VOCs废气治理技术与应用：全面解析

1.生物治理技术

（1）技术原理

生物技术主要分为生物过滤技术、生物滴滤技术、生物洗涤技术。主要采用生物过滤技术，其工艺原理主要采用了液体吸收和生物处理的组合作用。VOCs首先被液体有选择性地吸收形成混合态（气相与液相组合），再通过微生物的代谢作用将其中的污染物降解。

具体过程是：先将人工筛选的特种微生物菌群固定于生物填料上，当污染气体经过填料表面初期，可从污染气体中获得营养源的那些微生物菌群，在适宜的温度、湿度、pH等条件下，将会快速生长、繁殖，并在填料表面形成生物膜，当废气通过其间，有机物被生物膜表面的水层吸收后（气相与液相组合）被微生物吸附和降解，得到净化再生的水被重复使用。

污染物去除的实质是以废气作为营养物质被微生物吸收、代谢及利用。这一过程是微生物相互协调的过程，比较复杂，它由物理、化学、物理化学以及生物化学反应所组成。

生物净化VOCs工艺过程可以表达为：

·VOCs同水接触形成气相液相混合态。

·水溶液中的VOCs成分被微生物吸附、吸收，VOCs成分从水中转移至微生物体内。

·进入微生物细胞的VOCs成分作为营养物质被微生物分解、利用，从而使污染物得以去除。

（2）技术特点

·效率高，含硫恶臭物质去除率在95%以上，VOCs去除率在70%～90%以上，处理后的气体能持续达到国家及地方环保标准。

·停留时间短（3～8秒），系统结构简单，占地面积小，体积小，投资低。

·生物菌种一次挂膜成型后，不需再加生物菌种。生物菌种和填料使用寿命长（8～10年），只是须不定期进行检测。

·系统运行稳定，压损少（800Pa左右），不易堵塞，出故障（主要来自风机和小水泵）概率低。

·具有间歇工作能力。当工厂检修或放假时，不需要做任何维护；停止运行30天后，再次运行，其效率不受影响。

·操作管理简便，不需专人负责；除收集废气所需的风机外，只有间歇抽水喷淋的小水泵的电费，用电极省。每月仅需少量的营养液调理微生物生长环境，运行费用低。

·根据实际情况和要求，净化器设置可以是集中式，也可以是分散式。

·该技术利用生物降解废气，全过程绿色、环保，无二次污染物产生，无燃烧、爆炸风险，属于环境友好型净化技术。

·不适合高浓度的废气，生物技术适合降解300mg/m3以内浓度的有机废气。尽管超过该浓度的废气可采用稀释至300mg/m3以内再做治理，但会带来工程投资及占地面积增加等问题。

·不适合有剧毒（重金属、氰化物等）或高温（＞60℃）会造成微生物死亡的环境。

（3）方案造价

生物治理技术造价为135万～138万元（适合室内安装）。

（4）治理依据

通过企业化学品的年使用量可以推算出VOCs的年排放量及排放浓度，通过该浓度可以确定废气属于大风量低浓度废气，该废气不适合燃烧法处理（处理成本巨大），故确定为生物法（生物降解）。

设计总处理风量为35000m³/h。

（5）使用案例

①深圳市雅昌印务有限公司使用情况

深圳市雅昌印务有限公司安装有两套高效低阻型有机废气（VOCs）生物净化系统，一套风量为60000m³/h，于2014年7月完成安装调试，另一套风量为50000m³/h，于2015年3月完成安装调试。设备安装至今运行稳定，处理效果良好，两套净化系统经第三方检测公司检测的排口数据均低于当地的排放标准，设备的净化效率均高于80%，其中非甲烷总烃的净化效率大于90%。

②北京奇良海德印刷股份有限公司使用情况

北京奇良海德印刷股份有限公司胶印车间现有4台德国海德堡 SM74 印刷机（六色机1台、五色机2台、四色机1台），安装一套高效低阻型有机废气（VOCs）生物净化系统，风量为10000m³/h，于2017年4月完成安装调试。系统运行稳定，该系统经北京市环保局现场采样测试检验后完全符合相关的排放标准。

③北京博海升彩色印刷有限公司使用情况

北京博海升彩色印刷有限公司是一家集印前设计制作、CTP 制版、印刷、装订、印后加工到成品完成为一体的大型专业印刷生产企业，现有10台德国海德堡单张纸胶印机。安装了一套高效低阻型生物净化系统，风量为20000Nm³/h，设备运转稳定。

④北京科信印刷有限公司使用情况

北京科信印刷有限公司是一家以印制高端科技期刊为主的现代化印刷企业，涵盖印前、印刷和印后生产设备，现有10台进口/国产的单色/彩色单张纸胶印设备。安装了一套高效低阻型生物净化系统，风量为15000Nm³/h，设备运转稳定。

2.沸石转轮吸附浓缩+RTO治理技术

（1）技术原理

吸附浓缩处理过程中，起决定性作用的是吸附材料的性能。吸附原理是利用吸附材料的多孔结构与有机废气中VOCs成分之间的引力，将VOCs固定在吸附材料内，使有机废气得到净化。目前，常用于VOCs气体治理的吸附材料主要是沸石分子筛和活性炭。

沸石分子筛是一种具有立方晶格的硅铝酸盐化合物，主要由硅铝原子通过氧桥连接组成空旷的骨架结构，在结构中有很多孔径均匀的孔道和排列整齐、内表面积很大的空穴。其孔道的孔径为分子大小的数量级，它只允许直径比孔径小的分子进入，相当于将废气中不同组分的分子按大小加以筛分。沸石分子筛的成分决定了其不可燃性，并且对VOCs的吸附速率快，但吸附容量中等。相对吸附工作时间短，脱附再生频繁。根据其吸附特点，一般采用转轮工艺，对其进行不断吸附—再生—降温的循环工艺。

吸附材料不断吸附VOCs，当吸附饱和后，不再继续吸附工作，须进行脱附再生。一般采用高温气体对吸附材料加热，当加热到一定程度，被吸附的VOCs将从吸附材料中脱附出来，使吸附材料再生，实现循环使用。

经浓缩后的VOCs废气的浓度较高、风量小，须进一步彻底处理才能完全消除有机污染物。VOCs的彻底净化技术主要是采用氧化技术，可将VOCs污染物氧化成CO2和H2O，不会产生二次污染等问题，并且技术成熟，应用广泛（见图2-2）。

图2-2　沸石转轮+催化燃烧设施构成

（2）技术特点

①吸附技术特点

不同的吸附材料具备不同吸附特点，采用不同的工艺、设备，以适应不同工况下的VOCs废气治理。沸石分子筛和活性炭工艺综合性能对比见表2-8。

表2-8　沸石分子筛和活性炭工艺综合性能对比

②氧化技术特点

氧化技术分为催化氧化和直接燃烧氧化，主要设备有催化氧化炉（CO）和直燃氧化炉（TO），其技术指标对比如表2-9所示。

表2-9　催化氧化和直接氧化技术指标对比

催化氧化技术采用以铂、钯等活性金属为催化剂，使VOCs污染物在较低的温度下，在催化剂表面被氧气氧化分解生成CO2和H2O，起燃温度低，反应速率快，并释放大量的热。该过程中催化材料预热至规定温度，进行氧化反应，当浓度足够高时，催化氧化反应热即可实现能量平衡，不再需要外加热量，节省能源。

直接燃烧氧化技术一般针对VOCs浓度较高的有机废气，通过天然气等燃料的燃烧，直接将VOCs氧化去除。该过程需要消耗大量燃料，温度高，能耗大，运行费用高，同时去除效率高，达标排放可得到保障。一般产生的热量可通过换热器回收利用，但回收效率低。

（3）方案造价

沸石转轮吸附浓缩+催化燃烧治理设施的造价从几百万元至一千多万元。

（4）治理依据

公司生产过程中产生的印刷废气具有风量大、浓度低、总量大，主要污染物分子量小、不易生物降解等特点。根据该特点，应先经吸附浓缩后，减小风量、提高VOCs浓度，以便于集中处理，降低下一步彻底消除VOCs的成本。

（5）应用案例

①北京印钞有限公司

北京印钞有限公司始建于公元1908年（清光绪三十四年），是中国近代第一家采用钢版雕刻凹印工艺印制钞票的官办印钞厂。1912年，改称“民国政府财政部印刷局”，是当时国内技术最先进的印钞企业。

新中国成立后，特别是经过改革开放四十年的建设，北京印钞有限公司已经成为具有设计和印制货币等有价证券的具有综合生产能力的国家大型骨干印钞和防伪印刷企业。公司主要产品是人民币，其余产品还涉及港币、澳币等。主要生产设备有海德堡四色胶印机、海德堡六色胶印、超级接线凹印机、四色凹版印钞机、六色凹版印钞机等。

企业产生的废气主要包括印刷车间产生的挥发性有机物、锅炉废气、食堂废气。企业胶凹印车间产生的挥发性有机物经等离子体处理设备处理后，丝凸印车间产生的挥发性有机物经活性炭吸附处理后，实现达标排放，其中活性炭更换频次为3个月一次。食堂废气经高效油烟净化器净化后，达标排放。(www.xing528.com)

公司产生VOCs节点为胶印工序、凹印工序和印码工序，公司在VOCs产生节点安装车间整体式排风设施进行废气的收集，通过高能等离子体技术对VOCs进行处理，处理后直接排放到大气中。公司采取的废气处理设备为高能等离子体，是在车间内先治理，后集中排放，但车间整体式排风设施，可认为无组织排放，按20%处理；胶印和凹印工序VOCs处理工艺采用高能等离子体技术，去除效率按30%计算。丝凸印工序VOCs处理工艺采用活性炭吸附技术，去除效率按30%计算。公司每年VOCs排放量为70.431吨，其中有组织排放为51.896吨，无组织排放为18.534吨。采用高能等离子体治理技术及活性炭吸附技术，治理效率较低。

针对生产车间内12台胶印机、18台凹印机和9台印码机的废气浓度较高位置（墨车位置）增加收集系统，收集风量可调，把收集废气引出车间。再加装RTO废气净化治理设施，确保治理后废气中非甲烷总烃浓度低于15毫克/立方米。公司改造后安装了一套沸石转轮吸附浓缩+催化燃烧治理设施，造价1170万元。西区工房印刷废气实现达标排放，年减少VOCs排放57.52吨。

②北京日报印务有限责任公司

北京日报印务有限责任公司前身为北京日报社印务公司，最早成立于1996年，是京报集团下的国家一级日报社印务公司。主要承担《北京日报》《京郊日报》《北京晚报》《法制晚报》等20多种报纸的印刷任务，年产量近10亿对开张，产值7000万元，是北京地区国有报业印刷核心企业之一，是具有规模的专业化现代化印刷厂，7条主生产线总设计生产能力达150万对开张/时。

公司目前印刷主力机型为四条曼罗兰基欧曼大型印刷生产线、一条优尼塞特中型印刷生产线和一条高宝科美特中型印刷生产线及一条高斯M800商用卷筒纸印刷生产线，总设计生产能力达150万对开张/时。可以一次完成照排、制版、彩印、邮发等系列任务，既可以印刷普通新闻纸报纸，又可以印刷轻涂纸、铜版纸等精品报纸。

公司年VOCs产生量为5159.48kg，本方案采用沸石转轮吸附浓缩+催化燃烧的合理工艺，废气处理设施气体收集效率按60%计，设备的处理效率按95%计，则年减少VOCs排放量为5159.48kg×60%×95%=2940.9kg。

3.活性炭吸附浓缩+催化燃烧治理技术

（1）技术原理

活性炭是一种具有丰富孔隙结构和巨大比表面积的碳质吸附材料，它具有吸附能力强、化学稳定性好等特点。不均匀的孔道结构使其可以对废气中各种尺寸的VOCs均有一定的吸附作用，几乎没有选择性。巨大的比表面积使单位重量的活性炭比分子筛吸附更多的VOCs。活性炭类型可分为颗粒状和蜂窝状，为方便再生、减少废气通过阻力，一般选用蜂窝状。活性炭属于可燃材料，为安全起见，一般采用安全的脱附工艺，附加更多的安全措施。

对活性炭的脱附再生，可采用高温水蒸气、高温氮气，为减少再生成本，一般采用温度小于120℃的高温空气。蜂窝活性炭的吸附速率慢，为保证吸附治理效果，一般须堆积大量的活性炭，导致其占地面积较大，并且是采用间接运行的方式实现脱附再生。

活性炭吸附箱设有五个吸附床，材质为碳钢结构，防腐处理，以轮流切换的方式运行（四吸一脱），吸附材料采用蜂窝状活性炭。废气净化设备总处理风量为50000m3/h，由废气过滤箱、活性炭吸附箱、催化燃烧装置、动力风机、电控系统和氮气保护系统等组成（见表2-10）。过滤箱是净化废气中颗粒物杂质的净化装置，其内部设有双层过滤器，过滤级别为G4、F7型过滤器，外部装有压差计，可监测过滤器使用情况以便及时更换。

表2-10　废气净化设备组成表

催化燃烧装置处理风量2000m3/h，加热温度250～350℃，燃烧温度300～ 400℃。废气净化设备控制系统保证整套设备的自动运行，通过PLC可编程控制，对系统的碳层温度、脱附管道温度、燃烧设备温度进行自动监控。当温度超过设定温度时，系统能自动报警，并转入安全工作模式。监控系统能对主要设备故障进行声光报警。

（2）技术特点

沸石分子筛和活性炭工艺综合性能对比见表2-8。

催化氧化和直接氧化技术指标对比见表2-9。

（3）方案造价

该方案共投资198万元，方案实施后，可减少活性炭的更换及处置成本（处置费用约6000元/t，购买及更换成本约3000元/吨。由原来的一年更换4吨，变为现在一年内无须更换，节约成本=4吨×6000元/吨+4吨×3000元/吨=3.6万元/年）。可有效减排挥发性有机物，具有良好的环境效益，为公司降低环保压力。

（4）治理依据

公司原有治理设施是风量为12000m3/h的活性炭吸附设施，治理范围包括凹印及传统胶印车间。该治理设施的前端收集为车间空间收集，无组织排放造成收集效果较差，且公司在审核过程中对废气产生节点进行了进一步排查，发现有部分污染源处于无组织排放状态。因此，公司综合考虑对现有的活性炭设施进行升级改造，将其提升为活性炭吸附脱附+催化燃烧技术，并对前端废气产生处进行了局部收集改造，使VOCs得到充分有组织收集及治理。

（5）应用案例

①北京金辰西维科安全印务有限公司

北京金辰西维科安全印务有限公司是专业从事国内外出入境证卡、票据、证券、防伪商标等高等级安全防伪产品设计和印制的国家级安全防伪印刷企业。许可经营范围为出版物印刷、其他印刷品印刷、包装装潢印刷品印刷、零件印刷、高安全防伪证件印刷（含出入境证件）、生产智能IC卡。公司拥有国际最先进的安全设计系统和制版系统，配备了全套先进的安全防伪印刷专用设备，包括海德堡印刷机、凹印机、干胶印机、打号机等，具备了精密防伪印刷的最高技术和手段。目前，公司具备年产2000万本本式防伪证件、1亿张防伪卡、1亿枚防伪标签、4800万份票据和800万份电子内芯封装页、1亿印张的生产能力。

公司每年VOCs产生量为5338.12kg，方案实施前公司采用单独活性炭的方式处理VOCs，将其改造为活性炭吸附脱附+催化燃烧方式处理技术后，根据设施排口检测报告，非甲烷总烃的排放速率为1.0kg/h，去除效率为88%，有机废气排放量为3500.91kg，对比改造前VOCs排放量5284.66kg，则减排1783.75kg。

②鸿博昊天科技有限公司

鸿博昊天科技有限公司位于北京亦庄经济技术开发区，是鸿博股份有限公司在北京投资建成的一家集创意设计、印刷、装订为一体的大型印刷企业。公司致力于建成高科技文化创意型印刷企业，定位于精品印刷服务，市场以北京为核心，面向中国北方地区以及海外市场。企业以印刷为主，集制版、印刷、装订为一体，主要生产设备有2套CTP制版机、8台平张印刷机及2台轮转印刷机，年产量为4000多千色令，产值为9000多万元。

公司采用2台废气治理设施，工艺为吸附浓缩+催化燃烧净化装置，型号为MXC-400型，主排风机风量为30000m3/h，设备总功率为105kW。工艺流程主要包括四部分：预处理、吸附气体流程、脱附气体流程、控制系统。预处理过程中将废气含有的一定量细微粉尘及悬浮物、有机物进行过滤；吸附过程设置两套吸附床轮流切换使用；脱附过程将脱附气体首先经过催化床中的换热器，然后进入催化床中的预热器，在电加热器供热的作用下，使气体温度提高到280～ 300℃，再通过催化剂（钯、铂）。有机物质在催化剂的作用下燃烧。控制系统对系统中的风机、预热器、温度、电动阀门进行控制。当系统温度达到预定的催化温度时，系统自动停止预热器的加热，当温度不够时，系统又重新启动预热器，使催化温度维持在一个适当的范围；当催化床的温度过高时，开启补冷风阀，向催化床系统内补充新鲜空气，可有效地控制催化床的温度，防止催化床的温度过高。

公司废气产生量为47552.14kg，排放量为24995.977kg，废气处理量为22556.161kg。排放量中，有组织排放量为6534.586kg，占产生量的13.74%；无组织排放量为18461.391kg，占产生量的38.82%。

4.等离子/光催化治理技术

（1）技术原理

企业采用的低温等离子放电技术和光催化氧化技术对VOCs废气进行综合处理。处理工艺流程如图2-3所示。

图2-3　VOCs治理系统工艺流程

①低温等离子放电技术原理

利用在常温常压状态下的放电物理学、放电化学、化学反应工程学及真空技术等综合手段，使空气电离为等离子体态，使其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。废气中的污染物质与这些具有较高能量的活性基团发生反应，最终转化为CO2和H2O等物质，从而达到净化废气的目的。

②光催化氧化技术原理

该技术通过特制的激发光源，产生不同能量的光量子，利用VOCs对光量子的强烈吸收，在大量携能光量子的轰击下，使VOCs分子解离和激发。

利用光量子分解空气中的氧分子产生游离氧，即活性氧，因游离氧所携正负电子不平衡，所以需要与氧分子结合，进而产生臭氧。

臭氧在该光量子的作用下可产生大量的新生态氢、活性氧和羟基氧等活性基团，一部分VOCs也能与活性基团反应，最终转化为CO2和H2O等无害物质，从而达到彻底去除VOCs气体的目的。因激发光源产生的光量子的平均能量在1eV～7eV，适当控制反应条件，可以实现一般情况下难以实现或速度很慢的化学反应变得十分快速，大大提高反应器的作用效率。

由收集系统将VOCs气体汇集进入光量子净化装置，利用特制激发光源产生的光量子诱发等一系列反应后，将VOCs分解转化为CO2和H2O等无害成分。该装置已是一种功能较强的绿色环保型空气净化装置，无二次污染，反应后排出的废气主要有氮气、氧气、水、二氧化碳等无害气体。

（2）技术特点

①结构简单，占地面积小，也可直接建于污染源的上方，不另外占用地方。

②反应速度快，停留时间极短（仅为几秒），处理效果好，控制最佳反应条件，VOCs可完全被分解掉。

③装置启动、停止十分快捷，即开即用，不受气温影响，操作极为简单，无须派专职人员看守。

④反应过程只需用电，不用投加其他辅助药剂和填料，因此节省药剂和填料的采购、运输、储存、管理等一系列烦琐的事务，可大大节省人力和运行费用。

⑤适用范围广，净化效率高，尤其适用于其他方法难以处理的多组分恶臭气体，如化工、医药等行业。电子能量高，几乎可以和所有的恶臭气体分子作用，运行费用低。

（3）方案造价

该方案约需投资30万元，其中设备费约25万元，安装费约5万元。

（4）治理依据

目前印刷行业采用的工业废气处理技术多以活性炭物理吸附为主，此方式需要定期更换吸附剂，费用昂贵，再生利用较困难，且《DB11 1201—2015印刷业挥发性有机物排放标准》中规定：“采用非原位再生吸附处理工艺，应按审定的设计文件要求确定吸附剂的使用量及更换周期，每万m3/h设计风量的吸附剂用量不应小于1m3，更换周期不应长于1个月。购买吸附剂的相关合同、票据至少保存三年。”不仅增加了活性炭的更换成本，也造成了大量的危险废弃物的定期处理处置问题。

（5）应用案例

①中青印刷厂使用情况

中青印刷厂隶属共青团中央，以书刊加工为主导产品。多年来，企业业务形成以教材、期刊及政治印件任务三大板块为主，以社会印件为补充的格局。企业主要生产设备有双面双色胶印BB机1台、双面单色小全张胶印机2台、双面双色小全张胶印机1台、海德堡速霸胶印机3台、胶片制版系统两套。中青印刷厂年产值达到550多万元，印刷产量达到21万色令。

中青印刷厂的大气污染物主要是VOCs，来自印刷过程中使用的油墨、清洗橡皮布时使用的洗车水。企业使用免酒精润版液。年共计产生VOCs排放约1002.78kg，每千色令单位产品VOCs排放量为4.78kg。

中青印刷厂为减少VOCs对环境的危害，重新改造VOCs治理设施，并将车间封闭，避免VOCs的无组织排放，提高VOCs的处理效率。将车间密闭使得VOCs的收集效率可以达到100%，采用低温等离子放电（处理效率60%）和光氧催化技术（处理效率60%）两级组合处理，系统的总处理效率可达到84%。

中青印刷厂年产生VOCs总量为1002.78kg，通过治理后，每年减少VOCs的排放为1002.78kg×84%=842.34kg。

②北京中科

北京中科印刷有限公司的前身，是成立于1957年10月的中国科学院印刷厂。2002年公司进行股份制改造，发展成长为一家水平一流的印刷企业。公司现有海德堡、小森等国内外知名品牌的平张及转轮印刷机60余台，从单色到多色、从单面到双面，满足客户各种印刷需求。此外，公司现有马天尼、柯尔布斯等国际知名品牌装订设备100余台，可以实现骑马钉、胶订、精装、无线精装等各种装帧方式。公司引进了Insite远程打样、方正ERP等数字化生产工作流程，并为其匹配了网屏Jet520EX连续纸喷墨数码印刷机、圣德可变数据喷码系统、马天尼全自动数码胶订机等数字印刷设备，成为年加工200多万纸令，年产值4亿元的出版印刷企业。

北京中科印刷有限公司是华北地区规模最大的印刷企业，主要业务为书刊印装任务，以及精美画册、商标印刷、豪华装帧的制作。公司产生的废气包括锅炉废气和生产车间印刷等环节中产生的废气。车间废气主要是印刷工序、覆膜工序、装订工序。在印刷工序使用的油墨、清洗剂，在覆膜工序使用的部分黏合剂，在装订工序使用的热熔胶会有醇、醚、烃类等挥发物质。

公司在生产车间采用等离子体/氧化催化净化工艺对废气进行处理，分别在可产生废气的印刷工序、覆膜工序、装订工序安装了5套废气净化装置，废气经处理后由两个排气筒排出。