所有RCO处理设备，都由以下几部分构成：过滤箱、吸附床、燃烧炉、低温管道、高温管道、吸附风机、脱附风机、温度传感器、阀门及电动执行器和电控系统。

（1）过滤箱

我公司的过滤箱是整个RCO系统的前置保障系统，其作用是为了防止废气中的颗粒物和油性物质进入到后续系统中，造成吸附床和催化剂的阻塞，进入吸附床之前，废气中的颗粒物浓度需降低到10mg/m³以下。前置过滤器为两级过滤，该二级过滤器箱G4级过滤板+F7级过滤袋。G4级过滤板，其容尘量大，使用周期长，多用于空气初效过滤，采用抗断裂的合成纤维，平均效率在90%以上。F7级高效过滤袋，采用合成新型无纺布组成，过滤效率高，容尘量大，阻力小，使用寿命长。

（2）吸附床

吸附床是RCO系统中的污染物浓度富集系统，当有机废气经过吸附床时，85%-95%以上的废气分子被吸附床中的活性炭吸附，经过净化后的废气可以直接达标排放，在吸附风机的作用下吸附过程完成，在日常使用过程中，大部分时间均是靠吸附床的净化作用令废气达标排放。

本公司设计的吸附床，采用双层保温结构，夹层之间填充高铝硅酸铝耐高温防火保温材料，可以有效减少内外热量交换，保障吸附与脱附过程的低温与温度要求。采用高等级密封设计，有效减少废气的泄露。

床层内部采用多层抽屉式结构，方便吸附剂的更换，上下抽屉之间留有一定间隙，可以有效减少吸附床的阻力。吸附床内部结构经过多重优化，使气流分布均匀，保证吸附剂的高效利用；同时使脱附过程床层内部热量传递迅速，减少脱附时间。

吸附床内填装优质蜂窝状防水活性炭，吸附容量大，且可以实现50-100次的脱附再生，燃点高，可以耐受160度以上高温而不起火，安全可靠。

（3）  燃烧炉

催化燃烧炉的作用是把从活性炭上脱附出来的有机气体进行催化分解，分解为无毒的C0₂和H₂0，达到净化气体的目的，同时为活性炭的脱附再生过程提供热空气。

当吸附床中的活性炭吸附饱和之后，吸附过程就必须停止，进入脱附过程，此时，燃烧炉通过电加热将空气升温，通过脱附风机和高温管道将120摄氏度的热风送入吸附床，在高温下条件下活性炭之前吸附的大量污染物开始析出，并随风进入燃烧炉在催化剂的作用下分解成C0₂和H₂0，并通过排气筒排放。

本公司设计的催化燃烧炉采用炉芯、炉壳分开的双层保温结构，属于中低温度常压炉，根据工作原理不同可以分为热量交换区（GGS），电加热区和催化反应区三个区域。

每一个区域我公司都经过了严格的热量交换计算，保障整个脱附过程辅助热能与反应热能都有极高的利用率，最大程度的减少热能供给和能源消耗。催化区域内填装由杭州凯明公司提供的DMF与KMF型高效优质催化剂，工业应用转化效率分别大于95%和92%。

（4） 低温管道

吸附过程中废气流经的管道，呈矩形设计，采用3mm碳钢制作，外壳喷漆防腐，阀门安装处留有检修口。

（5）高温管道

脱附过程中废气流经的管道，采用双层保温结构，内层为螺旋镀锌风管，外层为304不锈钢，中间填充5cm厚高铝硅酸铝保温棉。

（6） 吸附风机

吸附过程提供动能的风机，采用引风设计，可变频控制。

（7） 脱附风机

脱附过程提供动能的风机，采用鼓风设计，可通过进气阀调节风量，采用耐高温散热电机，可以耐受200度以上高温气体。

（8） 温度传感器

为电控系统提供燃烧炉、吸附床、管道的温度参数，以实现对催化氧化过程和脱附过程的控制。

（9） 阀门及电动执行器

自动完成脱附过程和吸附过程的切换。

（10）电控系统

本机电控系统自动化运行由PLC控制实现，操作界面简单明了，可实现一键启动和一键关停，所有基本参数本公司已经在出厂时设置完毕，并在现场调试期间进行完善。

通过现场调试期间，对电控系统的不同参数设置，可以根据不同企业的工况条件，废气浓度，废气种类，改变吸附床的运行工况，设置不同的脱附时间，脱附温度与脱附频率，做到不同企业，不同工况下对应不同的运行状态，实现真正的“一厂一方案”。

本公司为廊坊某钢构公司喷漆废气治理设计的4万风量RCO分体式设备已经正常运转1年时间，根据其验收监测报告的数据显示，吸附过程废气进口浓度为55.7-64.3mg/m³，出口浓度4.20-5.46mg/m³，吸附效率大于90%；脱附过程燃烧炉进口浓度为299-338mg/m³，出口浓度25.7-26.3 mg/m³，处理效率大于91.8%，运行一年后填装的活性炭已经脱附了20多次，仍具有很好的吸附效率和吸附容量。

由此可见RCO处理工艺，具有很高的处理效率，同时运行稳定，是一种高效、可靠的有机废气处理方式。

传统的ROC处理设备（本公司的第一代与第二代产品）尽管处理效率高，运行成本低，但是占地面积大，投资大，安装过程复杂，调试周期长，出于以上种种原因，一般中小企业或没有资金或没有场地或没有人员，往往不会选择该设备。为克服以上缺陷，本公司设计了一款高度集成，小型化的RCO一体机（第三代产品YH-RCO-Ⅲ-100），如下图所示：

RCO一体机正面照片

RCO一体机背面照片

本产品10000m³/h处理能力的外形规格：长3700mm，宽1750mm，高1956mm，外形规矩，呈长方体，大幅减少了设备占地。

该设备可以实现批量生产，大幅降低了生产成本，减少了企业投资。

在工厂内已经完成了对该设备绝大部分的安装与调试工作，现场仅需安装管道与风机，即可开机正常工作，省去了复杂的现场安装过程与调试过程，投入运行的时间从15-30天缩短至1-2天。

该设备内置的电控系统与操作程序可以实现一键启动与一键关闭功能，无需专业人员看护。其电控系统可以在现场调试期间根据不同企业的工况设置不同的运行参数，做到有针对性的一长一方案。

尽管ROC一体机外形尺寸大幅减小，但是它同样包含了ROC系统中的所有内容，过滤箱、吸附床、燃烧炉、低温管道、高温管道、吸附风机、脱附风机、温度传感器、阀门及电动执行器和电控系统一应俱全！

经过对多种废气源（如油漆稀释剂，印刷油墨稀释剂等）的测试，该设备吸附过程处理效率大于90%，燃烧过程处理效率大于92%，综合处理效率90%以上，且整个运行过程实现了吸附剂的重复利用与污染物的真实削减。

注：按每天运行8小时，11kw为风机用电量， RCO设备按加热功率按45kw，一个月脱附一次，每次脱附4小时计。

基于上述事实，建议安装了光氧催化，低温等离子或者活性炭吸附等廉价环保设备的中小型VOC排放企业，尽快淘汰现有的有明显设计缺陷的所谓治理设备，改用先进且稳定的催化燃烧（RCO）工艺。

催化燃烧是现阶段代替光氧、低温等离子等效率低下的有机废气治理措施的最佳方案，一体化设施能够很好地解决占地面积需求大，投资高，运行费用高，治理效果低下等弊端，是今后的一个发展趋势。

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2019.5.24