汽車維修4S店有機廢氣凈化裝置應用研究

周榮建 楊 陽

（重慶永同環(huán)保工程有限公司重慶404100）

汽車維修4S店有機廢氣凈化裝置應用研究

周榮建 楊 陽

（重慶永同環(huán)保工程有限公司重慶404100）

介紹了汽車維修4S店有機廢氣的點源、組分、濃度等特征，分析了主流有機廢氣凈化技術在4S店有機廢氣治理中的適用性，結合4S店有機廢氣特征，闡述了采用高分子納米材料的多級光氧催化組合裝置的結構和應用特征。

汽車維修4S店；有機廢氣；凈化裝置

1 前言

汽車維修4S店表面涂裝工藝產(chǎn)生的大氣污染排放物，除含有一定濃度的漆霧外，其主要有害成分包括：芳香烴、醚酯類有機溶劑、部分增塑劑和樹脂單體揮發(fā)性成分，以及熱分解生成物和反應物。該類有機廢氣如不經(jīng)治理直接排放，會嚴重影響大氣質(zhì)量，并對動植物和人類的健康造成威脅[1]。當前，有機廢氣治理是大氣污染防治工作中的重點，我國各級政府相繼出臺汽車維修4S店有機廢氣治理要求。但目前針對4S店有機廢氣的研究相對較少，本文將基于實地調(diào)查數(shù)據(jù)，詳細介紹4S店涂裝工藝、組分、濃度特征。1.1汽車維修4S店表面涂裝工藝特征

4S店涂裝過程有其自身獨特的工藝：鈑金整形后→刮原子灰及打磨→噴漆→流平晾置→烤漆，如圖1所示。

圖1 汽車維修4S店表面涂裝工藝流程

涂裝車間實際布局與配置：調(diào)漆房、刮原子灰及噴漆烤漆房如圖2所示。

圖2 汽車4S店維修現(xiàn)場圖

1.2 汽車維修4S店VOCS組分與濃度特征

大多數(shù)情況下，調(diào)漆室、刮灰打磨區(qū)域廢氣為無組織排放。該區(qū)域產(chǎn)生的揮發(fā)性有機廢氣及顆粒物通過自由逸散的方式彌漫于室內(nèi)，該部分廢氣呈現(xiàn)出廢氣量小，濃度低的特征。噴漆、晾置和烤漆工藝在噴漆烤漆房內(nèi)完成，該部分廢氣通過管道收集后排放。根據(jù)涂裝工藝清潔生產(chǎn)標準，每100m2涂裝面積將產(chǎn)生5kg左右的VOCS。以做整車漆為例（噴涂面積約為20m2），噴漆、晾置和烤漆過程中將揮發(fā)1kg左右的VOCs。其中，噴漆和晾置約占80%左右，烤漆過程占約20%左右。

噴漆過程由于保持持續(xù)換風，所以噴漆廢氣濃度較低，通常在100mg/m3以下，流平晾置過程同樣保持連續(xù)換風，換風速率控制在0.2m/s左右，廢氣成分與噴漆廢氣成分相近，但不含漆霧，一般情況下，廢氣濃度為噴漆廢氣的2倍左右。

溶劑型面漆烘干廢氣的主要組成為面漆溶劑，成分與噴漆廢氣相近，另含有少量增塑劑、樹脂單體或固化反應產(chǎn)生的有機小分子等揮發(fā)成分。為充分利用能源及節(jié)約成本，烘干過程中，烘干室通常擺滿待烘干汽車及其配件，總體待烘干面積在10m2~20m2，同時，烘干過程為周期性通風，因此烘干室內(nèi)廢氣不僅揮發(fā)性快，而且濃度累積，導致VOCs濃度較高，通常在2000mg/m3左右。

目前，汽車維修4S店表面涂裝所使用的涂料分為溶劑型和水溶性兩種。需要特別指出的是：以前認為，水性涂料在烘干過程中VOCs濃度很低，可以不經(jīng)處理排放，事實證明是一種誤解。水性涂料在其烤漆廢氣中仍含有較多的有機成分，同時，烤漆過程中產(chǎn)生的小分子物質(zhì)，如甲乙酮肟和多種醇醚類混合物，其惡臭物質(zhì)，如甲乙酮肟，濃度更大，為消除惡臭擾民影響，水溶性涂料烤漆廢氣甚至更應處理。

2 VOCs主流凈化技術在4S店廢氣治理中的適用性分析

2.1 活性炭吸附脫附技術

活性炭具有較高的比表面、豐富的微孔結構，是公認的高效吸附劑[2]。它能吸附絕大部分有機氣體，如苯類，醛酮類、醇類、烴類等以及惡臭物質(zhì)。適合活性炭吸附凈化的揮發(fā)性有機物，其分子量主要介于50g/mol～200g/mol，對應沸點約介于20℃～140℃[3]。因此，活性炭廣泛應用于有機廢氣的吸附脫附工程。

以公告號CN204485504U的中國實用新型專利為例[4]，該發(fā)明專利公開了一種“噴涂廢氣治理裝置”。該裝置采用無紡布過濾、濾芯過濾、活性炭過濾的組合方式。該種方法處理汽車維修4S店中的漆霧具有較好的效果，但過濾材料的更換頻率高。同時，活性炭吸附飽和后需要作危險廢棄物處置，為此，將產(chǎn)生較高的運行成本。其次，由于汽車維修4S店中噴漆廢氣濃度和溫度與烤漆廢氣溫度和濃度差異很大，該方法將無法適應溫度和濃度差，最終導致有機物凈化效率低和惡臭氣味凈化效果差。

大量的工程實例表明，以下情形不宜用活性炭吸附處理：（1）廢氣中存在能夠發(fā)生蓄熱反應的化合物：如醋酸、甲醛、環(huán)己酮、丁酮；（2）廢氣中存在能夠與再生蒸汽反應的化合物如：乙酸甲酯、氯化乙烷；（3）能夠在活性炭上進行聚合反應的化合物如：苯乙烯；（4）實際再生步驟中難以去除的化合物如：可塑劑、樹脂等高沸點或高分子量的化合物；（5）廢氣濕度過大：當有機廢氣濕度較高時，活性炭對有機物的凈化能力迅速下降。

此外，除以上活性炭吸附缺陷外，活性炭脫附過程也存在明顯的缺陷：（1）活性炭吸附床著火點低，安全系數(shù)低。由于吸附本身是放熱反應，會導致吸附床內(nèi)溫度升高，提高運行風險。而在活性炭脫附運行工程案例中也進一步證實活性炭脫附床安全性較差：當采用熱氣流脫附再生，脫附溫度達到100℃以上時，脫附床容易著火；而當有機溶劑中含有酮類、脂肪酸等有機物時，由于常溫狀態(tài)下，該類有機物吸附在活性碳上會發(fā)生局部氧化放熱反應，進而造成活性碳局部過熱，一旦過熱溫度達到活性碳燃燒溫度時會引起活性碳燃燒，具有極大的安全隱患。（2）活性炭吸附脫附床不適用于高沸點有機物的脫附工作[5]。采用熱氣流吹掃再生活性炭，為保障安全，脫附溫度不能超過120℃。但汽車維修4S店中使用的涂料及稀釋劑中含有大量高沸點溶劑（如：丙二醇、甲醚、醋酸酯等）。該類有機物在過低的脫附溫度下，不能被解析出來。

2.2 高溫氧化（焚燒）技術

高溫燃燒技術以RTO（熱力燃燒）、RCO（催化燃燒）為代表，適用于大風量、中高溫、中高濃度的有機廢氣治理。有機廢氣燃燒反應具有三個重要參數(shù)：時間（time）、溫度（temperature）、擾動（turbulence）。亦即：在滿足3T條件的前提下，RTO和RCO工藝處理有機廢氣具有較高的凈化效率，但滿足3T條件，對設備和控制條件有著高規(guī)格要求，導致投資成本和運行費用不菲。

2.3 低溫氧化技術

燃燒3T條件。RTO工藝將燃燒溫度控制在820℃～900℃之間，有機廢氣停留時間控制為1.0s～1.2s時，有機廢氣處理效率可達95%以上。RCO工藝將燃燒溫度控制在240℃～350℃，有機廢氣停留時間在0.1s～0.2s時，在保證必要的進氣擾動空氣與有機物充分混合條件下，處理效率可達95%。，低溫等離子技術、光解催化氧化作為一種低溫氧化技術，可在常溫常壓下利用催化劑的光特性，使有機廢氣迅速光解，逐步氧化成一些低分子中級產(chǎn)物，最終氧化成無毒無害的CO2、H2O等小分子物質(zhì)。

低溫氧化技術根據(jù)污染物組分和濃度的不同，其凈化過程停留時間有所差異。例如，在在中低濃度條件下，苯乙烯、苯和乙酸乙酯的停留時間分別為3.6s、4.8s和6s。該技術能耗低、易操作，無二次污染，且對凈化惡臭氣體有獨特效果。同時，使用后的催化劑可用物理或化學方法再生循環(huán)使用。

針對中小風量、中低濃度的有機廢氣，市場上出現(xiàn)一類采用噴淋或活性炭吸附加等離子體催化的組合方式，但都存在一定缺陷。例如，中國發(fā)明專利（公告號CN103785254A）中公開的“一種汽車涂裝廢氣的處理方法”，該發(fā)明提供了一種采用噴淋與光電協(xié)同低溫等離子體催化技術處理汽車噴涂廢氣的方法[6]。

2.4 低溫氧化技術缺點

2.4.1 汽車維修噴漆過程會產(chǎn)生大量漆渣，在采用低溫等離子處理技術時，一旦漆渣處理效率低于95%，不但會降低凈化效率，而且會提高爆炸風險。而采用噴淋預處理方式形成的漆渣廢水會造成二次污染，采用活性炭吸附的前端處理方式則容易飽和，需要經(jīng)常更換活性炭，同時但氣體中存在苯乙烯時，采用活性炭吸附會發(fā)生聚合反應，會加快活性炭飽和速度。

2.4.2 低溫等離子體采用的是高壓放電技術，在設計過程中應當充分考慮到爆炸問題，尤其是在噴涂過程中產(chǎn)生丙酮、環(huán)己酮、乙酸乙酯等易揮發(fā)低燃點物質(zhì)。

2.4.3 低溫等離子體氧化反應速度慢，而廢氣在設備中通過速率過快，停留時間過短，進而不能保證維持凈化效果所需要的必要時間，導致排放無法達標。

光解催化氧化技術是另外一種具有較高市場占有率的中小風量有機物治理技術。該技術對光源和催化劑等具有較高的要求[7]。光源和催化劑影響臭氧的生成，而臭氧的濃度直接影響有機物的去除效率，臭氧濃度越高，有機物降解越徹底。當前，常規(guī)光解催化設備存在的普遍問題是：催化反應速度慢、效率低，與廢氣排放速度快兩者“共反應時間”不足，導致實際去除效率約在60%左右。

3 基于4S店有機廢氣特征的多級光氧組合裝置

4S店排放的有機廢氣組分復雜、排放不規(guī)律、廢氣風量和溫度存在波動性。因此，在設計治理汽車維修行業(yè)有機廢氣的工藝時，除考慮投資、運行成本外，還需要全面考慮其表現(xiàn)出的漆霧、溫度、濃度、組分等特征。

光氧組合技術，諸如光催化與低溫等離子或活性炭吸附技術相結合的工藝在市場上有一定的應用，但低溫等離子的安全性對設備安全、操作要求較高，而活性炭在吸附4S店廢氣的過程中存在一定的吸附盲區(qū)，同時活性炭更換、委托處理過程相對麻煩。綜合考慮安全性與操作方便的特性，開發(fā)新的吸附材料尤為重要。以高分子納米材料作為吸附材料能夠兼顧上述兩種特性，很好的適應4S店有機廢氣治理。

該多級光氧組合裝置采用紫外光催化氧化+高分子納米氧化吸附凈化工藝，該部分分為三個功能區(qū)：（1）均流預處理區(qū)，高流速廢氣經(jīng)過均流板后，可均勻分布在凈化設備內(nèi)；（2）光催化氧化還原反應區(qū)，高能UV紫外線光束分解空氣中的氧分子產(chǎn)生游離氧，有機物具有極強的氧化作用，達到凈化有機物的目的；（3）納米高分子深度吸附凈化區(qū)，當有機化合物濃度處在峰值階段可捕捉吸附光催化未分解及難以分解的部分氣體，進行徹底的二次凈化過程。該裝置采用的光解催化氧化與高分子納米吸附氧化“耦合”設計工藝，達到催化氧化與吸附凈化“協(xié)同”凈化效果，通過延長VOCS催化氧化時間有效解決了光解催化氧化反應速度慢、凈化效率低的問題。

以應用于重慶沙坪壩某4S店有機廢氣治理中的多級光氧組合裝置為例，該設備對苯、甲苯等去除效率在90%以上。值得一提的是，該裝置針對汽車維修4S店噴漆烤漆房排放特征，尤其是烤漆廢氣的高濃度特點，采取了傳感裝置控制廢氣流量、溫度、濃度，使其滿足設備的進氣條件，降低設備運行負荷。此外，前端漆霧處理裝置采用自主生產(chǎn)的漆霧凈化設備，漆霧粒子在攔截、碰撞、吸收等作用下容納在材料中，并逐步風化成粉末狀。除渣率、除霧率大于90%。

4 結語

活性炭吸附脫附、RTO、RCO、低溫等離子等技術在治理汽車維修4S店有機廢氣時存在自身的局限性，通過將不同的處理技術結合，組合成新工藝能夠有效的彌補獨立處理過程中的缺陷。采用新型吸附材料的光氧組合技術作為一種實用型工藝，無二次污染，能耗低，具有廣闊的市場前景。

[1]譚結芝.汽修廠噴漆廢氣處理方法與研究[J].資源節(jié)約與環(huán)保, 2015,8:150.

[2]陳世杰.4S店VOCs廢氣治理方式探討[J].資源節(jié)約與環(huán)保, 2015,5:128.

[3]王艷芳,沙昊雷,於建明.低濃度VOCs廢氣處理技術進展[J].能源環(huán)境保護,2007,21（3）：9-12.

[4]張衛(wèi)東.噴涂廢氣治理裝置[P].中國專利：CN204485504U，2015-03-10.

[5]陳良杰,王京剛.揮發(fā)性有機物的物化性質(zhì)與活性炭飽和吸附量的相關性研究[J].化工環(huán)保,2007,27（5）：409-412.

[6]徐炎華.一種汽車涂裝廢氣的處理方法[P].中國專利：CN103785254A，2014-02-19.

[7]邵振華,等.等離子體聯(lián)合光催化治理噴漆廢氣[J].浙江大學學報:工學版,2014,48（6）：1127-1131.