第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
从 18 世纪工业革命开始，西方发达国家经历了一段以经济增长为绝对目标的高速发展时期。在工业化进程中，大量的生产与消费引发了一系列问题，其中包括环境污染和资源枯竭。在社会经济发展的强烈冲击下，环境资源已不再取用无尽，供求关系的改变使环境资源展现出稀缺性。这种变化是量变和质变的统一，表现为丰富的环境资源变得供不应求、污染物大量排放导致高质量环境资源日益稀缺。由此可见，经济发展是造成环境资源稀缺的主要因素[1]。罗马俱乐部在《增长的极限》中预测了人口增长条件下资源消耗所带来的灾难性后果，并对各国的经济发展模式提出了警示[2]。当来自于环境的物质资源和能量超越了环境再生能力，废弃物的环境排放超越了环境承载力时，势必造成生态损害。如果环境质量下降情况不能及时得到改善，生态稳定性以及再生能力都将遭受永久性的破坏。最终被破坏的资源环境逆向制约经济发展损害人类福祉[3]。
在改革开放政策的推动下，我国城市化和工业化的进程加快，越来越多的人口向以大城市为中心的城市群中转移，如京津唐、长三角、粤港澳大湾区等。在人口密集的城市群落中，能源、工业和交通活动高度集中，大量污染物的排放最终导致大气环境遭受了较严重污染。全国 338 个大中型城市空气质量监测站的数据显示，2015 年 338 个大中型城市的年均 PM2.5的浓度为 11-125 μg/m3，平均浓度为 50 μg/m3。在重污染天气中，PM2.5 作为主要污染物占总污染物的66.8%。而进入 2016 年，年均 PM2.5 的浓度上升为 12-128 μg/m3，PM2.5 在重污染天气中占总污染物的 80.3%[4,5]。数据表明，我国城市 PM2.5污染形势已经十分严峻[6]。另一方面，我国城市大气中，有机气溶胶(OA)大约占 PM2.5 质量浓度的30%，呈现较严重的有机颗粒物污染特征[7]。以上结果表明，对 OA 污染的控制是大多数城市改善大气污染状况的工作重点。由于城市中细颗粒物 PM2.5主要是由挥发性有机化合物(VOCs)经大气氧化后生成的二次有机气溶胶(SOA)所构成[8,9]。所以，对 VOCs 排放进行控制是降低有机气溶胶及 PM2.5的重要途径。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 VOCs 废气处理技术研究
在 VOCs 废气排放控制方面，有不同种类的技术可以应用[11]。如图 1.1 所示，这些技术可以分为两大类，分别是：(1)过程控制；(2)末端控制。在过程控制中，VOCs废气的排放控制是通过修改生产工艺或者改变原材料来实现的。而对于末端控制而言，VOCs废气的排放控制是通过采用附加的处理设备完成的。工艺和设备的改进通常是减少排放的最佳选择，改进措施包括更换原材料以减少 VOCs 废气在工序中的输入；改变生产条件以减少 VOCs 的挥发；改进设备以减少 VOCs 进入环境的机会。尽管过程控制被认为是最有效且最高效的方法，
但其适用性有限，因为对于企业来说，工艺或者设备的改变通常非常困难。
末端控制技术大致可划分为两种类型：销毁技术和回收技术。在销毁技术的范畴中，又可分为氧化技术和生物过滤技术。氧化技术是通过化学方法将VOCs 分解转化为 CO2 和水，包括焚烧技术、催化燃烧技术、光催化技术以及等离子体技术等。生物过滤技术则是利用微生物在好氧条件下对 VOCs 的消化将VOCs 分解转化为 CO2 和水。在回收技术范畴中可通过吸附、冷凝、吸收等方法对废气中的有机成分进行回收再利用。
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第 2 章 理论基础与模型方法
2.1 理论基础
2.1.1 外部性理论
外部性又称作外部成本、外部效应或溢出效应，其概念起源于 20世纪 30年代的旧福利经济学，分为正外部性和负外部性。对于外部性定义，目前学界尚未达成一致。通常讲经济主体的行为影响了其他经济当事人的福利，而这种影响没有通过货币形式或者市场机制反应即为外部性[143]。
马歇尔于 1910年在《经济学原理》中首次提出“外部经济”，并利用“内部经济”与“外部经济”这对概念来说明第四类生产要素的变化对产量的影响[144]。1920 年庇古在马歇尔理论的基础上提出了“负外部性”概念，并从福利经济学的角度将负外部性阐释为由市场失灵引起的边际私人成本与边际社会净产值的差异。由于个人边际收益与社会边际收益、个人边际成本与社会边际成本之间存在差异，无法通过自由竞争的方式达到社会福利最大化，于是需要通过政府干预的方式消除差异。在《福利经济学》中，“庇古税”被首次提出，是通过征税和补贴的方式将外部相应内部化[145]。1960 年在对庇古理论批判的同时，科斯定理产生。在《社会成本问题》中，科斯认为外部性并非市场运行的必然结果，而是由于没有明晰产权，制定并实施合理的产权制度可以有效解决外部性问题[146]。
经济的高速发展导致资源的过度开发和环境污染的加剧，尤其像水、大气、土壤一类的共享资源，由于不具备排他性，更易被过度开发利用以及被污染。资源利用的负外部性导致环境保护公平性的失衡。通过完善相关的方案对策，可以促进负外部性内部化。工业 VOCs 集中化处理的经济分析研究以外部性为背景，分析工业发展与环境保护不同步的外部性问题，识别主要影响因素，并在此基础上提出负外部性校正的管理方案。
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2.2 模型方法
2.2.1 生命周期评价方法
生命周期评价(LCA)是一种定量工具，用于评价过程或产品在其生命周期中对环境的影响，包括获取原材料、建造、运行、回收和最终处置阶段[159]。LCA 是一种开放性的、充分重视环境影响的评价体系，是对产品或服务“从摇篮到坟墓”全过程的评价[160]。
LCA 始于 20 世纪 60 年代。对原材料和能源的限制的关注引起了人们的兴趣，他们希望找到办法，逐步说明能源的使用情况，并预测未来的资源供应和使用情况。在这类最早的出版物中，哈罗德·史密斯在 1963年的世界能源会议上报告了他对生产化学中间体和产品的累积能源需求的计算。60 年代后期，发表在《增长的极限》和《生存蓝图》上的全球模型研究预测了世界人口变化对有限原材料和能源需求的影响。对矿物燃料迅速耗竭的预测和由于过剩余热而引起的气候变化促使对工业过程中的能源使用和产出进行更详细的计算。1969 年，研究人员为可口可乐公司发起了一项内部研究，为美国目前的生命周期清单分析方法奠定了基础。通过对不同饮料包装瓶的比较，确定哪种饮料瓶对环境的排放量最低，对自然资源的供应影响最小，量化了每个饮料瓶的原材料和燃料使用量，以及生产过程中的环境负荷。对产品的资源使用和环境排放进行量化的过程被称为资源和环境纲要分析(REPA)，又被称为生态补偿。由于20世纪80年代，固体废物成为世界性问题，LCA 再次成为分析环境问题的工具。随着人们对资源和环境多领域兴趣度加深，LCA 的方法再次得到改进。1990 年，在SETAC 组织召开的研讨会上 LCA 的概念被首次提出。1993 年 SETAC 在“生命周期评价纲要——实用指南”中将 LCA 基本架构明确归纳并阐述，这是生命周期方法研究的开端。
LCA 作为一种评价技术由目标和范围定义、生命周期清单分析、生命周期影响评价和结果解释四个相互关联的要素组成[165,166]，四者关系如图 2.1 所示。
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第 3 章 工业 VOCs 废气排放与治理现状 ........................................ 29
3.1 VOCs 来源及危害 .......................................... 29
3.1.1 VOCs 来源及特征 ..................................... 29
3.1.2 VOCs 的危害 ................................... 30
第 4 章 工业 VOCs 废气集成处理工艺设计 .................................. 39
4.1 工业 VOCs 废气集成处理工艺方案 ................................. 39
4.1.1 污染源 VOCs 构成及风量设定 .................................... 39
4.1.2 设计原则和依据 ....................................... 40
第 5 章 工业 VOCs 废气集成处理系统建模与模拟 ............................... 59
5.1 工业 VOCs 废气集成处理技术识别 .................................. 59
5.2 工业 VOCs 废气集成处理系统建模 .................................... 60
第 7 章 工业 VOCs 废气集中处理经济可行性分析
7.1 工业 VOCs 废气集中化处理模式分析
关于 VOCs 集中化处理方案设计，刘忠生等[213]曾对炼油厂尾气综合治理“第三管网”方案进行了研究。“第三管网”由管道、阀件以及气体净化设备等部分组成，其理念是将组分相近的炼油厂废气集中处理以降低处理装置的投资和运行成本。其空间设计布局为，将装车、装船、加油站、油罐区等排放废气都集中于油罐区附近集中处理。最终结果显示，虽然有些技术还需改进，但在总体上 VOCs 集中化处理具备技术可行性。在经济可行性上，炼油厂废气集中化处理会降低废气处理装置的资本成本和运行成本。但是由于输送废气的风机消耗较多的电能，增加了电力成本。因此，VOCs废气是否具有集中化处理的优势，还需要通过具体案例进一步地探讨。基于以上分析，本章在空间布局上设计了两种 VOCs 集中模式，分别为直接集中法和“一拖多”集中法。
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第 8 章 结论与展望
8.1 本文主要结论
本论文基于不同 VOCs 废气集成处理技术和集中处理模式进行建模和模拟，从技术、环境和经济多重视角对 VOCs 集中处理模式进行全面研究，为工业VOCs 集中控制减排提供科学依据。主要结论如下：
1、对两种常用的 VOCs 废气末端集成处理技术：吸附-催化燃烧和吸附-冷凝回收集成技术进行了实验室模拟，并选择活性炭和分子筛两种吸附剂进行对比分析。将模拟实验分为以下单元：VOCs生成单元、吸附浓缩单元、催化燃烧单元、冷凝回收单元。其中吸附浓缩单元包括 VOCs 吸附-脱附过程和两种吸附剂(活性炭、分子筛)生产过程；催化燃烧单元包括 VOCs 分解过程及催化剂生产过程。将系统模拟边界扩大至上游材料生产阶段有助于消除系统截断误差对生命周期环境影响评价的负面影响。对四种具有不同材料和技术组合的处理系统的技术性能进行了详细分析，总结了四种处理系统的物质流及能量流具体数据，为生命周期清单编制提供数据支持。
2、对两种 VOCs 废气末端集成处理技术进行了环境影响和能源消耗方面的LCA 研究，并将几种辅助材料的生产过程纳入到研究的系统边界内，将 LCA 的研究对象扩大到了上游产业，真正实现了从“摇篮”到“坟墓”的全生命周期分析。在实验室内对两种集成处理技术进行模拟废气处理实验，利用实验模拟数据以及 Eco-invent 数据库，采用 LCA 软件 simapro8 对设定的四种情景进行数据分析，并使用 ReCiPe Midpoint (H) V1.09/ World Recipe H 方法对研究结果进行了环境影响的评价。通过分类过程，即将清单中的输入和输出数据划归到不同的环境影响类别中，最终确定三大类、8 种环境影响类别：能源相关影响(气候变化、化石能源消耗)、健康相关影响(人类毒性、颗粒物形成、陆地生态毒性、淡水生态毒性)和其他影响(酸化、淡水富营养化)。
参考文献（略）