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以某家涂料生產(chǎn)企業(yè)為例,分析大風量、低濃度非連續(xù)排放有機廢氣治理技術(shù)的經(jīng)濟性。結(jié)果發(fā)現(xiàn):(1)對于大風量、低濃度有機廢氣,在幾種主流治理技術(shù)中,當回收液具有利用價值時,"活性炭吸附-氮氣脫附冷凝溶劑回收技術(shù)"相較"RTO(蓄熱式熱氧化)技術(shù)"、"沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮-RTO技術(shù)"及"沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮-CO(催化氧化)技術(shù)"的經(jīng)濟性更優(yōu);而回收液需作為危廢處置時,"沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮-CO技術(shù)"更具經(jīng)濟性,但必須考慮來氣的情況,選擇合適的催化劑,確保系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。(2)對于非連續(xù)排放的廢氣,"分散收集,集中處理"的治理模式有利于降低VOCs治理裝置投資成本,具有很好的經(jīng)濟性。

揮發(fā)性有機物( VOCs) 作為光化學反應(yīng)的重要前體物，是產(chǎn)生灰霾的主要根源，不僅危害環(huán)境而且危害人類健康，近年來受到社會高度重視，VOCs治理迅速掀起了一股熱潮。

VOCs治理技術(shù)有吸附、冷凝、吸收、膜分離等回收技術(shù)，以及燃燒、生物、低溫等離子體、紫外光催化氧化等消除技術(shù)，以及根據(jù)廢氣特點采取組合技術(shù)。近年來，對于大風量、低濃度有機廢氣，治理的主流技術(shù)有“RTO ( 蓄熱式熱氧化) 技術(shù)”“沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮- RTO 技術(shù)”“活性炭吸附- 氮氣脫附冷凝溶劑回收技術(shù)”和“吸附濃縮- CO ( 催化氧化) 技術(shù)”，廣泛運用于汽車涂裝廢氣、家具廠噴漆廢氣、包裝印刷廢氣、涂料生產(chǎn)廢氣等的治理。

企業(yè)在選擇VOCs 治理技術(shù)時，必須兼顧技術(shù)可行性和經(jīng)濟適宜性，昂貴的投資和較高的運行費用對于很多企業(yè)來說難以承受。涂料生產(chǎn)廢氣是典型的大風量、低濃度有機廢氣，因此，本文以非連續(xù)生產(chǎn)的某涂料生產(chǎn)企業(yè)為例，比較幾種可行技術(shù)方案的經(jīng)濟性，為優(yōu)化VOCs 治理方案提供參考。

1 VOCs治理技術(shù)經(jīng)濟性分析

1. 1 各技術(shù)工藝簡介

1. 1. 1 RTO技術(shù)

RTO 是一種配有蓄熱床層的熱力燃燒治理技術(shù)，蓄熱燃燒系統(tǒng)主要由燃燒裝置、蓄熱室( 內(nèi)有蓄熱體) 、換向系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)和連接管道等組成( 見圖1) ，其工作原理為: 將有機廢氣加熱至750℃以上，使廢氣中的有機物氧化分解成CO2和H2O，氧化反應(yīng)產(chǎn)生的高溫氣體流經(jīng)蓄熱體，使蓄熱體升溫而“蓄熱”，進而用于預(yù)熱后續(xù)進入的有機廢氣而“放熱”，從而節(jié)省廢氣升溫所消耗的燃料量，蓄熱體“放熱”后立即引入適量潔凈空氣進行清掃，待清掃完成后才能進入“蓄熱”程序。三室RTO 是目前主流的應(yīng)用裝置，蓄熱體分為三個室，每個室依次經(jīng)歷“蓄熱—放熱—清掃”等程序，如此反復(fù)。由于蓄熱系統(tǒng)的熱回收效率很高，該技術(shù)可對具有一定濃度的連續(xù)排放的有機氣體進行高效且較經(jīng)濟的處理。

1. 1. 2 催化氧化技術(shù)

催化氧化系通過催化劑的作用減低揮發(fā)性有機物的氧化反應(yīng)所需的溫度，與直接燃燒相比，由于燃燒溫度較低，對設(shè)備材料和保溫的要求相應(yīng)減低，同時排氣溫度通常也低于直接燃燒，達到一定的節(jié)能效果，總體占地面積小，風量不大時投資相對較小。催化氧化工藝流程見圖2，催化工藝在選擇催化劑時需要全面考慮來氣的情況，確保催化劑在使用過程中不出現(xiàn)失活現(xiàn)象才能達到設(shè)計的性能和催化劑使用壽命。由于采用的是間壁式換熱裝置，其熱回收率要大大低于RTO。

1. 1. 3 沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮-RTO ( 或CO) 技術(shù)

該技術(shù)是沸石轉(zhuǎn)輪吸附同RTO ( 或CO) 技術(shù)的組合工藝，系統(tǒng)主要由粉塵過濾器、沸石轉(zhuǎn)輪濃縮吸附裝置、RTO ( 或CO) 、風機、換熱器、PLC自動化控制系統(tǒng)等組成( 見圖3) 。該組合技術(shù)通過沸石轉(zhuǎn)輪的吸附濃縮使大風量、低濃度有機廢氣濃縮為較小風量的高濃度氣體，高濃度氣體再經(jīng)RTO 或CO 高溫氧化分解為CO2和H2O。轉(zhuǎn)輪的工作原理為: 轉(zhuǎn)輪以一定轉(zhuǎn)速連續(xù)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)過吸附區(qū)、脫附區(qū)和冷卻區(qū)，有機廢氣在吸附區(qū)被吸附凈化，吸附在轉(zhuǎn)輪中的有機物在脫附區(qū)被熱風脫附濃縮后進入RTO 或CO，脫附后的轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)到冷卻區(qū)被冷卻，再旋轉(zhuǎn)至吸附區(qū)，持續(xù)吸附VOCs 廢氣，周而復(fù)始，連續(xù)工作。

1. 1. 4 活性炭吸附- 氮氣脫附冷凝溶劑回收技術(shù)

該技術(shù)是活性炭吸附與冷凝的組合工藝，系統(tǒng)主要由粉塵過濾器、顆?；钚蕴课窖b置、氮氣脫附系統(tǒng)、風機、冷凝系統(tǒng)、PLC 自動化控制系統(tǒng)等組成( 見圖4) 。該組合技術(shù)通過活性炭吸附- 高溫氮氣脫附使大風量、低濃度有機廢氣濃縮為高濃度氣體，高濃度氣體再經(jīng)冷凝系統(tǒng)冷凝成溶劑并回收。脫附再生后的活性炭再繼續(xù)用于VOCs 廢氣的吸附。

1. 2 案例的技術(shù)經(jīng)濟性分析比較

根據(jù)某涂料生產(chǎn)企業(yè)廢氣的排放情況，采用以上主流工藝設(shè)計若干可行的技術(shù)方案，并通過各技術(shù)方案的投資和運行費用等分析比較，從技術(shù)經(jīng)濟性角度進行方案優(yōu)選。

樣本企業(yè)VOCs 廢氣情況: 廢氣排口有5 個，三個車間，車間排口數(shù)分別為2 個、2 個、1 個，由于涂料生產(chǎn)的特點，排放VOCs 氣體的濃度不穩(wěn)定，約100 ～ 400mg /m3。該企業(yè)每周生產(chǎn)5d，每天生產(chǎn)8h，VOCs 廢氣具有大風量、低濃度、非連續(xù)穩(wěn)定排放的特點。

結(jié)合廢氣污染源的情況，設(shè)計了7 種備選方案，如下:

方案A 配置5 套處理能力25 000m3 /h 的RTO;

方案B 配置5 套處理能力25 000m3 /h 的轉(zhuǎn)輪濃縮加3 000m3 /h 的RTO;

方案C 配置2 套處理能力50 000m3 /h 的轉(zhuǎn)輪濃縮加5 000m3 /h 的RTO，1 套處理能力25 000m3 /h 的轉(zhuǎn)輪濃縮加3 000m3 /h 的RTO;

方案D 配置5 套處理能力25 000m3 /h 的活性炭吸附- 氮氣脫附冷凝溶劑回收裝置;

方案E 配置2 套處理能力50 000m3 /h 的活性炭吸附- 氮氣脫附冷凝溶劑回收裝置，1 套處理能力25 000m3 /h 的活性炭吸附- 氮氣脫附冷凝溶劑回收裝置;

方案F 配置5 套處理能力25 000m3 /h 的轉(zhuǎn)輪濃縮加3 000m3 /h 的CO;

方案G 配置2 套處理能力50 000m3 /h 的轉(zhuǎn)輪濃縮加5 000m3 /h 的CO，1 套處理能力25 000m3 /h 的轉(zhuǎn)輪濃縮加3 000m3 /h 的CO。

考慮到生產(chǎn)為非連續(xù)性，按每天排放8h，平均排氣濃度250mg /m3 考慮。方案A、B、C 中的RTO 每天啟爐一次。方案B、C 中的轉(zhuǎn)輪濃縮加RTO 系統(tǒng)正常運行時，由于增濃后的氣體濃度達到RTO 自持氧化濃度范圍，不考慮濃縮后氣體的RTO 輔助燃料費用，僅考慮轉(zhuǎn)輪濃縮的加熱附加燃料費用。由于風量大濃度低且間歇運行，方案D、E 按每5d 保護作用時間的吸附容量設(shè)計，每套系統(tǒng)配備由兩臺并聯(lián)吸附床構(gòu)成的可就地再生吸附凈化系統(tǒng)，生產(chǎn)擴產(chǎn)時可實現(xiàn)連續(xù)運行。方案F、G 的CO 也是每天啟爐一次，但需要補充一定量的燃料以維持CO 的正常運行。

對于RTO 系統(tǒng)，其直接運行費用包括風機及輔助系統(tǒng)的電費、輔助燃料費( 包括啟動加熱和進氣濃度不高時的輔助加熱) 和運行維護人員費用。對于風量25 000m3 /h 的RTO，其裝機功率按55 kW 計，進氣濃度按平均250mg /m3 考慮; 對于5 000 m3 /h 的RTO，其裝機功率按22kW 計，不考慮輔助燃料消耗; 對于3 000m3 /h 的RTO 的功率按12kW 計，也不考慮輔助燃料消耗。考慮到RTO系統(tǒng)每天的啟動加熱操作，每天運行按10h 計。由于是非連續(xù)運行，每臺RTO 均考慮每天啟動烘爐的燃氣消耗，烘爐燃氣量參照RTO 的供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)估算。

對于25 000m3 /h 轉(zhuǎn)輪濃縮系統(tǒng)，兼顧3 級預(yù)處理過濾的阻力及再生氣體的動力等，主風機、輔助風機等功率按20kW 計; 50 000m3 /h 轉(zhuǎn)輪濃縮系統(tǒng)，按35kW 計，由于進氣濃度較低，均考慮了脫附加熱所需的燃氣消耗。

25 000m3 /h 活性炭吸附系統(tǒng)的吸附風機功率按22kW 計，每天按8h 運行時間計，再生系統(tǒng)裝機功率75kW ( 含制冷系統(tǒng)) 。方案D 按平均每天再生一套、每次再生5h 設(shè)計，再生過程采用的高溫氮氣用蒸汽加熱，再生耗蒸汽量每次按1. 5t 計。

方案E 為2 套50 000m3 /h 和1 套25 000m3 /h 的活性炭吸附加氮氣脫附裝置，3 套系統(tǒng)每周各再生1次，費用平均到5d 得到日運行費用。

對于CO 系統(tǒng)，其直接運行費用包括風機及輔助系統(tǒng)的電費、輔助燃料費( 包括啟動加熱和輔助加熱) ，催化劑運行20 000h 后的更換費用和運行維護人員費用。對于5 000 m3 /h 的CO，其裝機功率按5. 5kW 計，輔助燃料消耗按進出口溫差140℃計; 對于3 000m3 /h 的CO 的功率按4kW 計，輔助燃料消耗按進出口溫差140℃計?？紤]到CO系統(tǒng)每天的啟動加熱操作，每天運行按8. 5h 計。由于是非連續(xù)運行，每臺CO 均考慮每天啟動烘爐的燃氣消耗，烘爐燃氣量按將催化床加熱到300℃時的熱量平衡數(shù)據(jù)估算。

由于RTO、轉(zhuǎn)輪濃縮加RTO 以及轉(zhuǎn)輪濃縮加CO 涉及的熱氧化系統(tǒng)套數(shù)多，且需要每天啟動時加熱爐體，工作時間較長，需3 ～ 4 人運行。再生式活性炭系統(tǒng)，為全自動運行，盡管再生時需要值守，方案D、E 因采用的是就地再生，只需配備1人即可操作運行。電費按0. 8 元/kW·h 計，天然氣按3. 5 元/m3 計，蒸汽按0. 3 元/kg 計，人員費用按300 元/d 計。

基于以上方案及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可得到不同方案的運行費用( 表1) 。表1 中系統(tǒng)的投資費用由于涉及到技術(shù)專利、材質(zhì)、設(shè)備及自控元器件等配置的差異，結(jié)合供應(yīng)商的詢價，給出了大致的價格區(qū)間。

在表1 投資費用基礎(chǔ)上取中間值，并按10 年使用壽命，5%的利率及每年工作250d，平均設(shè)計濃度250mg /m3，回收率90% 等條件計算出的年度直接費用、間接費用和年度總費用情況如表2 所示。其中活性炭方案D、E 分別給出了回收液回用( D1、E1) 和作為危廢處置( D2、E2) 兩種情況的費用，回收液可用價格取5 000 元/t，危廢處理費按8 000 元/t 計。

方案A 對于低濃度且非連續(xù)排放的氣體采用RTO 工藝，一方面RTO 的氣流阻力較大，濃度低時需要添加輔助燃料，同時間歇運行，每天均需要進行啟動升溫，總體上非常不經(jīng)濟。

方案B 采用沸石轉(zhuǎn)輪濃縮加RTO 的方式，由于濃縮系統(tǒng)的流體阻力較小，故有效地減少了主體氣流的阻力，同時濃縮后的氣體再進行熱氧化減少了熱氧化的輔助燃料需求，但每天的啟爐和轉(zhuǎn)輪的熱再生需要消耗一定的動力能源。

方案C 系根據(jù)樣本企業(yè)的實際情況進行的優(yōu)化，通過合并系統(tǒng)的規(guī)模效應(yīng)提高了技術(shù)經(jīng)濟性。

方案D 配置活性炭吸附氮氣保護脫附系統(tǒng)，因吸附凈化阻力不大，總體運行成本*低，由于活性炭系統(tǒng)的吸附能力，與熱氧化系統(tǒng)相比更加適用于非連續(xù)排放過程，但因工藝復(fù)雜及安全配置的因素，投資費用不低。該系統(tǒng)主要用于溶劑回收，進口氣體濃度高時，技術(shù)經(jīng)濟性更佳。對于樣本企業(yè)，回收的溶劑可用于低端產(chǎn)品制造。因此D1 方案情景總體年度費用較熱氧化方案具有優(yōu)勢。如表2所示，如果回收液無法利用，則還需要考慮將收集液體作為危廢的處置的運行費用，如D2 方案情景所示，活性炭吸附氮氣保護脫附系統(tǒng)的運行費用要超過濃縮熱氧化系統(tǒng)。

方案E 為方案D 根據(jù)企業(yè)情況的優(yōu)化版，通過合并系統(tǒng)的規(guī)模效應(yīng)提高了總體的技術(shù)經(jīng)濟性。方案E1 情景在所有方案情景中總年度費用*低。

方案F 為沸石轉(zhuǎn)輪濃縮加CO 的方式，與方案B 相比，由于CO 床層阻力較RTO 要小，所以總體電耗減低，但由于通常情況下催化燃燒的熱回收率要遠低于RTO，所以需要添加一部分輔助燃料，因此總體動力費用差距不大。但考慮到催化劑的更換費用，總體直接運行費用要高于RTO。CO 系統(tǒng)在小風量情況下的投資要小于RTO，因此總年度費用總體較低。但使用CO 設(shè)備時，在控制催化劑失活保證系統(tǒng)性能穩(wěn)定性方面需要特別注意。

方案G 為方案F 根據(jù)企業(yè)情況的優(yōu)化版，通過合并系統(tǒng)的規(guī)模效應(yīng)提高了總體的技術(shù)經(jīng)濟性。

從表2 可知，對于樣本企業(yè)，“RTO 技術(shù)”投資和運行費用*高，在回收液可以回用于生產(chǎn)時，“沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮- RTO 技術(shù)”及“沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮- CO 技術(shù)”投資和運行費用也明顯高于“活性炭吸附- 氮氣脫附冷凝溶劑回收技術(shù)”。所以，就樣本企業(yè)的情況而言，從經(jīng)濟性角度，優(yōu)先采用“活性炭吸附- 氮氣脫附冷凝溶劑回收技術(shù)”，且方案E 優(yōu)于方案D。

2 治理模式改進

2. 1 “分散收集，集中處理”模式

根據(jù)前述技術(shù)經(jīng)濟性分析，選用“活性炭吸附- 氮氣脫附冷凝溶劑回收技術(shù)”對樣本企業(yè)廢氣進行治理。

考慮到間歇排放且VOCs 排放負荷較低，為了進一步減少投資，同濟大學提出“分散收集，集中處理”的區(qū)域范圍VOCs 減排控制模式，即方案H，配置7 套( 5 用2 備) 處理能力25 000m3 /h 移動式活性炭吸附裝置和1 套活性炭裝置再生中心，該方案中“分散收集”指采用5 個移動式活性炭吸附裝置分別對5 個排口VOCs 廢氣進行吸附凈化，當吸附一段時間后，在線監(jiān)控設(shè)施顯示排口VOCs 濃度接近60% ～ 80% 的排放限值時，將移動式活性炭吸附裝置運送到廠內(nèi)集中建設(shè)的一套“氮氣脫附冷凝溶劑回收系統(tǒng)”的活性炭裝置再生中心進行脫附再生，同時排口處更換一個再生過的移動式活性炭吸附裝置。

方案H 和方案D 規(guī)模和再生頻次相似，只是方案H 需要進行吸附器的移動，活性炭吸附系統(tǒng)排氣點處為吸附過程，無需人員運行看管。系統(tǒng)運行時，每天的主要工作為1 臺吸附裝置的更換移動及再生中心5h 的再生，系統(tǒng)的運行和維護按2 人計。方案H 的年度費用情況見表3，投資費用在500 ～ 700 萬元之間，盡管人工費用有所增加，但總體年度費用仍然明顯低于方案D、E。

方案H 主要針對間歇生產(chǎn)的特點，采用可移動式活性炭吸附裝置加集中再生的模式進一步提高了技術(shù)經(jīng)濟性。由于生產(chǎn)裝置運行前不需要特別提前對環(huán)保裝置進行預(yù)熱，集中再生可有效提高再生裝置的使用效率，特別適合于大風量、低濃度非連續(xù)排放的污染源的控制。該模式突破了常見的活性炭吸附- 脫附一體化就地處理的模式，大大減少了建設(shè)造價。

該治理模式控制的關(guān)鍵是對廢氣排口VOCs 濃度進行實時監(jiān)控，樣本企業(yè)采用較經(jīng)濟且維護較簡單、便捷，使用相對安全的光離子氣體檢測儀( PID) 進行內(nèi)控監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)可以在手機應(yīng)用程序上實時查看，一旦數(shù)據(jù)達到設(shè)定的監(jiān)控上限值時，就更換移動式活性炭吸附裝置。

2. 2 實際運行效果說明

方案H 實施后，為了驗證該治理工藝的治理效果，樣本企業(yè)委托第三方對5 個廢氣排口進行了監(jiān)測，移動式活性炭吸附裝置進出口非甲烷總烴的監(jiān)測結(jié)果見表4，結(jié)果顯示廢氣經(jīng)治理后5 個排口非甲烷總烴均能達標排放，且在一定條件下，非甲烷總烴的去除效率能達90%以上。

方案H 實施后，樣本企業(yè)的實際投資和運行費用與方案H 預(yù)期相差不大( 見表4) ，由于樣本企業(yè)實際生產(chǎn)負荷低，產(chǎn)生的廢氣濃度低，且非連續(xù)穩(wěn)定排放，日回收溶劑量為86. 2 kg，回收溶劑用于低端產(chǎn)品生產(chǎn)，可產(chǎn)生431 元/d 的經(jīng)濟效益( 見表5) 。

2. 3 移動式治理模式的應(yīng)用前景

活性炭吸附技術(shù)是簡單易行的治理技術(shù)，是一些分散的諸如噴涂、印刷、化工等小型企業(yè)首選的治理技術(shù)。但單個企業(yè)建設(shè)相應(yīng)的活性炭再生系統(tǒng)費用高，小企業(yè)往往難以承擔。如果采用更換活性炭的方式，新活性炭購買和廢活性炭作為危廢處置的費用均很高。因此，要減輕單個企業(yè)的治理費用，可采用移動式治理模式，將吸附飽和的活性炭，送到統(tǒng)一建設(shè)的活性炭異位( 地) 再生平臺進行再生，大大減少單個企業(yè)的投資費用。也可采用“吸附- 移動脫附”的VOCs 凈化技術(shù)，廢氣收集后經(jīng)多級過濾裝置去除漆霧、顆粒物，再經(jīng)分子篩吸附床吸附后達標排放。吸附床吸附飽和后由移動式解吸裝置原位脫附，脫附出的VOCs 經(jīng)催化燃燒裝置凈化處理。

總之，無論是異位脫附還是原位脫附的移動式治理模式，都是打破傳統(tǒng)的吸附- 脫附一體化模式，優(yōu)化吸附劑再生方式，具有更好的經(jīng)濟性，尤其適用于非連續(xù)排放的廢氣。

3. 1 對于大風量、低濃度有機廢氣，在幾種主流治理技術(shù)中，當回收液具有利用價值時，“活性炭吸附- 氮氣脫附冷凝溶劑回收技術(shù)”相較“RTO”“沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮- RTO 技術(shù)”及“沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮- CO 技術(shù)”的經(jīng)濟性更優(yōu); 而回收液需作為危廢處置時， “沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮- CO 技術(shù)”更具經(jīng)濟性，但必須考慮來氣的情況，選擇合適的催化劑，確保系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

3. 2 對于非連續(xù)排放的廢氣， “分散收集，集中處理”的治理模式有利于降低VOCs 治理裝置投資成本，具有很好的經(jīng)濟性。