船廠典型生產(chǎn)場景VOCs治理工藝方案的研究分析

劉志堅　王俊虎　談寶林

摘 要：隨著國家對環(huán)境保護(hù)力度的提升，船舶制造業(yè)VOCs廢氣處理逐步成為船企關(guān)注的熱點。為切實做好船舶企業(yè)VOCs末端治理改造工作，我們通過實施的項目對船廠典型生產(chǎn)場景下VOCs處理工藝方案從工藝原理、結(jié)合實際應(yīng)用案例進(jìn)行了分析研究。綜合考慮環(huán)保達(dá)標(biāo)、安全、節(jié)能、操作便利等因素，分析了船廠典型生產(chǎn)場景下各種治理工藝的優(yōu)勢和不足。

關(guān)鍵詞：鋼材預(yù)處理流水線;分段涂裝;催化燃燒;蓄熱式燃燒;劇烈波動

中圖分類號：U446.3? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2022）01-0103-04

1 船廠產(chǎn)生VOCs的典型生產(chǎn)場景

船舶典型生產(chǎn)流程及有機(jī)廢氣來源。由船舶生產(chǎn)流程分析可知，船舶制造過程中主要的有機(jī)廢氣產(chǎn)生場景有鋼材預(yù)處理、分段涂裝、船塢內(nèi)合攏及完工涂裝三個階段。由于船塢內(nèi)合攏及完工涂裝為室外作業(yè)，屬于無組織排放本文不做研究。下面就鋼材預(yù)處理、分段涂裝兩個有組織排放的典型生產(chǎn)場景進(jìn)行研究分析。

2 船廠產(chǎn)生VOCs的兩個典型場景分析及排放要求

（1）鋼材預(yù)處理流水線：在船舶制造過程中鋼材預(yù)處理是對船用鋼材表面銹斑進(jìn)行清理、并預(yù)涂底漆的工作，該工藝采用全自動流水線。拋丸清理過程產(chǎn)生漆霧粉塵;噴漆、烘干過程中產(chǎn)生有機(jī)廢氣VOCs;鋼材預(yù)處理流水線有機(jī)廢氣采用集中捕集，捕集風(fēng)速約1.5-2.5m/s，排風(fēng)量約20000m3/h-30000m3/h，船廠主要使用無機(jī)硅酸鋅底漆，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，鋼材預(yù)處理流水線非甲烷總烴源強(qiáng)濃度處于1000～2200mg/m3范圍內(nèi)，預(yù)過濾后的噴漆排風(fēng)與烘干段排風(fēng)混合后進(jìn)入廢氣凈化裝置，治理后高空排放。鋼材預(yù)處理流水線具有風(fēng)量大、濃度高且濃度相對穩(wěn)定的特點。

（2）涂裝車間主要承擔(dān)船體分段二次除銹和涂裝以及全船船體、艙室、設(shè)備和管系等的涂裝工作。噴漆過程產(chǎn)生漆霧粉塵;噴漆、固化階段產(chǎn)生VOCs。船廠主要使用醇酸漆、高溫漆、環(huán)氧漆、清油、防污漆、聚氨酯漆和溶劑（稀釋劑）。經(jīng)過對油漆供應(yīng)商的調(diào)研，揮發(fā)份中主要成分為二甲苯、乙苯、三甲苯、正丁醇、丙醇、輕芳烴溶劑石油腦等。船廠涂裝間根據(jù)分段大小類型不同一般設(shè)計風(fēng)量為1萬m3/h-2萬m3/h，生產(chǎn)工藝為噴漆2-4小時， VOCs揮發(fā)30%，20小時固化，VOCs揮發(fā)70%。噴漆間正常工況下為4-6把槍同時噴涂，每把噴槍噴漆流量約為1.2L/min。由于從噴漆階段過渡到固化階段廢氣濃度變化劇烈，因此，涂裝車間具有風(fēng)量大、峰值濃度高且濃度波動劇烈的特點。

（3）各個船廠在《中華人民共和國大氣污染防治法》的基礎(chǔ)上，因地制宜制定了適合地區(qū)發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)。以上海為例，船廠VOCs排放控制主要是（DB31/934-2015）和（GB16297-1996）。

3 船廠典型生產(chǎn)場景VOCs治理工藝路線分析

由于鋼材預(yù)處理、分段涂裝均屬于大風(fēng)量、峰值濃度較高的連續(xù)作業(yè)、目前船廠采用的主流治理工藝有預(yù)過濾+沸石轉(zhuǎn)輪吸附+蓄熱式氧化爐（RTO）、預(yù)過濾+沸石分子篩/沸石轉(zhuǎn)輪+催化燃燒、活性炭吸附+熱空氣脫附+催化燃燒工藝。

3.1預(yù)過濾+沸石轉(zhuǎn)輪+蓄熱式燃燒（RTO）工藝原理分析

（1）基本原理：將VOCs有機(jī)廢氣在高溫低氧濃度氣氛中燃燒，燃燒溫度到800-1000℃，使有機(jī)物轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水，根據(jù)有機(jī)廢氣濃度的高低可選擇是否配置蓄熱陶瓷進(jìn)行熱量回收，可以較大限度回收VOCs燃燒產(chǎn)生的熱量，當(dāng)有機(jī)廢氣濃度較低或燃燒熱低時，僅靠有機(jī)廢氣自身的燃燒熱不足以維持自燃，需要通過額外添加燃料進(jìn)行充分燃燒。

（2）適用工況：風(fēng)量大、濃度高且濃度穩(wěn)定的連續(xù)工況;

（3）優(yōu)缺點：沸石轉(zhuǎn)輪作為吸附材料耐高溫，脫附較徹底，燃燒風(fēng)險低，理論使用年限10年危廢處理物少，僅沸石轉(zhuǎn)輪報廢后需作為危廢處理。但是國內(nèi)目前使用的轉(zhuǎn)輪主要是依靠進(jìn)口日本、美國的產(chǎn)品，轉(zhuǎn)輪投資費用較高。由于RTO焚燒爐將有機(jī)廢氣在800-1000℃進(jìn)行充分燃燒，因此廢氣處理徹底，處理效率高，達(dá)標(biāo)情況好。缺點是設(shè)備前期投資相對較高，同時由于燃燒溫度高（800-1000℃）燃料消耗多，且由于有機(jī)廢氣濃度較低時需要補(bǔ)充燃料，因此對于濃度波動劇烈的工況，運行費用較高。

3.2預(yù)過濾+沸石分子篩/沸石轉(zhuǎn)輪+催化燃燒工藝原理分析

（1）基本原理：有機(jī)廢氣經(jīng)預(yù)過濾后，通過沸石轉(zhuǎn)輪進(jìn)行吸附濃縮，一般可達(dá)到6-10倍的濃縮比，然后通過熱空氣對沸石進(jìn)行脫附，脫附后的廢氣進(jìn)入催化燃燒爐，通過使用催化劑可降低燃燒反應(yīng)的活化能，進(jìn)而使有機(jī)廢氣在較低的溫度（200-400）下進(jìn)行無焰燃燒，生產(chǎn)二氧化碳和水。

（2）適用工況：大風(fēng)量、常態(tài)濃度低、溫度低的生產(chǎn)工況;

（3）優(yōu)缺點分析：由于催化燃燒反應(yīng)溫度低，因此，燃料消耗少，設(shè)備空間需求相對小，操作比RTO更安全，初次購置成本及運行費用較低。催化燃燒的核心是催化劑，選用催化劑活性較高時VOCs的燃燒反應(yīng)轉(zhuǎn)化率在97%以上，但是由于船廠廢氣的濃度、流量、成分往往不穩(wěn)定，這就導(dǎo)致催化劑需要有較寬的適應(yīng)性，同時某些重金屬會導(dǎo)致催化劑中毒，因此需特別注意催化劑的耐毒性和穩(wěn)定性;最后，廢氣濃度較高時，需合理設(shè)計催化燃燒爐的風(fēng)量，確保燃燒溫度不高于700℃，否則易導(dǎo)致催化劑失效，廢氣處理不達(dá)標(biāo)。

3.3活性炭吸附+熱空氣脫附+催化燃燒工藝原理分析

（1）基本原理：有機(jī)廢氣經(jīng)預(yù)過濾后，通過碳基吸附劑對低濃度有機(jī)廢氣進(jìn)行濃縮，然后通過熱空氣進(jìn)行脫附，脫附后廢氣進(jìn)入催化燃燒爐，通過使用催化劑降低燃燒反應(yīng)的活化能，使有機(jī)廢氣在較低的溫度（200-400）下進(jìn)行無焰燃燒，生產(chǎn)二氧化碳和水。

（2）適用工況：適合小風(fēng)量、低濃度、低溫度的生產(chǎn)工況;

（3）優(yōu)缺點：活性炭纖維比表面積大，單位質(zhì)量吸附量大，活性炭失效后危廢量少;但是活性炭吸附裝置的特性受很多因素影響，如運行溫度、有機(jī)廢氣的成分及濃度、空速及顆粒物情況等，總體來說該工藝方法，設(shè)備簡小，建設(shè)投資及后期運行費用相對較低，但是該工藝方案無法滿足大風(fēng)量、高濃度、高溫有機(jī)廢氣的達(dá)標(biāo)處理，同時由于活性炭吸附床會有雜質(zhì)滯留，為防止燃爆風(fēng)險，通常進(jìn)氣溫度要求≤45℃，脫附進(jìn)氣溫度要求≤120℃。

4 典型生產(chǎn)場景及工藝路線選擇分析

造船廠作為一個企業(yè)，工藝方案的選擇一方面要本著環(huán)保達(dá)標(biāo)、保護(hù)環(huán)境的基本原則，同時又要考慮企業(yè)的實際工況選用適用的方案，要考慮安全、節(jié)能、操作便利等方面來確定工藝流程，在排放限值上要考慮留有余量，但不能無原則地追高，增大企業(yè)的負(fù)擔(dān)。

4.1三種工藝原理適用性分析及比較

首先看活性炭吸附+熱空氣脫附+催化燃燒工藝方案，此項工藝方案是DB31/934-2015頒布之前船廠主流治理工藝，能夠滿足GB16297-1996排放要求，但是針對鋼材預(yù)處理、分段涂裝兩個風(fēng)量大、峰值濃度高的生產(chǎn)場景，經(jīng)向各個船廠實地調(diào)研該項工藝無法滿足（DB31/934-2015）提標(biāo)后的排放要求。因此，對于大風(fēng)量、峰值濃度高的生產(chǎn)環(huán)節(jié)使用該工藝方案存在環(huán)保不達(dá)標(biāo)的問題，不推薦使用。除此之外，目前各個船廠提標(biāo)改造采用的主要工藝方案是預(yù)過濾+沸石轉(zhuǎn)輪吸附+蓄熱式氧化爐（RTO）和預(yù)過濾+沸石分子篩/沸石轉(zhuǎn)輪+催化燃燒工藝，下面將這兩種工藝方案的處理特點進(jìn)行比較分析：

由表1可知，RTO燃燒采用火焰直接燃燒，燃燒溫度高，燃燒停留時間長、因此RTO燃燒燃料消耗多、裝置相對催化燃燒更大、由于溫度高安全要求也更高，但是RTO燃燒工藝的凈化率也更高。考慮到RTO直接燃燒燃料消耗大、運行費用巨大，目前主流的RTO燃燒工藝均配置了蓄熱陶瓷體，極大限度地回收有機(jī)廢氣燃燒后的余熱，用于預(yù)熱下一回合待處理的有機(jī)廢氣，使之被迅速加熱到760-1000℃，減少運行費用。但是由于燃燒溫度較高，燃料消耗多，當(dāng)有機(jī)廢氣濃度波動，濃度較低時仍需要補(bǔ)充大量燃料，因此對于濃度波動劇烈的工況，運行費用仍然較高。

4.2典型生產(chǎn)場景及工藝選擇分析

（1）鋼材預(yù)處理流水線治理工藝選擇分析。鋼材預(yù)處理流水線采用全自動流水線。捕集風(fēng)速約1.5-2.5m/s，排風(fēng)量約20000m3/h-30000m3/h，船廠主要使用無機(jī)硅酸鋅底漆，根據(jù)對XX造船廠鋼板預(yù)處理流水線實際監(jiān)測數(shù)值分析，鋼材預(yù)處理流水線風(fēng)量20000m3/h，濃度1140～2190mg/m3是典型的大風(fēng)量、高濃度且濃度穩(wěn)定的連續(xù)工況。由于采用蓄熱陶瓷的情況下，當(dāng)濃度持續(xù)≥600mg/m3時，RTO燃燒爐可以由高濃度廢氣維持自燃，無需補(bǔ)充燃料，因此從環(huán)保達(dá)標(biāo)穩(wěn)定性、運行節(jié)能方面綜合考慮，使用預(yù)過濾+蓄熱式燃燒（RTO）工藝，針對預(yù)處理線持續(xù)性高濃度廢氣可以穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，同時由于廢氣持續(xù)穩(wěn)定在高濃度，可以不用配置價格昂貴的沸石轉(zhuǎn)輪，減少建設(shè)投資，同時由于高濃度廢氣可以維持燃燒爐自燃，后期也能節(jié)省大量運營費用。

（2）分段涂裝治理工藝選擇分析。分段涂裝過程中產(chǎn)生漆霧粉塵;噴漆、固化階段產(chǎn)生有機(jī)廢氣VOCs。根據(jù)某造船廠實際監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，涂裝工程中VOCs濃度劇烈波動，噴漆階段進(jìn)口最大濃度為570.7mg/m3，噴漆階段4小時VOCs平均濃度為458.7mg/m3，固化階段濃度呈迅速下降狀態(tài)，固化階段VOCs平均濃度為144.6mg/m3，固化階段濃度總體較低，考慮到固化階段18-20個小時濃度都較低，如果用RTO燃燒需補(bǔ)充大量燃料，而催化燃燒由于反應(yīng)溫度低，維持自燃需要補(bǔ)充的燃料少，裝置簡小，在運行費用上更具優(yōu)勢，同時設(shè)備相對RTO操作更加安全。由于分段涂裝是典型的大風(fēng)量、峰值濃度高（噴漆階段）、濃度波動劇烈（32.9～570.7mg/m3）、較長時間（固化階段18-20個小時）處于大風(fēng)量低濃度狀態(tài)，因此采用預(yù)過濾+沸石轉(zhuǎn)輪/沸石分子篩吸附濃縮+催化燃燒工藝可使處理效果大大提高。這樣在保證環(huán)保排放達(dá)標(biāo)的前提下，減少了設(shè)備后期運營費用，同時操作上更加便利。

5 應(yīng)用實例研究分析

5.1鋼材預(yù)處理流水線廢氣治理實際應(yīng)用情況研究分析

經(jīng)過對幾家船廠實際處理情況調(diào)研，對鋼材預(yù)處理流水線采用預(yù)過濾+蓄熱式RTO燃燒工藝從工藝路線、風(fēng)量、招標(biāo)濃度、預(yù)過濾形式、焚燒爐結(jié)構(gòu)、運行費用幾個方面分析如表2，運行費用按天然氣單價5.6元/L，電費0.8元/度計算：廢氣在線監(jiān)測及排放達(dá)標(biāo)情況見圖1;由表和圖分析可知，廢氣最大濃度≤1032.8 mg/m3，出口排放濃度均低于33.29 mg/m3，設(shè)備排放達(dá)標(biāo)情況良好，且余量較大，四家船廠年運行費用均控制在40-65萬/年/套，設(shè)備達(dá)標(biāo)及運行費用管控均較好。

經(jīng)過對XX船廠鋼材預(yù)處理線在線監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，將入口濃度除以10形成廢氣排放達(dá)標(biāo)分析圖（見圖1）和各單位運行情況（見表2）如下所示：

5.2分段涂裝廢氣治理實際應(yīng)用情況研究分析

經(jīng)過對幾家船廠實際處理情況調(diào)研，對分段涂裝采用預(yù)過濾+沸石轉(zhuǎn)輪+催化燃燒和預(yù)過濾+沸石轉(zhuǎn)輪+蓄熱式RTO燃燒工藝從工藝路線、風(fēng)量、濃度、運行費用幾個方面分析如表3，運行費用天然氣按單價5.6元/L，電費0.8元/度計算;XXXX船廠預(yù)過濾+沸石轉(zhuǎn)輪+催化燃燒廢氣在線監(jiān)測及排放達(dá)標(biāo)情況見圖2;XXXX船廠預(yù)過濾+沸石轉(zhuǎn)輪+蓄熱式RTO廢氣在線監(jiān)測及排放達(dá)標(biāo)情況見圖3;結(jié)合圖2、圖3分析可知，以調(diào)研的6家船廠生產(chǎn)工況為例，無論是使用預(yù)過濾+沸石轉(zhuǎn)輪+催化燃燒工藝還是預(yù)過濾+沸石轉(zhuǎn)輪+蓄熱式RTO工藝，均能實現(xiàn)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，但是達(dá)標(biāo)角度分析，使用RTO燃燒工藝達(dá)標(biāo)裕度更大，排放濃度均控制在35.8 mg/m3以下，催化燃燒則最大排放濃度達(dá)到了57.3 mg/m3;

結(jié)合表3運行情況進(jìn)行分析可知，預(yù)過濾+沸石轉(zhuǎn)輪+蓄熱式RTO工藝年運行費用均明顯高于預(yù)過濾+沸石轉(zhuǎn)輪+催化燃燒工藝。因此，各個船廠可根據(jù)各地方實施的排放控制標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)備運營經(jīng)濟(jì)性綜合考慮選擇，若更偏重于排放達(dá)標(biāo)裕度，考慮遠(yuǎn)期控制標(biāo)準(zhǔn)提升可以考慮預(yù)過濾+沸石轉(zhuǎn)輪+蓄熱式RTO工藝;若更偏重于在目前穩(wěn)定達(dá)標(biāo)前提下充分減少設(shè)備運營費用可以考慮預(yù)過濾+沸石轉(zhuǎn)輪+催化燃燒工藝。

經(jīng)過對XX船廠分段涂裝在線監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，將入口濃度除以10形成排放達(dá)標(biāo)分析圖如下（沸石轉(zhuǎn)輪+催化燃燒）：

經(jīng)過對YY船廠分段涂裝在線監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，將入口濃度除以10形成排放達(dá)標(biāo)分析圖如下（沸石轉(zhuǎn)輪+催RTO）：

6 結(jié)語

改善大氣環(huán)境、保護(hù)人體健康是未來環(huán)境治理的要求，也是船舶企業(yè)綠色制造、高質(zhì)量發(fā)展的自身需求，本文針對船廠典型生產(chǎn)場景就有機(jī)廢氣VOCs主流治理工藝路線的適用性，優(yōu)缺點結(jié)合各個船廠實際應(yīng)用案例進(jìn)行了分析，提出了建議，供業(yè)界參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]李守信等.揮發(fā)性有機(jī)物污染控制工程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2017.