李佳羽，劉利民，韓建華，紀(jì)紅兵，（中山大學(xué)惠州研究院，廣東 惠州5608；中山大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州5075）

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典型化工園區(qū)VOCs排放控制技術(shù)的評價

李佳羽1，劉利民1，韓建華2，紀(jì)紅兵1，2
（1中山大學(xué)惠州研究院，廣東 惠州516081；2中山大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州510275）

第一作者：李佳羽（1993—），女，學(xué)士。聯(lián)系人：紀(jì)紅兵，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為綠色化工技術(shù)和化工園區(qū)管理。E-mail jihb@mail. sysu.edu.cn。

摘要：隨著化工園區(qū)揮發(fā)性有機物（VOCs）排放問題越來越受關(guān)注，化工園區(qū)VOCs排放控制技術(shù)的選擇需要科學(xué)合理、客觀公正的評價指標(biāo)體系和評價方法。本文基于層次分析法研究VOCs排放控制技術(shù)評價指標(biāo)體系的構(gòu)建以及評價的方法，針對石油化工型這類典型化工園區(qū)分析了行業(yè)分布及VOCs排放特點，闡述篩選備選評價技術(shù)的方法以及評價指標(biāo)權(quán)重確定的步驟，最后結(jié)合實例驗證了方法。典型化工園區(qū)VOCs控制技術(shù)評價指標(biāo)體系涉及技術(shù)、經(jīng)濟和環(huán)境影響三方面共8個指標(biāo)，普遍適用于典型化工園區(qū)內(nèi)企業(yè)；評價指標(biāo)權(quán)重的確定需要構(gòu)建各層次判斷矩陣計算特征根和特征向量，一致性檢驗等步驟，進行層次間指標(biāo)總排序得出所有指標(biāo)因素對目標(biāo)層的指標(biāo)權(quán)重；以惠州大亞灣石化區(qū)某企業(yè)為例實施評價，結(jié)果表明，沸石轉(zhuǎn)輪濃縮燃燒＞活性炭濃縮燃燒＞蓄熱式燃燒，沸石轉(zhuǎn)輪濃縮燃燒綜合評價值較高，為最優(yōu)控制技術(shù)。

關(guān)鍵詞：化工園區(qū)；揮發(fā)性有機物；排放控制技術(shù)；評價指標(biāo)體系；層次分析法

化工園區(qū)在國際上通常是指在符合一定的自然資源和環(huán)境條件要求的特定區(qū)域內(nèi)，依靠主要消費區(qū)和資源來源地，占有充足的水源保證或有較強自凈能力的納污水域，且交通條件便利、物流發(fā)達、配套產(chǎn)業(yè)比較完善的地區(qū)，以石化化工產(chǎn)業(yè)為紐帶形成的加工體系匹配、產(chǎn)業(yè)聯(lián)系緊密、原料互供、物流成熟完善、公用工程專用、環(huán)境污染統(tǒng)一治理、管理統(tǒng)一規(guī)范、資源利用高效的產(chǎn)業(yè)聚集地[1]。隨著我國化工園區(qū)數(shù)目的迅速增加，化工園區(qū)環(huán)境生態(tài)問題日益凸顯，園區(qū)內(nèi)企業(yè)排放揮發(fā)性有機物（VOCs）引起的環(huán)境問題越來越受人們的關(guān)注。

我國對VOCs可以定義為參與大氣光化學(xué)反應(yīng)的有機化合物或者根據(jù)規(guī)定的方法測量或核算確定的有機化合物，是大氣復(fù)合污染物的重要前體和參與物?；@區(qū)內(nèi)企業(yè)大都屬石油化工、生物化工、精細(xì)化工行業(yè)[2]，生產(chǎn)工藝復(fù)雜導(dǎo)致VOCs排放污染物種類多、成分復(fù)雜；同時由于缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓芾眢w系，基礎(chǔ)工作和監(jiān)管能力不足，導(dǎo)致VOCs污染防治困難重重。

目前隨著社會各界對有機廢氣污染的關(guān)注程度日益提高，VOCs治理技術(shù)也得到迅速發(fā)展。吸附技術(shù)、催化燃燒技術(shù)和熱力焚燒技術(shù)是傳統(tǒng)的有機廢氣治理技術(shù)，也是目前應(yīng)用最為廣泛的VOCs治理技術(shù)。吸收技術(shù)由于存在二次污染和安全性差等缺點，目前在有機廢氣治理中已經(jīng)較少使用。冷凝技術(shù)只是在極高濃度下直接使用才有意義，通常作為吸附技術(shù)或催化燃燒技術(shù)等的輔助手段使用。生物法凈化技術(shù)較早被應(yīng)用于有機廢氣的凈化，目前技術(shù)上比較成熟，可應(yīng)用于低濃度有機廢氣和惡臭治理。等離子體破壞技術(shù)近年來已經(jīng)相對發(fā)展成熟，并在低濃度有機廢氣治理中得到了應(yīng)用；光催化技術(shù)和膜分離技術(shù)在大氣量的有機廢氣治理中尚沒有實際應(yīng)用。吸附濃縮-燃燒技術(shù)、吸附濃縮-冷凝回收技術(shù)、等離子體加光催化復(fù)合凈化技術(shù)等組合工藝得到迅速發(fā)展[3]。各種技術(shù)有不同的特點和有效適用范圍，如何評價并選擇最佳的排放控制技術(shù)是亟待解決的問題。

對比歐盟按照《綜合污染預(yù)防與控制第96/61/EC號指令》來確定最佳可行技術(shù)（BAT），美國對創(chuàng)新技術(shù)采用環(huán)境技術(shù)認(rèn)證（ETV）評價系統(tǒng)，我國污染物排放控制技術(shù)評價存在以下問題：缺乏科學(xué)客觀、合理公正的評價標(biāo)準(zhǔn)和評價指標(biāo)體系，大部分的污染物排放控制技術(shù)指標(biāo)體系是針對煙氣脫硫脫銷技術(shù)和水污染防治的，評價指標(biāo)體系不完整、系統(tǒng)性不強。而且截止目前為止，我國尚未開展針對各類VOCs的控制技術(shù)應(yīng)用和運行情況的系統(tǒng)調(diào)查，也缺乏關(guān)于VOCs控制技術(shù)評價方法和評價指標(biāo)的研究[4]。故本文針對典型化工園區(qū)探索一種科學(xué)合理的VOCs排放控制技術(shù)評價方法，結(jié)合實例綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟以及環(huán)境影響對備選控制技術(shù)開展評價工作，為化工園區(qū)企業(yè)選擇經(jīng)濟可行、技術(shù)可靠的VOCs排放控制技術(shù)提供依據(jù)，對我國建立VOCs排放控制管理體系具有重要意義。

1　評價方法和評價步驟

層次分析法將一個復(fù)雜的多目標(biāo)決策問題作為一個系統(tǒng)，將目標(biāo)分解為多個目標(biāo)或準(zhǔn)則，進一步分解為多指標(biāo)（或準(zhǔn)則）的若干層次，這個過程稱為構(gòu)造遞階層次結(jié)構(gòu)。對兩兩指標(biāo)之間的重要程度作出比較判斷，建立判斷矩陣，通過計算判斷矩陣的最大特征值以及對應(yīng)特征向量，求得各元素對上一層次元素的權(quán)重系數(shù)，最后再加權(quán)和的方法算出各備選方案重要性程度的權(quán)重即為綜合評價值，最終綜合評價值最大者即為最優(yōu)方案[5]。有n項評價指標(biāo)的綜合模型如式(1)。

式中，yi為第i（i=1，2，3…，n）個備選方案的綜合評價值；wj是評價指標(biāo) xj的權(quán)重系數(shù)（wj≥0，Σwj=1）；xij為第i個備選方案的第j項指標(biāo)值。

層次分析法要求建立遞階層次結(jié)構(gòu)，反映了各因素之間相互關(guān)系及對目標(biāo)的影響關(guān)系，量化了每個因素對目標(biāo)的影響程度，使分析決策更清晰有條理，具有系統(tǒng)性；簡單實用，通過各元素之間兩兩比較、倍數(shù)關(guān)系，直觀簡單地判斷元素之間的優(yōu)劣，進一步通過成對比較矩陣判斷多個因素之間的關(guān)系。層次分析法是定量與定性相結(jié)合的決策分析方法，可以綜合考慮各方面的因素，逐層分析后綜合評價判斷，從而得到一個既定量化又較符合實際的評價結(jié)果，故選擇層次分析法作為VOCs排放控制技術(shù)評價的方法。

為了使評價過程科學(xué)客觀，首先要對化工園區(qū)VOCs排放現(xiàn)狀進行調(diào)查研究，針對行業(yè)VOCs污染物排放特征和理化性質(zhì)篩選符合應(yīng)用背景條件的排放控制技術(shù)進行評價?？陀^構(gòu)建評價指標(biāo)體系還要充分了解不同相關(guān)人員（如決策者、運營者、公眾）對各指標(biāo)的關(guān)注程度，按照層次分析法排出各備選評價技術(shù)的優(yōu)劣順序，選出最佳控制技術(shù)，具體評價步驟如圖1所示。

圖1　VOCs排放控制技術(shù)評價步驟

2　典型化工園區(qū)VOCs排放分析

2.1主要行業(yè)分布及VOCs排放特征

目前全國重點化工園區(qū)或以石油和化工為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的工業(yè)園區(qū)共有381家，其中國家級38家，省級221家，市級118家，產(chǎn)值達5萬億元，占全行業(yè)產(chǎn)值的44％。以惠州大亞灣石化區(qū)為例，其產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀是以煉油、乙烯為龍頭，以C2、C3、C4及芳烴鏈為主線的石油化工產(chǎn)業(yè)鏈。規(guī)劃到2020年，經(jīng)過一系列規(guī)劃項目的實施和開發(fā)建設(shè)，總體規(guī)模達到煉油4000萬噸/年、乙烯350萬噸/年、芳烴200萬噸/年，將惠州大亞灣石化區(qū)建設(shè)成為以煉油、石化深加工為主，精細(xì)化工為輔，物流及公用工程配套齊全的生態(tài)工業(yè)園區(qū)?；葜荽髞啚呈瘏^(qū)企業(yè)涉及的行業(yè)以煉油和石化為主，并涵蓋化學(xué)倉儲、噴涂、印刷等行業(yè)。此外，上海市現(xiàn)有石化、化工基地涵蓋了石油化工、煤化工、精細(xì)化工、化工原料等行業(yè)；南京化工園區(qū)重點發(fā)展石油與天然氣化工、基本有機化工原料、精細(xì)化工、高分子材料、生命醫(yī)藥、新型化工材料等六大領(lǐng)域產(chǎn)品。這類以大規(guī)模煉油、乙烯裝置為龍頭，以產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品鏈的銜接為紐帶的典型化工園區(qū)，行業(yè)分布集中在石油煉制、石油化工、化學(xué)原料生產(chǎn)、制藥、包裝印刷、涂料油墨工業(yè)。分析典型化工園區(qū)行業(yè)分布及VOCs排放特征，有利于對園區(qū)內(nèi)企業(yè)具體實施評價時，篩選可行的備選評價技術(shù)及構(gòu)建涵蓋化工園區(qū)共性的評價指標(biāo)體系。表1是國內(nèi)學(xué)者目前研究的各行業(yè)VOCs排放特征[6]。

2.2備選評價技術(shù)篩選

表1　行業(yè)VOCs排放特征

VOCs的濃度及成分是影響控制技術(shù)選擇的重要因素，根據(jù)環(huán)保部發(fā)布的VOCs污染防治技術(shù)政策，不同濃度及成分VOCs排放控制技術(shù)的選擇如表2所示。典型化工園區(qū)內(nèi)企業(yè)實施評價篩選備選評價技術(shù)，要針對行業(yè)分析不同生產(chǎn)工藝過程的排放環(huán)節(jié)及成分、濃度等參數(shù)。

石化區(qū)VOCs排放具有污染源分布廣、成分復(fù)雜、排放量大的特點，其主要排放環(huán)節(jié)有工藝尾氣、裝置設(shè)備泄漏、儲罐排放、污水處理廠等散發(fā)的惡臭氣體以及輕質(zhì)油品及揮發(fā)性化學(xué)藥劑和溶劑貯存過程中的逸散等[7]。現(xiàn)有的排放控制技術(shù)有吸附、吸收、冷凝、膜分離油氣回收、催化燃燒、熱力焚燒、泄漏檢測與修復(fù)（LDAR）。在石化行業(yè)VOCs排放控制技術(shù)評價篩選備選技術(shù)時，針對不同的生產(chǎn)工藝過程了解廢氣成分和濃度等信息，對現(xiàn)有排放控制技術(shù)進行篩選，例如沒有回收價值或低濃度廢氣，不宜考慮冷凝、膜分離等回收方法，篩選后備選評價技術(shù)應(yīng)為吸附、吸收、催化燃燒、熱力焚燒等。

表2　VOCs不同濃度及成分末端治理技術(shù)的選擇表

3　基于層次分析法構(gòu)建評價指標(biāo)體系

3.1構(gòu)建原則

①科學(xué)性原則，VOCs排放控制技術(shù)指標(biāo)體系要以科學(xué)理論為依據(jù)，選取具有合理典型的具體指標(biāo)；全面性原則，VOCs排放控制技術(shù)評價指標(biāo)體系不僅要考慮技術(shù)和經(jīng)濟兩方面的因素，也要考慮對環(huán)境產(chǎn)生影響的環(huán)境影響因素。②獨立性原則，在構(gòu)建評價指標(biāo)體系過程中，各指標(biāo)不應(yīng)有包含、換算或替代的關(guān)系。③層次性原則，根據(jù)影響類別設(shè)置分層級次，層次之間關(guān)系明確，權(quán)重合理。④可操作性原則，在基本滿足給出決策所需信息求和評價要的前提下，挑選易于計算、容易獲取、具有普適性、代表性的指標(biāo)，盡量減少指標(biāo)個數(shù)，使指標(biāo)體系具有較高的可操作性和使用價值。⑤定性與定量相結(jié)合原則，目前許多評價指標(biāo)體系使用過程中主要通過專家學(xué)者打分進行定性評價，往往不能客觀反映真實情況，應(yīng)增加能夠較為全面評價的量化指標(biāo)。

3.2構(gòu)建內(nèi)容

評價指標(biāo)體系既要體現(xiàn)技術(shù)選擇的合理性，又要體現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)濟性以及對環(huán)境的影響，同時既要有定性評估的指標(biāo)，也要有定量評估的指標(biāo)?；谀壳拔廴疚锱欧趴刂萍夹g(shù)評價的研究[4，8-10]，可選擇技術(shù)性、經(jīng)濟性和環(huán)境影響作為一級指標(biāo)，并從評價的可操作性角度選擇了去除率、排放控制水平、技術(shù)成熟度等二級指標(biāo)。對化工園區(qū)內(nèi)不同行業(yè)不同生產(chǎn)工藝過程評價，建立二級、三級及更下一級評價指標(biāo)時，可參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或根據(jù)工作需要進行適當(dāng)增減。

典型化工園區(qū)VOCs排放控制技術(shù)評價指標(biāo)體系層次結(jié)構(gòu)見圖2。

評價指標(biāo)體系中各指標(biāo)名稱的定義和性質(zhì)見表3。

4　評價指標(biāo)權(quán)重的確定

通過專家學(xué)者打分的形式，采用1～9及其倒數(shù)的倍數(shù)方法，判斷各指標(biāo)因素相對重要性（或優(yōu)劣、偏好、強度等），按照表4定義的比例標(biāo)度對相對重要性賦值形成矩陣，計算特征根和特征向量。

根據(jù)專家打分結(jié)果構(gòu)建各層的判斷矩陣見式(2)。

可采用方根法計算判斷矩陣B的最大特征根lmax，以及對應(yīng)的經(jīng)歸一化后的特征向量W=(w1,w2…wn)T，單層次排序及一致性檢驗具體計算過程如下。

① 判斷矩陣各元素按行相乘

圖2　典型化工園區(qū)VOCs排放控制技術(shù)評價指標(biāo)體系

表3　評價指標(biāo)名稱、定義

表4　標(biāo)度的含義

③將方根向量歸一化的所求特征向量

可見，例中矩陣B具有滿意的一致性。故所求得特征向量W=[0.105，0.637，0.258]即為該層次各指標(biāo)因素的權(quán)重。對于多層次的決策問題還需要對各層次進行層次總排序及一致性檢驗，獲得最底層因素對目標(biāo)層的組合權(quán)重，如表6所示。

表5　R.I.取值

表6　層次總排序表

為評價總排序的計算結(jié)果的一致性，需要計算與單排序類似的檢驗：

5　評價案例

以大亞灣石化區(qū)某企業(yè)為例，進行VOCs排放控制技術(shù)評價。某企業(yè)隸屬于化工原料生產(chǎn)行業(yè)，廢氣特點是中低濃度、大風(fēng)量（20000m3/h），廢氣成分無回收價值，根據(jù)其生產(chǎn)工藝和污染物排放環(huán)節(jié)（圖3），擬定活性炭濃縮燃燒、沸石轉(zhuǎn)輪濃縮燃燒及蓄熱式燃燒為備選評價技術(shù)。某企業(yè)有機廢氣處理要求達到排放標(biāo)準(zhǔn)，在保證凈化要求的前提下做到節(jié)省投資，選擇的控制技術(shù)既有合理性又具有先進性以保證運行管理簡便靈活。

目前對VOCs排放控制技術(shù)無統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)，通過大量文獻資料的查閱并參考實際工程實施應(yīng)用情況，針對某企業(yè)廢氣排放情況，各備選評價技術(shù)指標(biāo)對比情況見表7。

評價指標(biāo)體系如圖2建立，借助于1～9標(biāo)度，參考專家打分賦值結(jié)果，其中評價指標(biāo)權(quán)重的確定，按照層次分析法構(gòu)建判斷矩陣并進行一致性檢驗結(jié)果見表8，層次總排序得到最終權(quán)重結(jié)果見表9，各備選評價技術(shù)對應(yīng)各個具體評價指標(biāo)的權(quán)重見表10。

圖3　某企業(yè)生產(chǎn)工藝及污染物排放環(huán)節(jié)

表7　針對某企業(yè)各備選評價技術(shù)指標(biāo)對比

表8　判斷矩陣的構(gòu)建及一致性檢驗結(jié)果

表9　VOCs排放控制技術(shù)評價指標(biāo)權(quán)重

表10　備選評價技術(shù)對應(yīng)子準(zhǔn)則層指標(biāo)值

層次總排序一致性檢驗：C.I=0.0236，R.I=0.48，C.R.=0.0492<0.1，結(jié)果具有滿意一致性。

按式（1）計算各個備選評價技術(shù)的綜合評價值，最終結(jié)果如表11所示。

由表11可知，根據(jù)綜合評價結(jié)果，某企業(yè)3 種VOCs排放控制技術(shù)的排序是沸石轉(zhuǎn)輪濃縮燃燒＞活性炭濃縮燃燒＞蓄熱式燃燒，與該企業(yè)實際選擇的VOCs排放控制技術(shù)相符。從表9指標(biāo)權(quán)重的結(jié)果可見影響較大的指標(biāo)是工程投資、運行成本、去除率，可見該評價指標(biāo)體系更看重經(jīng)濟性和去除率對技術(shù)選擇的影響，如果企業(yè)資金不足，則可以考慮工程投資和運行成本較低的次優(yōu)技術(shù)——活性炭濃縮燃燒?？偠灾?，控制技術(shù)的選擇可參考評價結(jié)果考慮各個因素，根據(jù)側(cè)重因素的不同，選擇最適合實施應(yīng)用的技術(shù)。

表11　VOCs排放控制技術(shù)綜合評價結(jié)果

6　結(jié)語

本文針對典型化工園區(qū)VOCs排放背景，通過文獻調(diào)研結(jié)合了水污染防治技術(shù)、煙氣脫硫脫銷技術(shù)等評價指標(biāo)體系構(gòu)建和評價方法的研究成果，考慮了技術(shù)、經(jīng)濟和環(huán)境因素，基于層次分析法系統(tǒng)地構(gòu)建了典型化工園區(qū)VOCs排放控制技術(shù)評價指標(biāo)體系，為典型化工園區(qū)VOCs排放控制技術(shù)的評價、篩選和應(yīng)用推廣提供了直觀有效的科學(xué)方法，通過實例也驗證了本文方法的可行性。同時，本文的評價指標(biāo)體系有適應(yīng)性和擴展性，可以結(jié)合實際情況對評價指標(biāo)體系進行調(diào)整，具有較強的可操作性。實際工程中對VOCs的排放控制還有其他復(fù)雜的因素，比如源頭及過程控制措施、收集裝置的改進等，評價結(jié)果可作為參考來對比不同控制技術(shù)的不足之處，結(jié)合其他過程控制做出最適合應(yīng)用的VOCs排放控制技術(shù)。

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產(chǎn)品與市場

Evaluation of VOCs emission control technologies in typical chemical industry park

LI Jiayu1，LIU Limin1，HAN Jianhua2，JI Hongbing1，2
（1Huizhou Research Institute of Sun Yat-sen University，Huizhou 516081，Guangdong，China；2School of Chemistry and Chemical Engineering，Sun Yat-sen University，Guangzhou 510275，Guangdong，China）

Abstract：As volatile organic compounds(VOCs) emission problems of chemical industry park has attracted more and more attention，the choice of VOCs emission control technology in chemical industry park needs scientific，rational，objective and fair evaluation index system and assessment methods. An evaluation index system for VOCs emission control technology based on analytic hierarchy process was developed. For a typical chemical industry park，such as petrochemical industry，the industry distribution and VOCs emission characteristics were analyzed，and screening method of alternative technologies and determination of evaluation index weight were presented. An example to verify the method was also given. Evaluation index system of VOCs emission control technologies in a typical chemical industry park involving eight indexes could be applicable to enterprises in the typical chemical industrial park. The evaluation index system was comprehensive，qualitative and quantitative. A judgment matrix was constructed to calculate the eigenvalues of the matrix and vector features，consistency check was made，and then overall ranking of inter-level indicators was made to determine the weights of all index factors relative to the objective level. Finally，Huizhou Daya Bay Petrochemical Zone was taken as an example. The preferred selection was in the following order：Rotary zeolite adsorption-concentration and combustion＞Granular carbon adsorption-concentration and combustion＞Regenerative combustion. Rotary zeolite adsorption-concentration and combustion was selected as the best available technology due to its highest weight among those technologies.

Key words：chemical industry park；volatile organic compounds(VOCs)；emission control technology; evaluation index system；analytic hierarchy process

收稿日期：2016-01-07。

基金項目：廣東省自然科學(xué)基金重大基礎(chǔ)研究培育項目（2014A030308012）。

中圖分類號：X 51

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1000–6613（2016）04–1250–07

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.04.045