工业中挥发性有机化合物减排的可持续技术选择：AHP-QFD集成方法外文翻译资料

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工业中挥发性有机化合物减排的可持续技术选择：AHP-QFD集成方法

Alok Kumar Gupta¹ bull; Bharat A. Modi¹

Received: 1 August 2016 / Accepted: 31 March 2018 / Published online: 26 April 2018copy; The Institution of Engineers (India) 2018

摘要

挥发性有机化合物（VOC）普遍存在于全球大气污染物中。这些挥发性有机化合物会导致大气中的光化学反应，对人体健康和环境造成严重的有害影响。VOC有天然来源和人为来源两个主要来源。如果将其用作替代燃料，可能会具有良好的商业价值。根据美国EPA的数据显示，VOC排放总量的15％来自表面涂层行业，而且取决于行业使用的工艺，VOC浓度和废气量变化很大。 目前减少VOC量的方法非常多。使用物理、化学和生物技术均可通过回收或销毁的方式去除VOC，不同方法也具有其不同的优点和局限性。随着社会环境意识的提高以及考虑到中小型工业的资源局限性，需要有一种方法来选择技术上可行、经济上合理的从工业过程废气中去除VOC的解决方案。本研究的目的是为企业提供一种方法以确定实施某种VOC减排技术会对企业经济和VOC排放产生何种总体影响。本次研究主要概述一种方法，它可以根据当前和未来可预见的法规要求，考虑到处理系统操作灵活性以及节约能源的总体经济参数的相关约束条件，对各种VOC减排技术进行评级。该方法可以有策略地选择最合适的减排技术。技术-商业评估中集成了层次分析过程和质量功能部署两个功能。 本研究介绍了铝箔表面涂层、层压和印刷设备行业使用这种方法进行VOC减排技术选择的案例研究。

关键词

减排技术、层次分析法（AHP）、成本效益比、质量功能部署（QFD）、

挥发性有机化合

物（VOC）

引言

挥发性有机化合物（VOC）是在101.3 kPa ^[1]的标准大气压下测得的初始沸点小于或等于250°C（482°F）的有机化合物。 大多数挥发性有机化合物有毒且对光化学敏感，当暴露于氮氧化物和阳光下时，它们会形成臭氧和其他产物。VOCs的排放会导致污染问题以及有害的环境影响，例如会导致酸雨，光化学臭氧的形成^[2]。较低浓度的VOC排放也会对人体健康产生有害影响，并可能影响人体器官，如中枢神经系统、呼吸系统、肝脏、肾脏生殖系统^[3，4]。研究表明，VOC排放量与儿童哮喘的严重症状呈正相关^[5]。VOC本质上是致癌的，它们在对流层中会作用于次生污染物，比如臭氧O₃^[6]。VOC的来源分为两类，天然/生物来源和人造/人为来源。

化石燃料沉积物是自然来源，包括油砂、火山、植被以及细菌等等。 树木也会排放不同种类的VOC，比如针叶树会日夜排放ene烯^[7]。据估计，全球挥发性有机化合物的生物排放速率约为每年1150Tg ^[8]。人为的VOC排放则来自工业生产，即机动车排放、工业排放，包括燃烧过程中消耗的化石燃料、汽油的存储和分配、制造过程中的溶剂用量以及油基涂料的使用^[9，10]。根据美国环保署研究，生物源排放约占总排放量的28％，人为源排放VOC约为72％。估计全球VOC排放的人为来源为每年1.1亿吨^[11]。 研究表明，工业排放占全球VOC排放总量的16％，其主要来自于化石燃料（49％）的燃烧、生物燃料（18％）和生物质燃烧（14％）。

印度的VOC排放法规

根据橡胶制品制造业最低国家标准（MINAS），CPCB已将空气排放的MINAS确立为烟囱中VOC的排放限值应固定为50 mg / m^{3 [12]}。根据新德里环境和森林部的1986年《环境保护法》，2012年11月9日的修正案规定，与排放挥发性有机化合物有关的行业将遵循以下标准^[13]。

关于表1中VOC的最大排放限值，下表列出了各个行业的排放范围。

表1 排放口VOC（一般）的排放标准^[13]

VOC减排技术

任何行业首先都应探讨从源头控制VOC的可能性。源头控制VOC通常比在生产过程以及末端处理会有更好的效果。减少VOC排放工艺改进不仅仅指的是用溶剂基油墨替代水基油墨进行原料替代，还包括改变操作条件，即在受控环境中执行生产过程以最大程度地减少VOC的形成。设备改造，比如可以将外壳设计为通过封闭排放源减少VOC排放。

对于无法从源头控制排放的行业中，则需要采用末端VOC处理技术，主要分为回收技术和销毁技术两类，如图1所示。回收技术是基于吸附，吸收和冷凝的原理从废气中去除VOC，并利用回收溶剂进行进一步处理或再利用。采用正确纯度的溶剂回收VOC时可以使其重复使用。但是如果回收的溶剂纯度不够，则可能需要进行最终处置/处理步骤（表2）。

吸附过程简单、灵活并且经济有效地回收了VOC。使用合适的吸附剂和处理条件，可以回收各种VOC。通常适用于小排气流量和低浓度的VOC处理^[15]。

吸收技术，则是将挥发性有机化合物吸收在对挥发性有机化合物具有良好亲和性的吸收剂中，并通过浓缩挥发性有机化合物从吸收剂中剥离而以浓缩形式进行回收。吸收过程的有效性取决于废气中挥发性有机化合物在液体吸收剂中的溶解度，它会导致挥发性有机化合物传质到气-液界面^[16]。

冷凝技术的原理是VOC通过排气中存在的溶剂蒸气冷凝而使其分离。压缩冷凝指的是排气流中溶剂蒸汽的冷凝可以通过保持排气流温度恒定并增加压力来完成。 制冷冷凝则是指排气流的压力保持恒定并且排气流的温度降低到恰好低于排气流中存在的溶剂的冷凝温度。但是由于废气流进行了压缩，废气中的体积溶剂蒸气浓度增加，可能会有爆炸危险。考虑到安全性这一点，大多数用于溶剂回收的冷凝系统均为制冷类型^[17]。

通过回收技术回收的挥发性有机化合物虽然可以重新使用，但是在回收过程中回收溶剂的纯度，回收率，回收工厂的规模，资本投资和系统的运营成本是关键要素，并且因行业而异。

图1 VOC减排技术

控制源头

热氧化

催化氧化 Thermal

非催化氧化

生物滴滤器

Biofilters

销毁技术

VOC

减排技术

集中器

热交换器

氧化反应器

直燃式热氧化器 Oxidiser.

生物氧化 生物滤池

吸附

生物洗涤塔

回收技术术

吸收

冷凝

表2 各行业的VOC排放范围^[14]

热氧化指的是将VOCs升温到自燃温度以上，然后在保持该温度的状态下，使VOCs转化为CO₂和H₂O ^[17，18]。在对某些包含氯或硫元素的VOC进行处理的过程中，废气还将包含HCl和SO₂ ^[18]。该过程非常有效，并且在合适的设计、工程和维护条件下，几乎所有气态VOC都可以安全氧化^[19]。生物氧化过程中所使用的微生物种群能够利用VOCs作为其分解代谢/呼吸作用和合成代谢/生长需求的主要来源^[20]。这种方法维持微生物种群非常重要，但这是非常困难的。由于其生物性质，生物处理法处理缓慢，需要分批完成，所以要求比较大的占地面积。

《空气清洁法》于1970年确立，1977年进行首次修订，并于1990年再次修订。继续加强对VOC排放的限制。 随着VOC法规的不断变化，新的VOC控制/减排技术也在不断发展当中。虽然30年前的基本技术目前仍在工业处理VOC当中使用， 但当今所发展的VOC控制/减排技术比以前的方法更简单、运作设备易于维护，并且处理效率和成本效益更高。热氧化和冷凝技术适用于处理中高浓度VOC。吸附和吸收技术可以从VOC中回收溶剂，但是潮湿的VOC气流会损害冷凝器，并且会阻塞吸附剂的吸附部位。当废气中含有大量化合物时，混合化合物的回收和再利用在经济上不具有可行性。生物过滤和先进氧化技术可用于降低VOC浓度，但这些系统运行均需要较高的CAPEX和OPEX。尽管所有这些方法在技术上都能处理工业中的VOC，但在大多数情况下在经济上不可行。为了解决VOC控制/减排中的这些技术经济约束，工厂需要测试并且评估许多新型替代技术。这些替代技术包括使用内燃机处理等离子挥发性有机化合物、等离子技术、光催化氧化技术、电子束及混合处理系统、碳气溶胶颗粒处理、负空气离子处理，使用中孔氧化铬和二氧化硅纤维基质的处理、电气放电处理，以及由异质光催化剂颗粒等介导的紫外光氧化^[21–26]。目前这些新兴技术相对于传统的VOC控制/减排技术的有效性仍在研究当中。表3总结了常规和新兴的VOC控制技术^{[14，26–28]}。

表3 常规和新兴VOC控制技术的技术评估^{[14，26–28]}

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