Oct．2022

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现代化工

Modern Chemical Industry

第 42 卷增刊 2 2022 年 10 月

燃烧技术治理 VOCs 的研究进展

李子旺*  ，邓海发，邢传胜，赵一帆

( 中海油节能环保服务有限公司，天津 300450)

摘要: 详细介绍了 VOCs 末端治理燃烧技术的研究进展，包括直接燃烧技术、热力燃烧技术、蓄热燃烧技术、多孔介质燃 烧技术、催化燃烧技术、蓄热催化燃烧技术等，提出了燃烧技术在应用过程中的安全问题，对未来 VOCs 治理技术发展趋势 做出展望。

关键词: VOCs 治理; 蓄热燃烧; 多孔介质燃烧; 催化燃烧; 蓄热催化燃烧

中图分类号: X1                       文献标志码: A                        文章编号: 0253－4320( 2022) S2－0062－04

DOI: 10．16606 /j．cnki．issn0253－4320．2022．S2．015

Advances in treatment of VOCs with combustion technology LI ZI-wang*  ，DENG Haia，XING Chuan-sheng，ZHAO Yian

( CNOOC Energy Conservation and Environmental Protection Service Co．，Ltd．，Tianjin 300450，China)

Abstract: Research progress on VOCs destruction technologies is introduced，including direct combustion，thermal combustion method，regenerative combustion，porous medium combustion，catalytic combustion and regenerative catalytic combustion．Safety problems in application of combustion technologies are discussed，and the development trend of VOCs combustion treatment technology in the future is prospected.

Key  words:  VOCs   destruction   technologies;    regenerative  combustion;   porous  medium  combustion;   catalytic combustion;  regenerative catalytic combustion

随着我国工业经济的快速增长，挥发性有机物  ( VOCs) 的排放量也日益增加 。据统计，2019 年我  国 VOCs 排放量为 2 342. 41 万 t，其中工业源排放量  约占 56. 8%［1］。涉及 VOCs 排放的行业众多，主要  有石油炼制与石油化学行业、制药、涂料与石墨、橡  胶制品、塑料制品、黑色金属冶炼、电子工业、印刷行  业、汽车表面涂装、家具表面涂装、其他表面涂装及  其他 VOCs 排放行业 。面对 VOCs 带来的环保问题， 我国出台了一系列的标准、规范及相关文件，近 6 年  内发布和更新标准 70 多项，为更好地落实“精准治  污、科学治污、依法治污”提供了强有力的保障［2］。 “十三五”期间国内企业 VOCs 的治理工作取得显著  成效，“十四五”期间国家将继续推动 VOCs 的综合  整治工作，要求氮氧化物( NOx ) 和 VOCs 排放总量  分别下降 10% 以上［3］。

1   VOCs 的特点及危害

VOCs 的来源 广泛、种类多、组成复杂、浓度差 异大、污染物总量大，一般具有一定的恶臭、刺激性 气味，有的甚至具有一定的毒性 。VOCs 可对环境 产生不利的影响，其与 NOx  发生光化学反应，生成

颗粒 物 和 臭 氧，造 成 光 化 学 烟 雾 现 象 及 温 室 效  应［4］，而颗粒物则是 引起雾霾天气的 主要诱因之  一 。 同时，有的 VOCs 对人体能够产生巨大的伤害， 长时间接触 VOCs 会使人的身体机能下降，对呼吸  道、视力、神经系统、细胞代谢、皮肤产生影响［5］，情  况严重的则具有畸变、患癌的风险，据估计每年有近  160 万人死于 VOCs 引起的疾病 。另外，VOCs 还会  影响绿色植物的光合作用，污染严重则会导致植物  病变甚至枯萎死亡，从而阻碍植物的生长，导致农作  物减产［6］。可见，VOCs 的排放对生态环境、人体和  生物健康都具有一定危害。

2   VOCs 治理常用的方法

目前，VOCs 的消减途径有 3 种: 源头控制、过程 控制和 末端 治理 。从理论 上讲，源 头控制 是 减 少 VOCs 排放最行之有效的方法，其主要是采用工艺 设备优化、改变反应条件或者使用可替换的清洁原 材料，从而降低或者减少 VOCs 的排放，但源头控制 存在原材料替代物选择有限、工艺无法实现完美改 进等 问 题，因 此，源 头 控 制 仅 在 部 分 行 业 有 所 应 用［7］。过程控制 主要是 通过定期检测、修复达到

收稿日期: 2022－03－23; 修回日期: 2022－04－18

作者简介: 李子旺( 1989－) ，男，硕士，工程师，研究方向为石油石化油气回收及利用，通讯联系人，ex_lizw@ cnooc．com．cn。

VOCs 减排的目的，石化、炼化行业已经率先进行了  VOCs 排放过程管控，但中小型企业对过程管控的  理念和投资还无法接受 。虽然源头控制和过程控制  可以减少 VOCs 的排放量，但仍避免不了向环境中  泄漏或排放有机废气，不能达到 VOCs 排放量的控  制要求，因此末端治理在 VOCs 治理方面显得尤为  重要［8］。VOCs 末端治理技术可分为回收技术和销  毁技术 。 回收技术主要包括冷凝法、吸收法、吸附  法、膜分离法等; 销毁技术主要包括燃烧、生物处理、 光催化和低温等离子体技术等［9］。每种治理方法  适用的范围不同，应根据废气的浓度、温度、流量、湿  度、去除效率等多种因素来选取合理可行的治理技  术，从而来强化末端治理 。 图 1 为目前常用的几种  VOCs 控制技术，图 2 为常用 VOCs 治理技术的适用  范围 。在有机废气处理过程中，由于大多数废气浓  度低、流量大，或者成分复杂，回收后也无法重新利  用，甚至产生二次污染，因此销毁技术是末端治理过  程中经常使用的一种技术，其中燃烧技术由于技术  简单、见效快、运行成本低而深受企业的青睐 。据统  计，目前燃 烧 技 术 在 VOCs 治 理 技 术 市 场 占 有 率  为 41%［10］。

图 1   VOCs 控制技术

图 2   VOCs 治理技术适用范围

3   燃烧技术在 VOCs 治理上的应用

3. 1   直接燃烧

直接燃烧是利用 VOCs 易燃的性质将其直接燃 烧转化成 CO2  和 H2 O，是一种把可燃的有机气相污 染物当作燃料来燃烧的方法 。有机废气的处理效果 与反应温度、接触时间以及废气在燃烧炉中的湍流 程度有关［11］。对于高浓度 VOCs，燃烧温度控制在 1 100℃ 左右，去除效率可达 95% 以上; 对于低浓度 有机 废 气，采 用 燃 烧 法 来 处 理 还 需 加 入 辅 助 燃 料［12］。直接燃烧具有技术简单、运行成本低的优 点，但同时具有热效率低、易产生二次污染( 有的废 气产生有毒、刺激性物质) 、能耗较高、有安全隐患 等缺点，对于风量大、低浓度的有机废气此方法不适 用，对于回收价值不大、高燃烧热值的高浓度有机废 气较适用。

3. 2   热力燃烧

热力燃烧是由于有机废气可燃物的浓度较低， 不足以着火或者难维持燃烧，需借助其他燃料火焰  的高温作用使有机废气发生燃烧后转变为相应的无  机物，进而能够同时实现烟气达标排放和燃烧热能  的回收利用［13］。相比于直接燃烧，热力燃烧具有较  高的焚毁去除率( DRE) 。热力燃烧的温度和氧气  浓度对处理效果影响较大，张瑞波等［14］研究了不同  温度和不同氧气含量对模拟 VOCs 燃料热力燃烧效  果的影响，结果表明，燃烧温度对 VOCs 去除率影响  较大，即使在高浓度条件下( 30 000 mg / m3 ) ，燃烧温  度达到 850℃ 以上才能满足出口 VOCs 浓度小于  20 mg / m3    的 排 放 标 准 ，同 时 在 低 氧 气 浓 度  ( 5. 58%～7. 45%) 的条件下，热力燃烧也能使高浓  度 VOCs 实现达标处理 。 陆建海等［15］利用锅炉热  力燃烧技术处理污水厂有机废气，结果表明，该技术  对氯甲烷、甲苯、二甲苯、乙苯净化效率分别达到  97%、85%、83%、94% 以上，非甲烷总烃净化效率达  95% 以上，二 英排放达到 GB 18485—2001《生活  垃圾焚烧污染控制标准》要求 。 图 3 是热力燃烧工  艺流程。

图 3   热力燃烧工艺流程图

3. 3   蓄热燃烧

蓄热燃烧是将燃烧过程中产生的热量进行储 存，利用存储的热量来预热待燃烧的废气 。蓄热燃 烧减少了辅助燃料的使用，因此运行成本比直接燃 烧低 。此方法适用于中低浓度、大风量的 VOCs 废 气［16］。与直接燃烧和热力燃烧相比，蓄热燃烧燃烧 效率和处理效率更高［17］。常用的蓄热燃烧装置的 蓄热室类型有两室、三室和多室，图 4 为两室蓄热燃 烧器的工作原理图。

图 4    两室蓄热式热力燃烧法原理图［17］

通常认为，蓄热燃烧器的设备参数和运行参数 对 VOCs 的去除效率和热回收率有较大的影响 。蓄 热体是整个装置的关键部件之一，其换热性能直接 决定了热能的回收率 。蓄热体的填料分为非结构化 与结构化两大类，非结构化蓄热体的热回收效率更 高，但是压降大、动能损失严重; 结构化蓄热体则相 反 。实际应用过程中，非结构化填料易被粉尘等颗 粒物堵塞，而结构化填料堵塞情况较少发生，因此后 者在工业中应用也最为广泛 。常用的蓄热体材料有 莫来石、堇青石、尖晶石、钛酸铝等，由这些材料制成 的蜂窝陶瓷蓄热体具有耐高温、高抗热震性、优良的 导热性以及较强的贮 热 能 力 等 特 点［18］。 张 建 军 等［19］提出了一种新的连续式蓄热燃烧技术方案，采 用了一种专用切换阀技术，形成了新型蓄热燃烧系 统，并开展了相关研究，研究结果表明，这种连续式 蓄热燃烧器可以减少炉内的温度和压力波动，温度 效率可以达到 90% 以上。

3. 4   多孔介质燃烧

多孔介质燃烧技术是使用一种惰性的多孔介质 来替代原有的燃烧区自由空间，使 VOCs 在多孔介 质内燃烧，同时介质的强蓄热和辐射性可对体系进 行热反馈 。多孔材料增大了多孔介质与 VOCs 的接 触面积，气体和固体可以充分地进行热交换，常用的 多孔介质有 Al2 O3 、SiC、高温合金、莫来石等，通过将 其制成网状、泡沫状或者颗粒状来增强导热性能和 储热性能［17，20］。多孔介质燃烧的应用效果比较理

想，具有燃烧稳定、对设备要求低、安全性好、VOCs 去除效率高等特点 。 肖洪成等［21］通过 Fluent 模拟 研究发现，预热区对流回热效率、多孔介质导热效率 与多孔介质导热系数呈正相关性; 预热区对流回热 效率、壁面对流回热效率与当量比呈负相关性 。王 恩宇等［22］研究了超低热值燃气多孔介质燃烧过程 中 CO 的排放控制，研究表明，在燃气中通入适当的 氧气可有效降低燃气燃烧过程中 CO 的排放 。多孔 介质燃烧原理示意见图 5。

图 5    多孔介质燃烧原理示意图［21］

3. 5   催化燃烧

催化燃烧是利用催化剂使 VOCs 在较低的温度  下( 200～400℃ ) 转化成 CO2   和 H2 O 。 由于燃烧过  程中使用了催化剂，可以提高反应活化能、缩短反应  时间、提高转化效率、降低燃烧温度，同时，在较低的  温度下，也避免了产生二次污染［23］。催化燃烧中催  化剂的种类及性能对处理效果起着关键作用，常用  的催化剂可分为贵金属催化剂( Au、Pt、Pd、Ag 等)   和金属氧化物催化剂( Cr、Ni、Cu、Fe、Mn 等的氧化  物) 。贵金属催化剂的催化性能较好，但其抗中毒  性及稳定性较差，且一般都比较昂贵，因此限制了其  广泛应用 。金属氧化物催化剂虽然活性较低，但在  其他方面要优于贵金属催化剂，因此应用比较广泛。 金属氧化物分为单一金属氧化物催化剂和多金属氧  化物催化剂，多金属氧化物催化剂由于金属之间存  在协同作用，同时金属的掺杂也会使多元组分产生  更多空位或缺陷，这些都有利于催化剂活性的提高。 He 等［24］利用 Zr 改性 Co3 O4  合成钴锆氧化物催化  剂用于丙烷的催化燃烧，结果表明，在 242℃ 下丙烷  的转化率可达到 90% 以上，并具有较好的热稳定性  和耐水性 。Wang 等［25］通过水热法合成 CuMn2 O4    前驱体，成功制备了一 系列用于甲烷低温催化燃烧  的 Cu－Mn－C－O 复合催化剂，结果表明，在复合催化  剂体系内部，电子结构中高价锰的高比例分布可生  成大量表面吸附氧活性基团，在较低温度下有利于  甲烷的氧化，同时催化剂表现出相对较高的活化能

和热稳定性 。图 6 是催化燃烧的工艺流程。

图 6   催化燃烧的工艺流程图

3. 6   蓄热催化燃烧

蓄热催化燃烧与蓄热燃烧的运行流程基本相 似，主要区别在于使用了催化剂，蓄热催化燃烧是蓄 热燃烧技术和催化技术的耦合，结合了蓄热燃烧和 催化燃烧的优点，可在较低温度下( 250～400℃ ) 将 VOCs 进 行 氧 化 降 解，适 用 于 处 理 低 浓 度 有 机 废 气［17］。对于蓄热催化燃烧，催化剂的类型和性能起 着关键性作用，因此近年来研究者对于催化剂的研 究较多 。Lou 等［26］通过浸渍法将铜钴( 铜钴摩尔比 7 ∶ 3) 负载在砾石上，从而研制出一种催化剂，这种 催化剂用于蓄热催化氧化处理甲苯具有较好的效 果 。在 400℃ 条件下，甲苯的转化率可达到 95% 以 上，热 回 收 率 达  90%  以 上，温 差 最 低 (  18. 2  ~ 30. 9℃ ) ，压降最低。

4   燃烧技术的安全性分析

为深入响应国家对 VOCs 综合治理的要求，近  年来各排污企业已经开展了 VOCs 末端治理工作， 但 VOCs 具有易燃易爆的特性，部分治理工艺原理  本身具有放热、放电的特征，是直接潜在的燃烧爆炸  危险源，有的企业为了保证生产安全而放弃了使用  燃烧技术 。但从目前事故原因来看，大多是由于废  气收集工艺设计不合理( 多种气体合并收集、预处  理不彻底) 、入口废气浓度控制不合理( 入口浓度过  高，未安装浓度检测仪及设置浓度高高联锁控制) 、 系统选材不合理、安全装置欠缺、操作压力选择不合  理以及人员操作和管理失误等原因造成的，为避免  燃烧技术在应用过程中出现安全事故，应当在应用  时多从以上几个方面考虑。

5    总结

“十四五”期间是我国实现空气质量全面改善、 PM2. 5 浓度持续下降、臭氧浓度稳中有降、基本消除  重度及以上污染天气的关键时期，VOCs 治理面临  着严峻的挑战 。合适的 VOCs 治理工艺可节约企业  的投资和运行成本，提高 VOCs 去除率，但有的废气

中含有氮、硫、氯等元素，即使在理想的条件下，这些 元素也会被氧化成一些有害的物质，这时有必要通 过吸收或吸附等方法将有害物质去除，同时为了满 足燃烧条件，一些气体必须经预处理后才能进行燃 烧 。因此，燃烧技术的合理设计以及与其他技术的 结合是今后燃烧技术研究的重要方向。

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