鋼材預(yù)處理廢氣治理設(shè)備排放超標(biāo)研究

查 浩，葛 珉，許 柱，李寶榮

（揚(yáng)州海通電子科技有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225001）

0 引言

我國船舶制造業(yè)在經(jīng)歷廢墟起步、對外開放、世界跨越、繼往開來等主要階段后，目前已進(jìn)入世界造船大國的行列。2021年，我國造船工業(yè)市場份額保持全球領(lǐng)先，6家企業(yè)分別進(jìn)入世界造船完工量、新接訂單量和手持訂單量前10強(qiáng)。與此相應(yīng)，因船舶制造引發(fā)的環(huán)境污染問題，也日益受到關(guān)注[1-3]。

為了加強(qiáng)對船舶工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)大氣污染物排放的控制和管理，多地相繼出臺(tái)法規(guī)對船舶制造業(yè)大氣污染物排放行為進(jìn)行規(guī)范要求和監(jiān)督。

上海市《船舶工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定室內(nèi)涂裝非甲烷總烴排放不超過70 mg/m3，預(yù)處理不超過50 mg/m3；天津市《工業(yè)企業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物排放控制標(biāo)準(zhǔn)》要求船舶行業(yè)非甲烷總烴最高允許排放濃度不超過40 mg/m3；江蘇省《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》與遼寧省《工業(yè)涂裝工序揮發(fā)性有機(jī)物排放標(biāo)準(zhǔn)》均要求船舶制造室內(nèi)涂裝工藝非甲烷總烴排放不超過70 mg/m3，未明確預(yù)處理工藝要求，但要求其它工藝非甲烷總烴排放不超過60 mg/m3；山東省《揮發(fā)性有機(jī)物排放標(biāo)準(zhǔn)第5部分-表面涂裝行業(yè)》要求船舶行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）排放不超過70 mg/m3。

蓄熱式焚燒技術(shù)（RTO）因其較高的處理效率和較低的運(yùn)行能耗，在造船廠室內(nèi)分段涂裝及鋼材預(yù)處理流水線廢氣處理方面得到較為廣泛的應(yīng)用[4-5]。

1 研究基礎(chǔ)

以承攬的某船廠鋼材預(yù)處理流水線配套R(shí)TO處理系統(tǒng)為切入點(diǎn)展開。根據(jù)上海市《船舶工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求（見表1），該船廠1條鋼板和1條型鋼預(yù)處理流水線廢氣處理系統(tǒng)原有活性炭吸脫附及催化裝置，因非甲烷總烴無法滿足最新排放標(biāo)準(zhǔn)，改造為2套物理過濾+蓄熱式焚燒（RTO）裝置，并同步設(shè)置進(jìn)出口污染物濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)。

表1 基本參數(shù)

“物理過濾+蓄熱式焚燒（RTO）”設(shè)備投入使用后，2條預(yù)處理流水線每日保持10 h以上的生產(chǎn)時(shí)間，廢氣處理裝置同步運(yùn)行。代運(yùn)維階段，根據(jù)在線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測，尾氣排放持續(xù)達(dá)標(biāo)無異常。

自代運(yùn)維結(jié)束后，整套廢氣處理裝置運(yùn)維工作交由生產(chǎn)線廠家執(zhí)行。運(yùn)行初期，尾氣排放維持代運(yùn)維期間的持續(xù)達(dá)標(biāo)。但后期檢查PLC數(shù)據(jù)及在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)自主運(yùn)維階段，廢氣處理裝置的運(yùn)行發(fā)生較多異常，出現(xiàn)多類排放超標(biāo)現(xiàn)象，總結(jié)如下：

1）整日連續(xù)的尾氣排放持續(xù)異常超標(biāo)；

2）廢氣處理裝置早晨開機(jī)升溫階段尾氣排放異常（未接入流水線生產(chǎn)廢氣，連通新鮮空氣升溫）；

3）不規(guī)律的間歇性超標(biāo)，發(fā)生在PLC監(jiān)控的系統(tǒng)故障報(bào)警之后；

4）每周一次規(guī)律性超標(biāo)，維持2～3 h，數(shù)值基本相同。

2 原因分析及對策

2.1 原因分析

1）廢氣入口污染物濃度超標(biāo)及其連鎖效應(yīng)

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及業(yè)主提供的原始數(shù)據(jù)，鋼材預(yù)處理流水線非甲烷總烴源強(qiáng)濃度一般處于1000～2200 mg/m3的范圍內(nèi)，平均濃度1500 mg/m3。

通過檢查在線監(jiān)測系統(tǒng)記錄發(fā)現(xiàn)，廢氣入口濃度長期超出設(shè)計(jì)濃度范圍，其濃度長期處于5000～10000 mg/m3之間，且持續(xù)不間斷時(shí)間較長，最大入口濃度超過10000 mg/m3的時(shí)間段也較多，如圖1所示。

圖1 廢氣入口濃度在線監(jiān)測數(shù)據(jù)

在檢查車間生產(chǎn)記錄的過程中發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)線廠家在設(shè)備使用過程中出現(xiàn)不合規(guī)范的操作。該項(xiàng)目原始設(shè)計(jì)為2條預(yù)處理流水線配置2套“物理過濾+RTO”（RTO系統(tǒng)）設(shè)備，因節(jié)能需要，考慮業(yè)主存在不飽和生產(chǎn)工況時(shí)2條預(yù)處理流水線根據(jù)產(chǎn)品需求切換生產(chǎn)，2套R(shí)TO系統(tǒng)設(shè)備設(shè)置了前端廢氣互通功能，當(dāng)2條預(yù)處理流水線交錯(cuò)使用時(shí)，可通過閥門切換使用同一套R(shí)TO系統(tǒng)設(shè)備（見圖2左上角KV3001與KV3002），從而避免了流水線交錯(cuò)使用時(shí)2套R(shí)TO系統(tǒng)設(shè)備分別升溫、降溫的能源消耗。但是設(shè)計(jì)初衷為2條預(yù)處理流水線交錯(cuò)生產(chǎn)時(shí)使用同1套R(shí)TO系統(tǒng)設(shè)備，生產(chǎn)線廠家實(shí)際使用時(shí)為減少能源消耗，在生產(chǎn)飽和2條預(yù)處理流水線同時(shí)工作的情況下，僅開機(jī)1套R(shí)TO系統(tǒng)設(shè)備，導(dǎo)致設(shè)備實(shí)際處理遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)能力，入口廢氣污染物來自于工作中2條預(yù)處理流水線，污染物濃度嚴(yán)重超標(biāo)。在蓄熱式焚燒爐（RTO）固有的處理效率之下，入口污染物濃度嚴(yán)重超標(biāo)導(dǎo)致排氣口的凈化尾氣濃度超標(biāo)無法滿足標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 RTO系統(tǒng)（單爐）運(yùn)行監(jiān)測圖

與此同時(shí)，入口污染物濃度超標(biāo)也產(chǎn)生了連鎖效應(yīng)。為了保證RTO的安全運(yùn)行，控制系統(tǒng)設(shè)置了兩級溫度安全聯(lián)鎖動(dòng)作，一級安全聯(lián)鎖為打開RTO爐膛泄溫閥門泄溫（見圖2右上角MV1003），二級安全聯(lián)鎖在一級安全聯(lián)鎖無法實(shí)現(xiàn)泄溫目的的前提下執(zhí)行，具體操作為關(guān)閉廢氣入口，引入新鮮空氣進(jìn)入RTO爐膛降溫（見圖2左中MV1001）。本項(xiàng)目超高濃度污染物在RTO爐膛內(nèi)充分燃燒、大量放熱，導(dǎo)致RTO爐膛內(nèi)的溫升急劇增加，超出了控制系統(tǒng)原本設(shè)置的溫度限制，開啟了一級安全措施即打開了RTO爐膛泄溫閥門。由于濃度持續(xù)高超標(biāo)，RTO爐膛泄溫閥門持續(xù)開啟泄溫，導(dǎo)致部分污染物在爐膛內(nèi)未完全燃燒即通過泄溫閥門排出，進(jìn)一步導(dǎo)致了最終凈化尾氣排氣的超標(biāo)。

2）非正常關(guān)停機(jī)

RTO系統(tǒng)設(shè)備最重要的一個(gè)公用工程動(dòng)力是壓縮空氣，壓縮空氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)所有閥門的動(dòng)作。而RTO系統(tǒng)的核心部件提升閥及吹掃閥在運(yùn)行過程中保持約2 min/次的切換頻率，因此在設(shè)備運(yùn)行過程中務(wù)必保證壓縮空氣的穩(wěn)定供應(yīng)，否則閥門缺少驅(qū)動(dòng)，無法正常動(dòng)作，引發(fā)系統(tǒng)控制報(bào)警停機(jī)。同時(shí)，預(yù)處理流水線生產(chǎn)停止后，廢氣治理系統(tǒng)需按下“停機(jī)”按鈕，停機(jī)并不是完全停止動(dòng)作，由于“停機(jī)”按鈕按下后，RTO爐膛內(nèi)仍保持正常的反應(yīng)高溫，若直接切斷氣體流動(dòng)，爐內(nèi)長期高溫停滯存在安全風(fēng)險(xiǎn)，因此“停機(jī)”按鈕按下后RTO爐閥門仍保持正常切換，RTO風(fēng)機(jī)仍保持工作，但廢氣閥門及燃燒系統(tǒng)關(guān)閉，新鮮空氣閥門開啟，RTO風(fēng)機(jī)引入新鮮空氣進(jìn)入RTO爐內(nèi)執(zhí)行約1 h的停機(jī)降溫工作。

在檢查RTO系統(tǒng)PLC歷史記錄的過程中發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)線廠家在實(shí)際使用時(shí)并未嚴(yán)格執(zhí)行RTO系統(tǒng)操作規(guī)范。在每日預(yù)處理流水線生產(chǎn)結(jié)束后，操作工按下“停機(jī)”按鈕并未等待RTO爐充分降溫，而直接關(guān)閉空壓機(jī)設(shè)備，導(dǎo)致RTO系統(tǒng)設(shè)備因缺少壓縮空氣驅(qū)動(dòng)而直接停止一切動(dòng)作，RTO爐內(nèi)氣流停滯，停機(jī)前引入的污染物無法進(jìn)入頂部氧化室，在中部蓄熱室、底部風(fēng)室以及管道內(nèi)沉積。因此，在下一次RTO系統(tǒng)啟動(dòng)升溫過程中，由于升溫階段，爐膛溫度較低，未達(dá)到氧化溫度，沉積在蓄熱室、風(fēng)室及管道內(nèi)的污染物被新鮮空氣帶入氧化室而未完全反應(yīng)后按流程排出至煙囪，導(dǎo)致出口的在線監(jiān)測系統(tǒng)在RTO系統(tǒng)開機(jī)升溫階段檢測到尾氣排放超標(biāo)。

經(jīng)常性的非正常停機(jī)操作，除了會(huì)導(dǎo)致RTO系統(tǒng)開機(jī)升溫階段的尾氣排放超標(biāo)，高溫氣流停滯長期會(huì)加速設(shè)備的老化，影響使用壽命；同時(shí)，船廠鋼材預(yù)處理線所使用的底漆一般為硅酸鋅車間底漆或無機(jī)硅酸鋅車間底漆，包含硅酸乙酯成分，硅酸乙酯水解或燃燒后生成SiO2，極易堵塞蓄熱陶瓷材料，因此本項(xiàng)目采用了改性的蓄熱陶瓷材料，一定程度上緩解了SiO2的堵塞風(fēng)險(xiǎn)，但長期的非正常停機(jī)操作，沉積在蓄熱室內(nèi)的污染物若長期不流通，反而會(huì)加速蓄熱室內(nèi)蓄熱陶瓷的堵塞，影響設(shè)備的使用壽命。

3）未正常維護(hù)導(dǎo)致的故障停機(jī)

RTO系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行離不開操作人員的定期巡檢和維護(hù)，如定期檢查潤滑點(diǎn)并添加潤滑劑、定期檢查漆霧過濾器材使用情況并及時(shí)更換、定期檢查燃燒機(jī)組UV火焰監(jiān)測器并及時(shí)清理等。但是生產(chǎn)線廠家在實(shí)際使用過程中未嚴(yán)格執(zhí)行定期巡檢和維護(hù)，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)如下情況：

操作人員未定期檢查漆霧過濾器情況，導(dǎo)致部分漆霧過濾器使用時(shí)間過長，表面沉積的粉塵和漆渣過多，漆霧過濾器濾袋破裂；

操作人員為降低漆霧過濾器沉積漆渣較多引起阻力過大的問題，擅自拆卸部分漆霧過濾器，造成RTO系統(tǒng)前端物理過濾精度降低，部分顆粒物進(jìn)入RTO爐內(nèi)，可能引起堵塞；

操作人員未定期檢查并清理燃燒機(jī)組UV火焰監(jiān)測器，導(dǎo)致UV火焰監(jiān)測器表面有積聚的灰塵，UV火焰監(jiān)測器對火焰的監(jiān)測不靈敏；

車間供應(yīng)的天然氣為儲(chǔ)罐天然氣，車間內(nèi)其他生產(chǎn)工序多處使用天然氣的強(qiáng)度不規(guī)律，導(dǎo)致儲(chǔ)罐天然氣輸出至各點(diǎn)的壓力不穩(wěn)定、波動(dòng)性大，RTO系統(tǒng)使用過程中常遇到天然氣壓力過低導(dǎo)致故障停機(jī)的情況。

4）在線監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)維標(biāo)定

為有效監(jiān)測廢氣治理系統(tǒng)處理效果及達(dá)標(biāo)排放情況，RTO系統(tǒng)設(shè)備在廢氣入口管道及排氣煙囪上均安裝了VOCs在線監(jiān)測系統(tǒng)。為確保儀器正常運(yùn)行，進(jìn)行了定期的保養(yǎng)。由于使用情況和環(huán)境條件差別很大，儀器的器件每周定期檢查，并采用標(biāo)氣標(biāo)定。

2.2 對策及措施

1）根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)啟動(dòng)相應(yīng)的RTO系統(tǒng)，避免單套R(shí)TO系統(tǒng)超負(fù)荷使用，避免濃度超標(biāo)的安全隱患；

2）檢查并優(yōu)化預(yù)處理線噴漆系統(tǒng)，可有效避免陷入RTO系統(tǒng)廢氣濃度超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)從根源上減少噴漆系統(tǒng)的油漆浪費(fèi)，節(jié)能降耗；

3）規(guī)范開關(guān)機(jī)操作，保證壓縮空氣、電力等公用工程系統(tǒng)的持續(xù)供應(yīng)，保證正常的開關(guān)機(jī)執(zhí)行流程；

4）保有定量的易損易耗件，如過濾器、磁感應(yīng)開關(guān)等，及時(shí)更換易耗件；

5）聘用專業(yè)的廢氣處理裝置運(yùn)維團(tuán)隊(duì)或培養(yǎng)專業(yè)的維護(hù)使用人員，高效合理地使用RTO系統(tǒng)設(shè)備。

3 結(jié)語

蓄熱式焚燒技術(shù)（RTO）已成為船舶制造業(yè)鋼材預(yù)處理流水線廢氣治理最有效的方法，同時(shí)也在船舶制造業(yè)分段涂裝工廠廢氣治理上有廣泛的應(yīng)用[6-7]。

為切實(shí)做好船舶制造業(yè) VOCs 的污染防治工作，廢氣治理系統(tǒng)的使用應(yīng)嚴(yán)格遵守設(shè)備規(guī)范，保證規(guī)律性的檢查、維護(hù)和保養(yǎng)工作，培養(yǎng)使用人員的專業(yè)素養(yǎng)，切忌強(qiáng)制不合規(guī)的使用，保障廢氣治理設(shè)備的長期高效運(yùn)行和達(dá)標(biāo)排放。