揮發性有機物污染控制方案的運行費用效能比較

（羌寧，史天哲等）

摘要：當前，中國揮發性有機物( volatile organic compounds，VOCs) 的污染控制工作已進入深水區，VOCs 污染控制措施費用效能的高低將決定其減排工作的環保意義，篩選出費用效能高的措施也是 VOCs 減排工作能夠持續穩定進行的必要基礎． 

本文從排放濃度、排放風量及連續還是間歇排放等污染源排放特征角度確定出 12 種典型的 VOCs 排放情景，針對這些典型情景估算了目前主流減排方案的運行費用，并以減排單位質量 VOCs 的運行費用( unit abatement cost，UAC，元·kg － 1，以 VOCs 計) 為費用效能指標進行了技術經濟比較，以期為依據 VOCs 排放特征選擇適宜的減排方案提供參考． 

分析結果表明，對于低濃度VOCs 排氣，其減排 UAC 總體達 8 元·kg － 1以上，濃縮工序可有效減少 UAC，通過合理地氣體收集方式減少排放風量并提高排氣濃度對后續處理的費用效能影響巨大． 強化 VOCs 排放過程的按質分類收集以提高得到 VOCs 液體的資源化屬性，也是今后提高 VOCs 控制費用效能的有效途徑之一．

隨著對揮發性有機物 ( volatile organiccompounds，VOCs) 作為大氣光化學污染物和霧-霾污染物的前驅物質認識的加深［1 ～ 9］，近幾年來我國出臺了一系列的VOCs控 制政策、法 規［10 ～ 14］，VOCs 的控制已成為大氣污染控制領域的重要工作之一． 與顆粒物、二氧化硫和氮氧化物等常規大氣污染物不同，VOCs 污染物的種類多、來源廣，很多排放為分散式非連續排放，且 VOCs 物質具有資源性屬性，因此其減排是一項涉及源頭減排、過程控制、末端治理及管理制度的全過程控制的系統工程． 

表 1 所示為我國 VOCs 控制過程的發展階段分類

目前大多數地區的 VOCs 的控制還處在以達標為唯一考核指標的達標生存階段． 由于 VOCs 控制工作的復雜性，加之基礎工作的缺失，很多情況下選擇 VOCs 控制技術時存在盲目跟風的情況． 從技術經濟的角度看，運行成本很高的減排技術是不利于減排系統長期穩定運行的． 很多情況下，不合理的控制方案盡管可以滿足達標排放的要求，但會造成資源能源的浪費、二次污染及很高的碳排放，從生命周期的角度分析，這類表面上的減排行為往往在更大的范圍上形成了更嚴重的污染．

目前研究較多關注于 VOCs 控制的技術有效性評估［15 ～ 20］污染控制方案的技術經濟評價的方法［21］， 但關于技術經濟方面的評價報道很少，且還限于單項技術或單情景的分析［22］． 考慮到 VOCs 排放源的復雜性，目前從生命周期的角度全過程地評價控制方案情景的體系將會非常復雜和龐大，因此本文先聚焦于末端治理環節，針對 VOCs 排放的一些典型情景，系統地估算了目前主流控制方案的運行費用，并以 UAC 為指標進行了技術經濟比較，以期為依據 VOCs 排放特征選擇適宜的減排方案提供參考．

1 技術評價指標及計算方法

1. 1 評價指標

如前所述，VOCs 污染源種類多、排放特性各異，造成 VOCs 控制的復雜性和多樣性，由于設備投資涉及到系統材料、安全等配置要求的不同，對于同一類污染源的控制設備系統的價格可能差異較大，因此本次技術經濟評價，主要以從氣相中去除單位質量 VOCs 的 UAC 為評價指標，以期為 VOCs 控制系統的選擇及 VOCs 控制政策的制定提供參考．UAC = O＆MC × ［Q × ( ρin － ρout ) × 10 －6 × t］－1 式中，Q 是處理氣體的流量，m3·h － 1 ; ρin和 ρout分別是治理系統進口、出口氣體質量濃度，mg·m － 3 ; t 是 計算的時長，h; O＆MC 是 t 時間段內減排設施的運行維護成本，元．

1. 2 典型減排情景及工藝的設定

VOCs 控制的技術體系如圖 1 所示。

圖 1 VOCs 控制技術單元體系Fig． 

目前可行的主流減排工藝為各類熱氧化，包括蓄熱高溫氧化( regenerative thermal oxidation，RTO) 、催化氧化( catalytic oxidation，CO ) ［23，24］、 蓄熱催化氧化（regenerative catalytic oxidation，RCO) 、吸附濃縮加各類熱氧化和吸附濃縮回收［25］． 預處理和后處理( 包括調溫、調濕、顆粒物去除、酸性氣體的洗滌等) 對于治理系統的持續穩定運行非常重要，但考慮到本階段評價工作的簡潔性，未將預處理、后處理的成本納入本階段的評價范圍． 由于常溫氧化只適合于一些低污染物負荷的脫臭等場合［26，27］，目前的技術水平還不適合作為 VOCs 的減排手段，因此也未納入待評價的備選方案體系．不同行業 VOCs 污染源的排放特性除與生產工藝特性相關外，還與氣體收集方式密切相關，有關過程控制和氣體收集環節將另文討論，本文按 VOCs排放源是否連續排放、排放濃度的高低及風量的大小等選取設定了表 2 所示的 12 種典型排放情景．

按表 2 情景設定的凈化工藝評價方案如表 3所示．

1) 連續大風量和高濃度排放應通過清潔生產的途徑解決，本文未設為典型排放情景

1. 3 運行費用的計算方法及設定條件

本次評估的運行費用包括電費( 包括風機、水泵，冷卻循環水、制冷、壓縮空氣及控制系統等設施的電耗) 、補充燃氣、加熱用水蒸汽、耗材費用( 包括催化劑、活性炭、沸石轉輪、蓄熱材料及閥門等消耗材料及備品備件更換維護費用) 、廢水處理費用和人工費等． 當凈化系統產生有機液體不可回收回用時會產生廢液處置費用，而可回收回用時將產生溶劑收益費用． 本文將其劃分為電力( 相關風機、水泵、冷卻塔、制冷設備、制氮設備的電耗) 、燃料及熱能( 天然氣及蒸汽) 、人工費、消耗材料及備品備件、二次污染及有機物回收效益等方面進行分析，本文中的運行費用中暫時未包括氣體預處理的調溫、調濕費用，來氣中可能共存的酸性氣體洗滌及含雜原子組分燃燒后產生的二次污染等處理費用．

為便于比較，運行費用計算中的基本條件假定如下．

目前工業過程排放較多的有機物有烴類、酮 類、酯類、醇類和鹵代烴類，由于后續熱氧化補充燃料計算涉及到燃燒熱值，本文取甲苯、丁酮、乙酸乙酯和異丙醇的平均燃燒熱( 33 784 kJ·kg － 1 ) 為后續計算的燃燒熱( 鹵代烴熱值通常較低，且一般情況下不宜燃燒，故未計入) ． 風機、水泵能耗統一按流量、壓差及 75% 綜合能效計，燃料按天然氣計，熱 源 按 8 kg·cm － 2 的 飽 和 蒸 汽 計． 電 費 按 0. 8元·( kW·h) － 1，天然氣按 3. 5 元·m － 3，蒸汽按 0. 3元·kg － 1 ． 人工費用按 3 班制，每人日均費用 200 元．備品備件部分，催化劑空速按15 000 h － 1計，設計使用壽命20 000 h，按 400 元·L － 1計． 活性炭壽命按 2 a計，15 000元·t－ 1，過濾風速 0. 5 m·s － 1 ． 蜂窩蓄熱陶瓷40 000 h壽命計．

對于 RTO 而言，系統的壓差按3 500 Pa計，RCO壓差按2 500 Pa計，催化燃燒 CO 暫按1 200 Pa計，顆粒炭吸附裝置系統的壓差按1 500 Pa計，沸石轉輪濃縮裝置考慮到去除顆粒物等預處理的壓差合計按1 200 Pa計，纖維活性炭壓差按3 500 Pa計． RTO 的平均進出口溫差按 40℃ 計( 熱利用率在 90% ～95% ) ． 換向周期按 90 s 計． RTO 啟動升溫時間 3 小 時，溫升速率設為約 4 ℃·min － 1 ． 旋轉吸附濃縮裝置的主體氣體進、出口溫差按 8℃計，濃縮后再生氣流與主體氣流的溫差按 30℃ 計． 濃縮裝置的濃縮比按10 倍計． CO 的床層溫度設定為 350℃，進、出口氣流的溫差設為 140℃ ．

吸附設備按 8 h 保護作用時間計，水蒸汽再生考慮到除水及冷卻工序，氮氣保護再生按 4 h 再生周期計．

風機、水泵功率按設備系統壓差可得到單位流體流量的功率，天然氣和蒸汽按系統熱平衡和慣例計算． 凈化過程產生廢水處理費用按高濃度廢水100 元·t － 1計，凈化過程產生有機液體在無法回收回用時，須支付 6 元·kg － 1的危廢處置費用; 當有機液體可以回收回用時按品質( 含水率等) 可獲得 3 ～ 4元·kg － 1的收益．

2 不同情景的評價結果及討論

2. 1 低濃度大風量連續排放情景

低濃度( 約 300 mg·m － 3 ) 大風量連續排放情景不同減排方案的 UAC 如圖 2 所示． 

圖 2 連續大風量 300 mg·m － 3情景不同減排方案的 UACFig．

由圖 2( a) 可見，對于低濃度連續排放的有機氣體凈化方案，在治理過程產生廢液需要外委處理的情況下，旋轉濃縮加RTO 的處理費用最小，但也需要 7. 9 元·kg － 1，最高 的直接催化氧化法CO達 57. 5元·kg － 1，直接采用RTO法的費用為17. 4 元·kg － 1． 

由圖 3 可見，由于來氣中有機物濃度低，因此各類熱氧化法的輔助燃料占比在 37% ～ 86% ． 

圖3 連續大風量 300 mg·m － 3濃度不同方案( 溶劑不可回收回用) UAC 分項比例

RCO 與 RTO 相比，因需要使用催化劑，且對通常應用的三床 RCO 而言是三份催化 劑，盡管電和天然氣的費用略低于RTO，但折算的總體 UAC 要較 RTO 高 30% ． 采用前置旋轉濃縮后，總體 UAC 下降 43% ～ 523%，低濃度氣體凈化系統前置濃縮工藝可有效地減少運行過程的總體能耗． 對于吸附回收類方案，在凈化過程中得到的有機液體不可回收回用的情況下，總體 UAC 在11. 9 ～ 14. 7 元·kg － 1 之間，其廢液外委處置的費用將運行費用提高了近 1 倍，此時吸附回收類方案的運行費用均高于熱氧化方案中旋轉濃縮加 RTO． 但從圖 2( b) 可見，當得到的有機液體可以回收回用時，回收類方 案的 UAC 將下降到 1. 97 ～ 5. 7元·kg － 1，均遠低于氧化類方案的費用． 因此強化VOCs 排放過程的分類收集以提高得到 VOCs 液體的資源化屬性，是今后提高 VOCs 控制費用效能比的有效途徑之一．

2. 2 連續排放不同濃度對 UAC 的影響

2. 2. 1 熱氧化方案

熱氧化方案對不同濃度連續排放氣體的 UAC如圖 4 所示． 

圖 4 不同濃度對熱氧化類方案 UAC 的比較

從中可見，排氣中 VOCs 的濃度越低，各類熱氧化方案的 UAC 越高． 300 mg·m － 3濃度時，參照圖 2 可知，旋轉濃縮加 RTO 的組合方案 UAC達 7. 9 元·kg － 1 ; 而不采用預濃縮的催化燃燒在熱回收率 60% 時，在輔助燃料和催化劑費用因素的共同作用下，UAC 高達 57. 4 元·kg － 1 ; RTO 盡管熱回收效率達 90% 以上，但因入口濃度低，運行費用也需17. 4 元·kg － 1，而 RCO 加上催化劑的費用因素其UAC 也達 30. 5 元·kg － 1 ． 由此可見，低濃度時維持熱氧化過程所需的輔助燃料量是決定運行成本的關鍵因素． 1 000 mg·m － 3濃度時，旋轉濃縮加 RTO 的組合方案費用降到 1. 53 元·kg － 1，純 RTO 方案的費用降到 2. 86 元·kg － 1，RCO 和 CO 方案的費用分別下降到 6. 9 元·kg － 1和 14. 9 元·kg － 1 ． 2 000 mg·m － 3濃 度時，旋轉濃縮的意義已不大，且一級濃縮裝置的排氣已 較 難 達 標，此 時 RTO 方 案 的 費 用 為 0. 91元·kg － 1，RCO 和 CO 的 UAC 分別 2. 88 元·kg － 1 和5. 63 元·kg － 1 ． 總體而言，中低濃度時不建議采用CO 方案． 當濃度為6 000 mg·m － 3時，RTO 方案的費用為 0. 71 元·kg － 1，RCO 為 1. 35 元·kg － 1，CO 為0. 755 元·kg － 1 ． 與 RTO 相比，CO 的占地少且荷載輕，便于設施的布置，因此高濃度時，由于氣體本身有機物的熱值夠高，且氣體中不含對催化劑不利成分時，CO 總體上更具優勢． 此外，如果前期旋轉濃縮可將污染物濃度濃縮到6 000 mg·m － 3以上，旋轉濃縮加 CO 也是較佳的方案之一．

2. 2. 2 吸附回收方案

不同濃度吸附回收類方案的運行費用如圖 5所示

圖 5 不同濃度對吸附回收類方案 UAC 的比較

由圖 5( a) 可見，在產生的液體無法回收回用需要外 委 處 置 時，吸附回收類方案的 UAC 均 在 7 元·kg － 1以上，且隨入口濃度增加導致的運行費用下降的變 化 程 度 要 遠 小 于 熱 氧 化 類，主 要 是6 000元·t－ 1的危廢處置費用在運行費用中占了很大的比例． 而當產生的液體可回收回用并產生經濟效益時，從圖 5( b) 可見，當濃度超過1 000 mg·m － 3時，回收 工藝 4 元·kg － 1 的溶劑效益可抵消掉電、蒸汽、人 工、消耗材料及廢水處理等的費用，并產生盈余; 達 到2 000 mg·m － 3的濃度時，凈化回收 1t 有機液體的直接運行成本在 1. 38 ～ 1. 84 元·kg － 1，如不考慮精制費用，均可實現 1 元·kg － 1 以上的收益． 從提高VOCs 的控制費用效能比的角度，分類分質收集以提高回收液的可用性具有非常重要的意義．

2. 3 低濃度不同排放特征的影響

低濃度( 約 300 mg·m － 3 ) 不同排放特征排氣凈化的 UAC 情況如圖 6 所示． 從圖 6( a) 可見不同排放特征對熱氧化類方案的運行費用影響較大．

圖 6 低濃度情景不同排放特征對不同方案 UAC 的影響情況

相對于穩定排放過程的旋轉濃縮加 RTO 方案，不穩定排放工況情景下的 UAC 將增加 16% ～ 38%不等，每天啟動且運行時間最短情景的 UAC 增加最多，濃度波動因素對該方案的 UAC 影響要小于非連續運行因素; 與穩定排放的旋轉濃縮加 CO 方案相比，不穩定排放情景下的 UAC 將增加 10% ～ 40% 不 等，且濃度波動因素對該方案的 UAC 的影響要大于非連續運行因素，原因是 CO 的 UAC 對入口濃度比較敏感; 非穩定排放情景 RTO 方案的 UAC 將較穩定排放增加 3% ～ 69% 不等，也是以每天啟動且運行時間最短的工況為最甚，啟動能耗對 RTO 的 UAC影響較大．

由于吸附段的緩存和蓄積能力、設備的啟停和來氣濃度波動對吸附類方案的運行影響較小，因 此 UAC 基本沒有變化．“分散收集、集中再生”方 案，因吸附裝置需要移動，其 UAC 要略高于在線就地吸附、脫附裝置，其優勢是可用一套再生裝置伺服多套吸附裝置，提高再生裝置的利用率從而節約總體投資費用． 與連續排放情景一樣，對于非連續和非穩定排放而言，當吸附回收產生的液體不能回收回用時，吸附回收類方案的 UAC 因廢液處置費用的緣故仍然要略高于濃縮加熱氧化類方案中的旋轉濃縮加 RTO，但遠低于不帶濃縮的熱氧化方案的 UAC． 從圖 6 ( b) 可見，如果產生的有機液體能夠回收回用，吸附回收類方案的 UAC 將遠低于各類熱氧化方案．

2. 4  12 種情景總體情況

本節主要討論按表 3 排放情景和方案組合得到 的 UAC 總體情況，如圖 7 所示.

圖 7 不同排放情景不同排放方案的 UAC 總體比較情況

由圖 7 可知，不同濃度不同排放特征情景下，不同減 排 方 案 VOCs 的 UAC 相 差 巨 大，從 近 60元·kg － 1到回收有價值有機液體產生效益． 總體而言，如果凈化回收得到的有機物液體不可回收回用，且待處理氣體有機物濃度較低時，宜優先采用旋轉濃縮加 RTO 和旋轉濃縮加 CO，其次為吸附回收類方案，不宜直接采用 CO、RCO 或 RTO; 當待處理氣體有機物濃度在1 000 mg·m － 3左右時，宜優先采用旋轉濃縮加 RTO、旋轉濃縮加 CO，其次為 RTO 或RCO，然后是吸附回收類方案，不宜采用 CO; 當待處理氣體有機物濃度在2 000 mg·m － 3左右時，宜優先采用 RTO、RCO 及 CO，其次是吸附回收類方案，旋轉濃縮的意義已不明顯; 當 氣 體 濃 度 為 6 000mg·m － 3以上的高濃度時，優先采用占地少和自重小的 CO 或帶熱能回收的 RTO 和 RCO．

當凈化回收得到的有機物液體可回收回用時，應優先采用吸附回收類方案，其次是低濃度時旋轉濃縮加熱氧化，高濃度時直接熱氧化．
當凈化回收得到的有機物液體無需外委處理( 也不考慮回收利用) ，在濃度不大于1 000 mg·m － 3時，應優先采用吸附回收類方案，而當濃 度 大 于2 000 mg·m － 3時，應優先采用各類直接熱氧化方案．

今后將繼續開展不同類型高濃度情景的評估( 包括資源回收和能源回收) ，以及包括投資費用和占地需求安裝便利等因素在內的綜合費用效能評估．

3 結論

(1) 熱氧化類方案對于入口 VOCs 濃 度 300mg·m － 3的 UAC 在 7. 9 ～ 57. 5 元·kg － 1之間; 濃縮和蓄熱換熱效率的提高可有效地降低運行成本． 熱氧化類方案對于入口 VOCs 濃度1 000 mg·m － 3的 UAC在 1. 5 ～ 14. 6 元·kg － 1之間，2 000 mg·m － 3時在 0. 7～ 5. 7 元·kg － 1之間; 入口濃度高將有效降低熱氧化類工藝的 UAC．

(2) 對于吸附回收類方案，如回收液不能回用時，入口濃度 300 mg·m － 3 的 UAC 在 11. 9 ～ 13. 4元·kg － 1，1 000 mg·m － 3 時 為 8. 2 ～ 9. 3 元·kg － 1，2 000 mg·m － 3時在 7. 3 ～ 7. 9 元·kg － 1 ; 如回收液可回用，則入口濃度 300 mg·m － 3的 UAC 在 2. 0 ～ 4. 4元·kg － 1之間，1 000 mg·m － 3時為 0. 26 到盈收 1. 75元·kg － 1， 2 000 mg·m － 3 時 為 盈 收 1. 1 ～ 2. 2元·kg － 1 ．

(3) 對于吸附回收類方案，其回收液是否能回用對 UAC 影響巨大，也是決定選擇熱氧化法還是回收法的關鍵依據．

(4) 低濃度排放情景中，濃縮加熱氧化方案用于非穩定排放時較用于穩定排放時的 UAC 將增加10%～40% 不等，其中旋轉濃縮加 RTO 方案 UAC 增加幅度受啟動能耗的影響大，旋轉濃縮加 CO 方案UAC 受來氣濃度波動的影響大，但吸附回收類方案UAC 受非穩定排放因素的影響不大．