VOCs 污染治理技术绩效评价方法研究.pdf

2023 年第 9 期CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENTV VO OC Cs s 污污染染治治理理技技术术绩绩效效评评价价方方法法研研究究刘冰1董昊鑫2高玉平2李宏强11.天津港保税区城市环境管理局天津 3004522.天津环科瞻云科技发展有限公司天津 300191摘要:从技术、经济、环境、运行管理方面通过文献检索、现场调研、VOCs 动态更新平台检索、专家研讨等方式,采用归一化法、等级赋值法、层次分析法和专家问卷调研方法,建立了一套多因素多级别的综合 VOCs 污染治理技术绩效评价方法。通过对 VOCs 治理技术的综合分析与评估,科学筛选出不同浓度范围内 VOCs 治理的最佳可行性技术。关键词:VOCs 治理技术;技术筛选;层次分析法;模糊综合评价法;指标权重作者简介:刘冰,男,本科学历,主要从事环境保护工作等。VOCs 来源广泛,种类冗杂,排放量大且涉及行业多,治理技术复杂,VOCs 治理方法和技术种类多种多样,且各有利弊,因此,给 VOCs 治理技术选择应用时带来了很大的困难1-2。目前,国内的 VOCs 治理技术市场尚不成熟,对于废气治理设备也没有统一的标准和要求,不同厂家的治理设备在处理效率、治理成本、安全性能、运行维护、能耗等指标方面也是千差万别,从而给治理技术的筛选和评估造成了一定的难度。无论是环境监管部 门、VOCs 治 理 技 术 研 发 机 构,还 是 排 放VOCs 治理企业,都亟需掌握企业所适用的 VOCs治理技术,从而有效地对 VOCs 排放进行治理。1VOCs 治理技术概述VOCs 治 理 技 术 主 要 分 为 燃 烧 法、吸 收 法、生物技术法、低温等离子体法、光催化氧化技术法、膜分离法等技术 方 法3-8。本 研 究 以 VOCs动态更 新 平 台9为 基 础,通 过 文 献/资 料 检 索、企业现场调研,建立综合评价方法,结合专家研讨等方法,完成 VOCs 治理技术绩效评估,得到排放 VOCs 治 理 的 最 佳 可 行 性 技 术。根 据 VOCs治理技术的适用浓度范围、治理技术的工艺特点和原理,将 VOCs 处理技术进行分类。VOCs 治理技术分类见图 1。图 1VOCs 治理技术分类84 2023 年第 9 期CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT2治理技术评价体系建立2.1指标体系根据有关政策、标准和规范的要求,结合相关资料文献、专家意见与实施的可操作性,形成了从技术、经济、环境、运行管理方面的 VOCs 治理技术综合绩效评价体系。VOCs 治理技术综合绩效评价体系如图 2 所示。图 2VOCs 治理技术综合绩效评价体系2.2评价方法模糊综合评价法是一种用于含有模糊因素的对象系统的综合评价方法,它利用模糊集理论,充分利用人脑对模糊现象能作出正确判断的优点,模拟人的思维推理过程,使定性因素向定量因素接近,从而得出科学的结果10-11。模糊综合评价法的优点是可以处理包含模糊性因素的评价问题,适宜于包含定性定量因素的复杂的对象系统,主要用于包含模糊因素和定性定量因素相结合的综合评价。2.2.1指标权重确立评价过程中可将评价指标分为定量指标和定性指标,分别用归一化法和等级赋值法进行量化,指标权重确定的方法主要有层次分析法和专家判定法等。本项研究综合利用层次分析法与专家评判法的优点来确定指标权重,首先通过专家问卷调查获得各指标重要性评分,在此基础上用层次分析法对权重进行处理,尽量避免主观成分的影响,从而提高模糊综合评价结果的客观性、科学性、合理性。本研究中组织 VOCs 废气治理专家与环境管理人员以 1 9 重要性度量方法12,对评估指标两两重要性进行判断,并进行一致性检验,最终计算出各评估指标的权重值,运算一致性检验过程省略11,13,最终得到指标权重。2.2.2评价指标量化方法指标间存在差异,不能直接进行综合比 较,因此必须对评价指标进行量化。评价指标量化的常用方法主要有归一化法和等级赋值法,在评价过程中将评价指标分为定量指标和定性指标,分别可用归一化法和等级赋值法进行量化。本项目运用模糊统计分析法,根据最大隶属度原则,构建隶属度函数,对各指标进行统一量化,将各原始值变换为 0,1 范围内的某一数值,数值大小直接反映被评价指标的优劣,数值越大,表示基于此指标的技术得分越高。各评价指标的等级和量化方法如表 1 所示。表 1各评价指标的等级与量化方法编号指标名称等级量化方法1去除率%归一化法2出口浓度低、较低、中、较高、高等级赋值法3技术适用性好、较好、中、较差、差等级赋值法4安全性好、较好、中、较差、差等级赋值法5稳定性好、较好、中、较差、差等级赋值法6投资成本低、较低、中、较高、高等级赋值法7运行维护成本低、较低、中、较高、高等级赋值法8占地面积小、较小、中、较大、大等级赋值法9资源回收效益好、较好、中、较差、差等级赋值法10能源消耗水平低、较低、中、较高、高等级赋值法11二次污染无、轻、中、较差、差等级赋值法12环境效益好、较好、中、较差、差等级赋值法13人员要求低、较低、中、较高、高等级赋值法14操作难易程度易、较易、中、较难、难等级赋值法15技术成熟度好、较好、中、较差、差等级赋值法94 2023 年第 9 期CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT3VOCs 治理技术综合绩效评价根据图 1 VOCs 治理技术划分与图 2 VOCs 治理技术综合评价体系相结合,对 VOCs 治理技术进行综合分析和评价,其中低浓度 VOCs 治理技术主要为生物技术法、低温等离子体法、吸收+光催化氧化法、吸收+吸附法、吸附浓缩+催化燃烧法;中、高浓度具备回收价值的 VOCs 治理技术主要为膜分离技术、冷凝法、吸附法、吸收法;中、高浓度不具备回收价值的 VOCs 治理技术主要为吸附浓缩+催化燃烧法、低温等离子体法、直接燃烧法、蓄热式催化燃烧法、蓄热式热力焚烧法。结合技术指 标体系和技 术评价方 法,对 上 述 情况的 VOCs 处理技术综合分析,其中 VOCs 治理技术绩效评价指标权重由天津港保税区城市环境管 理 局 组 织 10 位 行 业 专 家 赋 值 经 处 理 后所得。3.1低浓度 VOCs 治理技术综合绩效评价低浓度 VOCs 治理技术绩效评价指标权重如表2 所示,指标等级及量化结果如表 3 所示。表 2低浓度 VOCs 治理技术指标权重指标层权重 Wi指标层权重 Wi指标层权重 WiC10.216 6C60.177 1C110.035 0C20.050 2C70.042 7C120.029 5C30.040 3C80.012 8C130.019 2C40.066 5C90.013 3C140.019 2C50.057 1C100.124 4C150.096 1表 3低浓度 VOCs 治理技术指标等级及量化结果指标名称生物技术法低温等离子体吸收+光催化氧化吸收+吸附技术吸附浓缩+催化燃烧技术指标等级量化结果指标等级量化结果指标等级量化结果指标等级量化结果指标等级量化结果去除率/%900.850 950.6 600.6 900.8 951出口浓度中0.6中0.6中0.6较低0.8低1技术适用性中0.6较好0.8较好0.8较好0.8中0.6安全性中0.6差0.2较好0.8较好0.8中0.6稳定性较差0.4较差0.4较好0.8较好0.8较好0.8投资成本中0.6中0.6中0.6中0.6较高0.4运行维护成本较低0.8较低0.8中0.6中0.6中0.6占地面积较大0.4中0.6中0.6中0.4较大0.6资源回收效益差0.2差0.2差0.2差0.2较差0.4能源消耗水平较低0.8较低0.8中0.6较低0.8中0.6二次污染轻0.8中0.6较差0.4较差0.4中0.6环境效益较好0.8中0.6较差0.4较差0.4中0.6人员要求中0.6低0.2较低0.4低0.2较低0.4操作难易程度较易0.8较易0.8较易0.8较易0.8较易0.8技术成熟度中0.6中0.6较好0.8较好0.8较好0.8将各定量指标的得分乘以对应的权重,相加后可得到各治理技术的各指标和综合得分,表 4 所示为低浓度 VOCs 治理技术各指标体系得分及综合得分结果。由表 4 可知,综合评分依次为吸收+吸附技术 吸附浓缩+催化燃烧技术 生物技 术法 吸附+光催化氧化 低温等离子体。低浓度VOCs 废气治理时,依据综合评分及考虑废气治理现场条件,VOCs 处理技术可依次选用吸收+吸附技术、吸附浓缩+催化燃烧技术、生物技术法、吸附+光催化氧化、低温等离子体。表 4低浓度 VOCs 治理技术各指标体系得分及综合得分结果治理技术技术经济环境运行管理综合生物技术法0.290 30.148 20.151 10.084 50.674 1低温等离子体0.228 50.150 80.138 20.076 90.594 3吸附+光催化氧化0.291 20.142 20.100 40.099 90.633 7吸收+吸附技术0.344 60.142 20.125 30.096 10.708 2吸附浓缩+催化燃烧技术0.376 60.106 90.113 30.099 90.696 705 2023 年第 9 期CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT3.2中、高浓度具备回收价值的 VOCs 治理技术综合评价中、高浓度具备回收价值的 VOCs 治理技术评价指标权重如表 5 所示;中、高浓度具备回收价值的 VOCs 治 理 技 术 指 标 等 级 及 量 化 结 果 如 表 6所示。将各定量指标的得分乘以对应的权重,相加后可得到各治理技术的各指标和综合得分。表 7 所示为中、高浓度具备回收价值的 VOCs 治理技术各指标体系得分及综合得分结果。由表 7 可知,综合评分依次为吸附法 膜分离技术法 吸收法 冷凝法。中、高浓度具备回收价值的 VOCs 废气治理时,依据 综 合 评 分 及 考 虑 废 气 治 理 现 场 条 件,VOCs 处理技术可依次选用吸附法、膜分离技术法、吸收法、冷凝法。表 5中、高浓度具备回收价值的 VOCs 治理技术指标权重指标层权重 Wi指标层权重 Wi指标层权重 WiC10.067 5C60.108 3C110.028 7C20.094 8C70.030 2C120.086 2C30.187 7C80.013 2C130.009 8C40.126 1C90.055 2C140.009 8C50.047 4C100.086 2C150.048 8表 6中、高浓度具备回收价值的 VOCs 治理技术指标等级及量化结果指标名称膜分离技术法冷凝法吸附法吸收法指标等级量化结果指标等级量化结果指标等级量化结果指标等级量化结果去除率/%901.050 850.6 750.6 400.4出口浓度低1.0较高0.4较低0.8较高0.4技术适用性中0.6中0.6好1.0中0.6安全性较好0.8较好0.8好1.0中0.6稳定性差0.2较好0.8中0.6中0.6投资成本高0.2较高0.4较低0.8较低0.8运行维护成本较高0.4中0.6中0.6较高0.4占地面积中0.6中0.6较小0.8较小0.8资源回收效益较好0.8较好0.8较好0.8中0.6能源消耗水平中0.6较高0.4较低0.8较低0.8二次污染较差0.4中0.6中0.6较差0.4环境效益较差0.4中0.6中0.6较差0.4人员要求低1.0较低0.8低1.0低1.0操作难易程度易1.0较易0.8易1.0较易0.8技术成熟度中0.6较好0.8好1.0好1.0表 7中、高浓度具备回收价值的 VOCs 治理技术各指标体系得分及综合得分结果治理技术技术经济环境运行管理综合膜分离技术法0.385 30.085 820.097 680.048 90.617 6冷凝法0.329 80.113 520.103 420.054 70.601 4吸附法0.458 60.159 480.137 900.068 40.824 3吸收法0.281 60.142 400.114 920.066 40.605 33.3中、高浓度不具备回收价值的 VOCs 治理技术综合评价中、高浓度不具备回收价值的 VOCs 治理技术评价指标权重如表 8 所示;中、高浓度不具备回收价值的 VOCs 治理技术指标等级及量化结果如表 9所示。表 8 中、高浓度不具备回收价值的 VOCs 治理技术指标权重指标层权重 Wi指标层权重 Wi指标层权重 WiC10.117 1C60.108 3C110.028 7C20.050 6C70.030 2C120.086 2C30.052 0C80.013 2C130.009 8C40.174 2C90.055 2C140.009 8C50.129 7C100.086 2C150.048 815 2023 年第 9 期CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT表 9中、高浓度不具备回收价值的 VOCs 治理技术指标等级及量化结果指标名称吸附浓缩+催化燃烧低温等离子体直接燃烧蓄热式催化燃烧 RCO蓄热式热力焚烧 RTO指标等级量化结果指标等级量化结果指标等级量化结果指标等级量化结果指标等级量化结果去除率/%95 991.050 850.6 750.895 991.095 991.0出口浓度较低0.8中0.6低1.0低1.0低1.0技术适用性中0.6中0.6好1.0好1.0好1.0安全性较差0.4较差0.4较好0.8较差0.4较好0.8稳定性较好0.8较差0.4中0.6较好0.8较好0.8投资成本较高0.4中0.6较低0.8较高0.4较高0.4运行维护成本中0.6较低0.8较低0.8中0.6中0.6占地面积较大0.4中0.6较小0.8较大0.4较大0.4资源回收效益中0.6差0.2差0.2好1.0好1.0能源消耗水平中0.6较低0.8高0.2中0.6中0.6二次污染中0.6中0.6轻0.8中0.6轻0.8环境效益较好0.8中0.6较差0.4较好0.8较好0.8人员要求较低0.8低1.0低1.0较低0.8低1.0操作难易程度较易0.8较易0.8较易0.8较易0.8较易0.8技术成熟度较好0.8中0.6较好0.8较好0.8较好0.8将各定量指标的得分乘以对应的权重,相加后可得到各治理技术的各指标和综合得分。表 10所示为中、高浓度不具备回收价值的 VOCs 治理技术各指标体系得分及综合得分结果。由表 10 可知,综合评分依次为蓄热式热力焚烧 蓄热式催化燃烧 直接燃烧 吸附浓缩+催化燃烧 低温等离子体。中、高浓度不具备回收价值的 VOCs 废气治理时,依据综合评分及考虑废气治理现场条件,VOCs 处理技术可依次选用蓄热式热力焚烧、蓄热式催化燃烧、直接燃烧、吸附浓缩+催化燃烧、低温等离子体。表 10中、高浓度不具备回收价值的 VOCs 治理技术各指标体系得分及综合得分结果治理技术技术经济环境运行管理综合吸附浓缩催化燃烧0.362 20.099 80.137 90.054 70.654 8低温等离子体0.253 40.108 10.137 90.046 90.546 3直接燃烧0.413 50.132 40.074 70.056 70.677 2蓄热式催化燃烧0.393 10.121 90.137 90.054 70.707 6蓄热式热力焚烧0.462 80.121 90.143 60.056 70.785 04结论通过对 VOCs 治理技术的综合评估,低浓度VOCs 治理技术,中、高浓度具有回收价值的 VOCs处理技术,中、高浓度不具有回收价值的 VOCs 处理技术分别为:吸收+吸附技术,吸附法,蓄热式热力焚烧技术。以下为这 3 种技术的特点。(1)吸收+吸附技术根据有机气体化学性质,降低气体温度使有机蒸气过饱和后液化回收,通过活性炭的间隙吸附作用对处理气体进行减排处理。适用范围:VOCs 浓度较低,组分复杂,性质差异很大的企业或行业,例如制药行业;投资成本、运行成本低廉,占地面积小,净化效率高。(2)吸附法含 VOCs 的废气通过吸附剂床层,VOCs 吸附在吸附剂的微孔结构中,吸附-冷凝工艺处理回收技术主要是利用吸附材料吸附 VOCs,在变压条25 2023 年第 9 期CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT件下,通过脱附回收利用 VOCs 的方法。吸附是物理过程,脱附温度低,在不改变回收的有机物成分的情况下,净化空气的同时,可以获得很高的经济效益。通过吸附系统,不仅可以大大降低废气中 VOCs 浓度,实现废气达标排放,而且吸附后通过解吸,可以使收集物返回生产,实现物料的循环利用,减少物料消耗。适用范围:吸附-冷凝工艺处理回收技术法主要适用于中高浓度废气,可广泛应用制药、涂布、涂装、高强高膜聚乙烯(PE 纤维及隔膜)、半导体、高分子材料、包装印刷、制革(超细纤维)、石油化工等。该技术能够做到废气治理和有机溶剂回收 2 种效益,所以在成本适中的情况下是鼓励使用的技术。(3)蓄热式热力焚烧技术将有机废气加热至 700 以上,将废气中的VOCs 分解为二氧化碳和水。在该过程中产生高温气体流 过 特 制 的 陶 瓷 蓄 热 体,使 陶 瓷 升 温“蓄热”,此“蓄热”用于对随后进入的有机废气进行预热,以节省废气升温的燃料消耗。蓄热式燃烧设备目前已发展较为成熟,可采用全自动化控制。陶瓷蜂窝体作为换热材料,与传统高温裂解炉配用金属换热器相比,热回收效率显著提高。陶瓷蜂窝体耐温性优异,在 1000 下动作状态不变质、不粉化。与传统直燃式热氧化炉相比,蓄热式燃烧具有热效率高、运行成本低等优点,浓度稍高时,还可进行二次余热回收,大大降低了生产运营成本,当废气中 VOCs 浓度4 g/m3时,基本上不再需要添加辅助燃料,此时设备可以维持自身燃烧。在设计时,根据不同场所的防爆要 求,需 要 充 分 考 虑 消 防 和 防 爆 等 安 全因素。适用范围:适用于中高等浓度(1000 mg/m3)VOCs 废气,风量 5000 50 000 风量为宜;中高浓度、连续排放的废气,能耗较少,相反浓度波动区间较大,间歇排放则能耗较大;可处理一种或多种气体组分,几乎所有的有机废气都可以处理,但含硫含氮含卤有机物不能完全净化处理,容易形成二次污染。参考文献1 栾志强,郝郑平,王喜芹.工业固定源 VOCs 治理技术分析评估 J.环境科学,2011,32(12):3476-3486.2 YUAN Bin,SHAO Min,LU Sihua,et al.Source pro-files of volatile organic compounds associated with sol-vent use in Beijing,China J.Atmospheric Environ-ment,2010,44(15):1919-1926.3 国家城市环境污染控制中心技术研究中心,北 京 市环境保护科学研究所.三废处理工程技术手册(废气卷)M.北京:化学工业出版社,2000.4 吕唤春,潘洪明,陈英旭.低浓度挥发性有机废气的处 理 进 展 J.化 工 环 保,2001,21(6):324-327.5 沈迪新,胡成南.挥发性有机化合物污染的净化技术 J.中国环保产业,2002,(12):30-32.6 张旭东.工业有机废气污染治理技术及其进展探讨J.环境研究与监测,2005,18(1):24-26.7 唐运雪.有机废气处理技术及前景展望 J.湖南有色金属,2005,21(5):31-35.8 陈平,陈俊.挥发性有机化合物的污染控制 J.石油化工环境保护,2006,29(3):20-23.9 郝苗青,张晓丹,史恺,等.工业源挥发性有机物动态更新平台的建立与研究 J.环境科学与管理,2016,41(08):86-89.10杨静.胜利工业园区域环境评价指标体系的构建与应用研究 D.中国石油大学,2007.11杜栋,庞庆华,吴炎.现代综合评价方法与案例精选 M.清华大学出版社,2015.12张丽娜.AHP-模糊综合评价法在生态工业园区评价中的应用 D.大连理工大学,2006.13袁明瑞,诸葛玉平,刘蕊.基于 AHP 法的泰安市生态系统脆弱性模糊评价 J.环境 科 学与 技术,2011,34(2):173-177.35