汽車涂裝車間噴漆室廢氣治理方案簡(jiǎn)析

羅浩

（東風(fēng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢430056）

1 前言

隨著國(guó)家對(duì)大氣污染治理力度的加強(qiáng)，工業(yè)排放的標(biāo)準(zhǔn)也日趨嚴(yán)格。作為工業(yè)排放的主要來源，汽車涂裝車間也成為了廢氣處理的重點(diǎn)對(duì)象。而在汽車涂裝車間里，噴漆室的揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）排放量最大，一般專門設(shè)置廢氣處理裝置。針對(duì)汽車涂裝車間的VOCs，目前以活性炭吸附法和沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮+RTO 燃燒法運(yùn)用最為成熟和廣泛[1]，將對(duì)汽車涂裝車間噴漆室的這2 種廢氣處理方案進(jìn)行介紹和分析。

2 活性炭吸附

活性炭作為1 種良好的吸附材料，很早便應(yīng)用于涂裝設(shè)備的廢氣治理，主要針對(duì)中小風(fēng)量和中低濃度的廢氣處理?；钚蕴课皆O(shè)備組成較為簡(jiǎn)單，一次投入成本低廉且維護(hù)方便，是1 種性價(jià)比較高的廢氣處理方法。早期的活性炭吸附箱在吸附飽和后就需要更換活性炭，從而導(dǎo)致運(yùn)行成本較高。而今隨著活性炭再生法的運(yùn)用，活性炭已經(jīng)不再是一次性使用的材料，在活性炭吸附裝置上增加1 套催化燃燒裝置，即可對(duì)吸附飽和的活性炭進(jìn)行脫附，從而實(shí)現(xiàn)活性炭材料的重復(fù)利用。

2.1 活性炭吸附裝置的組成

活性炭吸附裝置，由前置過濾箱、活性炭吸附箱、吸附風(fēng)機(jī)、催化燃燒裝置、脫附風(fēng)機(jī)等幾部分構(gòu)成，如圖1 所示。

圖1 活性炭吸附裝置組成

廢氣首先進(jìn)入前置過濾箱，過濾箱設(shè)置有1 道DPA（干式）漆霧過濾器，1 道過濾精度等級(jí)為F6 的袋式過濾器，不同區(qū)段設(shè)置有壓差計(jì)用以監(jiān)測(cè)壓差，到達(dá)一定數(shù)值后需要更換相應(yīng)的過濾器材。廢氣經(jīng)過過濾箱以后進(jìn)入活性炭吸附箱，一般活性炭箱體可以設(shè)計(jì)為“上進(jìn)下出”或者“側(cè)進(jìn)側(cè)出”的形式，而且針對(duì)不同的處理廢氣量，可以選擇多個(gè)吸附箱體拼接使用。吸附箱體內(nèi)裝填有100 mm×100 mm×100 mm 的活性炭，根據(jù)用量大小可以裝填多層。吸附箱進(jìn)風(fēng)口設(shè)置有均流板，為了保證吸附效率，廢氣通過活性炭層的過流風(fēng)速應(yīng)不大于1.2 m/s。箱體內(nèi)部，活性炭層上方設(shè)置有消防噴淋裝置。廢氣出活性炭吸附箱后經(jīng)排氣風(fēng)機(jī)，送至排放煙囪。

脫附使用的催化燃燒裝置，為單獨(dú)的循環(huán)管路，通過活性炭箱體時(shí)一般與吸附廢氣時(shí)的進(jìn)氣方向相反。進(jìn)催化燃燒裝置前設(shè)有高溫過濾塊，催化燃燒裝置本體采用電加熱方式，脫附廢氣經(jīng)催化燃燒后再由脫附風(fēng)機(jī)送入活性炭箱體，循環(huán)脫附。由于活性炭的特性，再生溫度需控制在120 ℃左右[2]，溫度太低無法進(jìn)行有效脫附，溫度太高，則會(huì)造成活性炭氧化，失去活性，甚至引發(fā)火災(zāi)危險(xiǎn)。而脫附過程最初的廢氣濃度很高，在進(jìn)行催化燃燒時(shí)本身即會(huì)產(chǎn)生較大熱量，溫度上升很快。因此，在催化燃燒裝置出口設(shè)置有新風(fēng)閥，當(dāng)監(jiān)測(cè)到吸附箱體內(nèi)溫度過高時(shí)會(huì)補(bǔ)充部分新風(fēng)，用以控制脫附溫度。

整套活性炭吸附設(shè)備脫附時(shí)間較長(zhǎng)。因此，需要根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃，合理安排脫附時(shí)間，避免對(duì)正常生產(chǎn)造成影響。

2.2 活性炭吸附設(shè)備能力計(jì)算

下面就以某客車大型車涂裝車間彩條噴漆室為例，介紹其活性炭吸附設(shè)備的能力計(jì)算。

該噴漆室的工作狀態(tài)如表1 所示，活性炭參數(shù)如表2 所示。

表1 噴漆室工作狀態(tài)

表2 活性炭相關(guān)參數(shù)

計(jì)算得出數(shù)據(jù)，如表3 所示。

表3 活性炭裝填量計(jì)算

通過以上計(jì)算我們可以得知，如果要保證連續(xù)1 周的生產(chǎn)，那么其活性炭的裝填量至少要有5.5 m3，事實(shí)上，為了盡可能的減少脫附次數(shù)，我們的實(shí)際裝填量要大于該值。

該活性炭吸附箱的實(shí)際裝機(jī)層數(shù)為5 層，那么實(shí)際活性炭裝填量計(jì)算公式如下。

式中，V為內(nèi)腔尺寸；F為層數(shù)；S為裝機(jī)方數(shù)。

計(jì)算可得，實(shí)際活性炭裝機(jī)方數(shù)為12 m3。

因此此套活性炭吸附裝置的脫附周期計(jì)算公式如下。

式中，S 為裝機(jī)方數(shù)；F 為活性炭裝機(jī)總量；T 為脫附周期。

計(jì)算可得，實(shí)際脫附周期為2.2 周。

通過以上相關(guān)數(shù)據(jù)我們可以看出，活性炭箱體的活性炭裝填量就直接決定了這1 套吸附裝置的吸附能力，即脫附周期的長(zhǎng)短。而活性炭的裝填量，又由裝填面積和裝填層數(shù)決定。

活性炭裝填量不可能無限制加大，首先為了保證吸附效率，活性炭箱體的截面過流風(fēng)速不能超過1.2 m/s，同時(shí)又要考慮活性炭吸附設(shè)備擺放場(chǎng)地的局限性?；钚蕴垦b填層數(shù)太少則裝填量就少，顯然不符合要求，裝填層數(shù)太多，又會(huì)使活性炭箱體的阻力增大，不利于設(shè)備運(yùn)行，而且底層活性炭的吸附效率也會(huì)降低。因此活性炭裝填層數(shù)一般取3～6 層為宜。脫附計(jì)算如表4 所示。

表4 設(shè)備設(shè)計(jì)脫附參數(shù)

脫附時(shí)長(zhǎng)5.5 h 為吸附飽和情況下的理論時(shí)間，在實(shí)際使用過程中，一般在周末停產(chǎn)時(shí)即安排脫附工作，避免對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃造成影響。

3 沸石轉(zhuǎn)輪+RTO

沸石是1種架狀含水的堿或堿土金屬鋁硅酸鹽礦類物質(zhì)。它具備較強(qiáng)的吸附性、離子交換性、催化和耐酸耐熱等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)及工業(yè)等領(lǐng)域，尤其是對(duì)于VOCs吸附效果十分顯著[3]。

沸石轉(zhuǎn)輪是通過沸石的吸附能力，將大風(fēng)量、中低濃度的廢氣濃縮成高濃度、小風(fēng)量的廢氣再進(jìn)行處理，從而提高VOCs 廢氣的處理效率，節(jié)約運(yùn)行成本。

沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮，再由RTO 進(jìn)行焚燒，脫附吸附同步進(jìn)行，無需單獨(dú)進(jìn)行脫附作業(yè)，是一種連續(xù)、高效的VOCs 廢氣處理方案[4]。

3.1 “沸石轉(zhuǎn)輪+RTO”系統(tǒng)組成

整套系統(tǒng)由前置過濾裝置、吸附風(fēng)機(jī)、轉(zhuǎn)輪、再生加熱裝置、脫附風(fēng)機(jī)和RTO 等組成，如圖2所示。

圖2 “沸石轉(zhuǎn)輪+RTO”系統(tǒng)組成

廢氣首先進(jìn)入前置過濾箱，過濾箱設(shè)置有1 道DPA 漆霧過濾器、1 道絲網(wǎng)除濕過濾器，絲網(wǎng)過濾器用以除掉廢氣中的水分，沸石轉(zhuǎn)輪如果長(zhǎng)期處在高濕度的廢氣環(huán)境下吸附效率會(huì)降低，壽命也會(huì)受到影響。后面再設(shè)置3 道過濾精度分別為G4、F6 和F8 的過濾器。過濾箱上設(shè)有一個(gè)由電動(dòng)閥控制開閉的新風(fēng)閥，在車間短時(shí)停產(chǎn)處于節(jié)能模式時(shí)補(bǔ)充新風(fēng)以維持風(fēng)機(jī)的最低運(yùn)行頻率。廢氣經(jīng)前置過濾箱后通過轉(zhuǎn)輪，處理后的廢氣進(jìn)入排放煙囪。濃縮后的廢氣進(jìn)入RTO 進(jìn)行焚燒。整體布置如圖3 所示。

圖3 “沸石轉(zhuǎn)輪+RTO”系統(tǒng)布置

3.1.1 沸石轉(zhuǎn)輪工作原理

沸石轉(zhuǎn)輪由多塊扇形蜂巢狀沸石材料拼成。分為吸附區(qū)、再生區(qū)和冷卻區(qū)。不同濃縮比的轉(zhuǎn)輪，各個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的面積也不相同，但是冷卻區(qū)和再生區(qū)面積等同。轉(zhuǎn)輪分區(qū)如圖4 所示。

廢氣通過沸石轉(zhuǎn)輪時(shí)，經(jīng)過吸附區(qū)的廢氣即可直接排放，少部分廢氣經(jīng)過冷卻區(qū)，然后進(jìn)入1個(gè)補(bǔ)償加熱器，加熱到180～200 ℃，再反向進(jìn)入再生區(qū)進(jìn)行脫附，脫附后的高濃度廢氣再送至RTO進(jìn)行焚燒。經(jīng)過脫附的轉(zhuǎn)輪扇區(qū)溫度較高，無法直接進(jìn)行吸附，因此設(shè)置1 個(gè)冷卻區(qū)。而經(jīng)過冷卻區(qū)的廢氣，溫度也會(huì)相應(yīng)升高，一定程度上可以補(bǔ)償加熱器的能源消耗[5]。

圖4 轉(zhuǎn)輪分區(qū)

轉(zhuǎn)輪的吸附、脫附工作是伴隨著轉(zhuǎn)輪時(shí)刻不停地轉(zhuǎn)動(dòng)而進(jìn)行的。因此轉(zhuǎn)輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，保持密封尤為關(guān)鍵。在某VOCs 治理項(xiàng)目中，使用的轉(zhuǎn)輪直徑達(dá)到了4.8 m，寬度400 mm。通過對(duì)該沸石轉(zhuǎn)輪的實(shí)際工作狀況的觀察，發(fā)現(xiàn)如果吸附區(qū)密封不嚴(yán)，則會(huì)導(dǎo)致吸附效率降低，排放不能達(dá)標(biāo)；如果再生區(qū)和冷卻區(qū)密封不嚴(yán)，則導(dǎo)致脫附風(fēng)量增大，影響脫附效果，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)償加熱器內(nèi)形成正壓，無法正常工作。系統(tǒng)整體構(gòu)成如圖5所示。

圖5 沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)拆解

為了使轉(zhuǎn)輪有良好的密封性，在轉(zhuǎn)輪的迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)都有1 圈環(huán)形密封膠條，其中再生區(qū)和冷卻區(qū)為耐高溫密封膠條。在密封膠條和沸石接觸部分涂有潤(rùn)滑介質(zhì)，以延長(zhǎng)密封膠條使用壽命。

轉(zhuǎn)輪可以設(shè)計(jì)為正壓狀態(tài)，也可以設(shè)計(jì)為負(fù)壓狀態(tài)，即吸附風(fēng)機(jī)可以放置在轉(zhuǎn)輪之前，也可以放在轉(zhuǎn)輪之后。如果放置在轉(zhuǎn)輪之前，則轉(zhuǎn)輪內(nèi)形成正壓，風(fēng)對(duì)沸石轉(zhuǎn)輪造成正壓力，對(duì)其密封效果影響較大；反之，吸附風(fēng)機(jī)放置在轉(zhuǎn)輪之后，則轉(zhuǎn)輪內(nèi)形成負(fù)壓，風(fēng)對(duì)沸石轉(zhuǎn)輪造成負(fù)向的壓力，則對(duì)其密封效果影響較小。因此，在沒有場(chǎng)地限制的情況下，轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)為負(fù)壓使用效果最為理想。

3.1.2 沸石轉(zhuǎn)輪參數(shù)選擇

沸石轉(zhuǎn)輪是通過吸附、脫附來獲得低風(fēng)量高濃度的廢氣，因此濃縮比是轉(zhuǎn)輪性能的一個(gè)重要指標(biāo)。

轉(zhuǎn)輪進(jìn)氣風(fēng)量與脫附風(fēng)量的比值即為濃縮比。低濃縮比雖然可以保證高吸附效率，但是增加脫附風(fēng)量的同時(shí)也增加了脫附能耗，而且大風(fēng)量低濃度的廢氣不利于后續(xù)的焚燒處理。因此，在確保達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的吸附率前提下，合理選擇濃縮比至關(guān)重要。實(shí)際應(yīng)用中，濃縮比應(yīng)兼顧效率與能耗，對(duì)于高濃度廢氣，可選擇低濃縮比以確保吸附率；而低于低濃度廢氣，適當(dāng)選擇高濃縮比有利于系統(tǒng)整體的能效比提高。不過最高濃度應(yīng)不高于爆炸極限下限的25%[6]。

沸石轉(zhuǎn)輪的吸附與脫附在轉(zhuǎn)輪運(yùn)行周期中是同步進(jìn)行的，兩者共同決定了轉(zhuǎn)輪的工作效率。轉(zhuǎn)速的大小意味著吸附和脫附時(shí)間長(zhǎng)短。當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，運(yùn)行周期變長(zhǎng)，再生區(qū)脫附充分，但是相對(duì)吸附能力也變小。轉(zhuǎn)速較高時(shí)，運(yùn)行周期變短，吸附能力變大，但是再生區(qū)脫附時(shí)間減少，脫附的去除率下降。因此，最佳轉(zhuǎn)速是對(duì)吸附和脫附時(shí)間的綜合考量，同時(shí)還要結(jié)合處理廢氣的濃度、風(fēng)量等因素，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪的效率最大化。

3.2 “沸石轉(zhuǎn)輪+RTO”系統(tǒng)方案選擇

結(jié)合“沸石轉(zhuǎn)輪+RTO”系統(tǒng)的特點(diǎn)，以某大型客車清漆及面漆噴漆室廢氣處理的實(shí)際案例來分析其方案的選擇。該車間清漆及面漆噴漆室廢氣匯總后，風(fēng)量達(dá)到了159 333 m3/h，VOCs 濃度達(dá)到133 mg/m3。要求凈化效率≥90%，選擇了直徑為4 800 mm 的轉(zhuǎn)輪，濃縮比為18∶1。

式中，Q為進(jìn)氣風(fēng)量；N為濃縮比；R為濃縮廢氣風(fēng)量。

計(jì)算可得，濃縮后的廢氣風(fēng)量為8 852 m3/h。

式中Q 為進(jìn)氣風(fēng)量；K 為進(jìn)氣濃度；C 為凈化后風(fēng)量；η 為凈化效率；R為濃縮后風(fēng)量；P為濃縮廢氣濃度。

計(jì)算可得，濃縮后的廢氣濃度為2 168 mg/m3。

經(jīng)過轉(zhuǎn)輪后，得到了小風(fēng)量、高濃度的廢氣，需要送往RTO 進(jìn)行處理。該RTO 同時(shí)還須處理來自烘干爐的有機(jī)廢氣，風(fēng)量為12 000 m3/h，濃度達(dá)到800 mg/m3。因此混合后的廢氣風(fēng)量為20 852 m3/h，濃度達(dá)到1 381 mg/m3。選擇對(duì)應(yīng)處理能力的RTO 即可。

由此可見，沸石轉(zhuǎn)輪與RTO 的搭配組合，不僅可以處理噴漆室的大風(fēng)量高濃度廢氣，還可以同時(shí)處理來自烘干爐的小風(fēng)量高濃度廢氣。非常適用于汽車涂裝車間這種擁有非單一來源廢氣的場(chǎng)合。

4 2種VOCs廢氣處理方案的特點(diǎn)比較

通過以上分析，我們可以看出，目前應(yīng)用于汽車涂裝車間噴漆室廢氣處理的2 種方案有著很鮮明的特點(diǎn)，如表5 所示。

表5 廢氣處理方案特點(diǎn)對(duì)比

根據(jù)不同汽車廠涂裝車間噴漆室的需求，在實(shí)際應(yīng)用中，往往會(huì)根據(jù)環(huán)保要求，結(jié)合成本投入、處理效率還有場(chǎng)地規(guī)劃等綜合因素來制定VOCs廢氣處理方案，才能實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的最終目標(biāo)。