การควบคุมการปล่อยสาร VOC ในอุตสาหกรรม: เทคโนโลยี กระบวนการ และการบรรเทาผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม

บทนำ

สารอินทรีย์ระเหยง่าย (VOCs) ได้กลายเป็นประเด็นสำคัญด้านสิ่งแวดล้อม เนื่องจากอุตสาหกรรมทั่วโลกมุ่งเน้นไปที่การผลิตที่สะอาดและยั่งยืนมากขึ้น สารเหล่านี้มีอยู่อย่างแพร่หลายในกระบวนการทางเคมี การถลุงโลหะ การเคลือบผิว การพิมพ์ และอุตสาหกรรมอื่นๆ อีกหลายประเภท ซึ่งก่อให้เกิดความเสี่ยงอย่างมากต่อคุณภาพอากาศ สุขภาพของมนุษย์ และความมั่นคงของระบบนิเวศ เมื่อกฎระเบียบด้านสิ่งแวดล้อมเข้มงวดมากขึ้นทั่วโลก อุตสาหกรรมจำเป็นต้องนำระบบควบคุม VOC ที่มีประสิทธิภาพมาใช้ เพื่อลดการปล่อยมลพิษและรับประกันความสอดคล้องตามข้อกำหนด

บทความนี้ให้ภาพรวมอย่างละเอียดเกี่ยวกับการกำเนิดของสารอินทรีย์ระเหยง่าย (VOCs) ในอุตสาหกรรมหลักต่างๆ และสำรวจเทคโนโลยีที่มีประสิทธิภาพสูงสุดสำหรับการบำบัดสารเหล่านี้ ตั้งแต่กระบวนการทางเคมีจากถ่านหินไปจนถึงอุตสาหกรรมการพิมพ์และการบรรจุภัณฑ์ การเข้าใจกลไกเหล่านี้เป็นสิ่งจำเป็นในการออกแบบแนวทางแก้ไขที่ทั้งเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและคุ้มค่าทางเศรษฐกิจ

สาร VOCs คืออะไร?

สารอินทรีย์ระเหยง่าย (Volatile Organic Compounds) เป็นกลุ่มสารเคมีที่มีองค์ประกอบหลักเป็นคาร์บอน ซึ่งมีความดันไอสูงที่อุณหภูมิห้อง ทำให้ระเหยเข้าสู่อากาศได้ง่าย โดยทั่วไป VOCs รวมถึงสารที่มีจุดเดือดภายใต้ความดันปกติอยู่ในช่วง 50°C ถึง 260°C หรือสารที่มีความดันไออิ่มตัวมากกว่า 133.32 Pa ภายใต้สภาวะแวดล้อมปกติ

ประเภทของ VOCs ทั่วไป

ตามโครงสร้างทางเคมี VOCs แบ่งออกเป็น 8 กลุ่มหลัก:

• อัลเคน

• ไฮโดรคาร์บอนกลุ่มอะโรมาติก

• อัลเคน

• ไฮโดรคาร์บอนที่มีฮาโลเจน

• เอสเทอร์

• อัลดีไฮด์

• คีโตน

• สารอินทรีย์อื่นๆ

ตัวอย่าง VOC โดยทั่วไป

• ไฮโดรคาร์บอนกลุ่มอะโรมาติก: เบนซีน, โทลูอีน, ไซลีน, สไตเรน

• ไฮโดรคาร์บอนสายโซ่: บิวเทน, ส่วนประกอบของน้ำมันเชื้อเพลิง

• ไฮโดรคาร์บอนที่มีฮาโลเจน: คาร์บอนเตตระคลอไรด์, คลอโรฟอร์ม

• แอลกอฮอล์และอัลดีไฮด์: เมทานอล, แอซิทัลดีไฮด์, อะซิโตน

• เอสเทอร์: เอทิลแอซิเทต, บิวทิลแอซิเทต

• อื่น ๆ: แอซีโตไนทริล, แอคริโลไนทริล, คลอโรฟลูออโรคาร์บอน

สารประกอบเหล่านี้เกิดขึ้นจากกระบวนการเผาไหม้เชื้อเพลิง ปฏิกิริยาทางเคมี การระเหยของตัวทำละลาย และกระบวนการอุตสาหกรรมต่างๆ เนื่องจากสาร VOCs มีความไวในการทำปฏิกิริยาและเป็นพิษสูง จึงจำเป็นต้องควบคุมอย่างเป็นระบบ

แหล่งกำเนิดหลักของ VOCs จากอุตสาหกรรม

1. VOCs ในอุตสาหกรรมเคมีถ่านหิน

ภาคอุตสาหกรรมเคมีจากถ่านหินเป็นหนึ่งในผู้มีส่วนร่วมหลักที่ก่อให้เกิดการปล่อย VOC มากที่สุด อีเวค (VOC) ส่วนใหญ่เกิดขึ้นจากสองกระบวนการ ได้แก่

• การเผาถ่านหินเพื่อผลิตโค้ก

• การเปลี่ยนถ่านหินเป็นก๊าซสังเคราะห์

1.1 การปล่อยอีเวคระหว่างกระบวนการเผาถ่านหินเพื่อผลิตโค้ก

การเผาถ่านหินเพื่อผลิตโค้กเกี่ยวข้องกับการให้ความร้อนถ่านหินที่อุณหภูมิสูง ทำให้สารประกอบอินทรีย์เชิงซ้อนระเหยออกมา การปล่อยมลพิษเกิดขึ้นหลักๆ สองช่วง ได้แก่

A. ช่วงการเติมถ่านหินดิบ

เมื่อถ่านหินดิบถูกเติมเข้าไปในเตาเผาโค้กที่มีอุณหภูมิสูง มันจะสัมผัสกับพื้นผิวที่ร้อนจัดและปล่อยสารผสมออกมา ซึ่งประกอบด้วย

• โพลีไซคลิกอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอน

• ไอของยางมะตอย

• ก๊าซอินทรีย์

มลพิษเหล่านี้มีส่วนทำให้เกิดอันตรายจากการทำงานและก่อให้เกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อม

ข. พื้นที่กู้คืนผลิตภัณฑ์พลอยได้จากกระบวนการคาร์บอนไรซ์

พื้นที่สำคัญ ได้แก่ หน่วยควบแน่น หน่วยกำจัดกำมะถัน หน่วยแอมโมเนียมซัลเฟต และหน่วยเบนซีนดิบ แต่ละหน่วยจะปล่อย VOC ที่มีลักษณะต่างกัน

ส่วนควบแน่น

• การปล่อย: แอมโมเนีย ไฮโดรเจนซัลไฟด์ นาฟทาลีน และสาร VOC ผสม

• แหล่งกำเนิด: ถังน้ำมันทาร์ ถังน้ำแอมโมเนีย ท่อน้ำ และซีลน้ำ

• ลักษณะ: ความเข้มข้นสูง ผันผวนมาก ก๊าซมีความชื้นสูง

ส่วนกำจัดกำมะถันและแอมโมเนียมซัลเฟต

• การปล่อย: ก๊าซที่มีกำมะถัน แอมโมเนีย และปริมาณ VOC น้อย

• การปล่อยต่อเนื่องที่มีความเข้มข้นของแอมโมเนียสูง

ส่วนเบนซีนดิบ

• การปล่อยมลพิษ: เบนซีน, โทลูอีน, ไซลีน

• ปริมาตรก๊าซเล็กแต่ความเข้มข้นสูงมาก

พื้นที่บำบัดน้ำเสีย

• การปล่อยมลพิษ: เบนซีน, ฟีนอล, ซัลไฟด์, สารประกอบอินทรีย์ไนโตรเจน

• มาจากการถังเท่าระดับ, ถังอุบัติเหตุ, ถังไร้อากาศ, การบำบัดตะกอน

การรวมกันนี้ทำให้การบำบัดเป็นเรื่องยากเนื่องจากมีองค์ประกอบที่ซับซ้อน

1.2 สาร VOCs ในการผลิตก๊าซจากถ่านหินและก๊าซธรรมชาติ

โรงงานผลิตก๊าซจากถ่านหินสร้างก๊าซท้ายที่มีสาร VOCs ระหว่าง:

• การล้างเมทานอลที่อุณหภูมิต่ำ

• ถังเก็บก๊าซ/ของเหลว (การสูญเสียจากการระเหย)

• การบำบัดน้ำเสีย

• หน่วยเก็บน้ำมัน

A. ก๊าซปล่อยท้ายจากกระบวนการล้างเมทานอลอุณหภูมิต่ำ

กระแสไหลนี้ประกอบด้วย:

• มีเทน

• เอทิลีน เอทาน

• โพรเพน โพรพิลีน

• ไอเมทานอล

ยากต่อการนำกลับมาใช้ใหม่ และโดยทั่วไปจะนำมาบำบัดด้วย RTO (Regenerative Thermal Oxidizer) เพื่อการเผาไหม้ให้หมดอย่างสมบูรณ์

ทำไมต้องใช้ RTO แทน RCO

ตัวเร่งปฏิกิริยา RCO มีความเสี่ยงต่อการเป็นพิษจากกำมะถัน และมีข้อจำกัดในการทำให้กลับมาใช้งานใหม่ ทำให้ RTO มีความทนทานกว่าสำหรับการประยุกต์ใช้งานในอุตสาหกรรมเคมีจากถ่านหิน

B. การสูญเสียจากการระเหยของถังเก็บ

ถังเก็บของเหลว/ก๊าซจะปล่อยไอที่มีสารประกอบกำมะถัน แอมโมเนีย และ VOCs ออกมาในช่วงที่อุณหภูมิและความดันเปลี่ยนแปลง ก๊าซเหล่านี้จำเป็นต้องผ่านกระบวนการออกซิเดชันด้วยความร้อน

C. VOCs จากการบำบัดน้ำเสีย

การปล่อยมลพิษเหล่านี้ส่วนใหญ่เกิดจาก

• การบำบัดขั้นต้น (การแยกน้ำมัน การปรับสมดุล การทำให้เป็นกรด)

• ถังเติมอากาศ

• ห้องลดความชื้นของตะกอน

ความเข้มข้นมีการเปลี่ยนแปลงอย่างมาก และมีความชื้นสูง