噴膠行業(yè)VOCs廢氣治理技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

化亞魏 崔瑞飛 柳家鑫

（深圳市天得一環(huán)境科技有限公司 廣東深圳 518000）

引言

噴膠就是將黏合劑噴灑在被粘合物的表面，使其粘合固化。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于沙發(fā)海綿、布料、皮革、木板、隔熱棉、防火板、鋁塑板等材質(zhì)的粘生產(chǎn)[1]。在噴膠過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生苯、甲苯、二甲苯、臭氣等，如果不進(jìn)行有效治理，會(huì)引起工人不適，甚至中毒[2][3][4]。而噴膠棉等生產(chǎn)過(guò)程中，粘合劑噴灑在蓬松的纖維表面，在纖維表面形成一層粘合劑，同時(shí)粘合劑滲入纖維內(nèi)部，使纖維進(jìn)一步固化。粘合劑噴灑及纖維固化過(guò)程，部分較短的纖維會(huì)散入空氣中，形成毛絮物。廢氣中的大量毛絮物，會(huì)進(jìn)一步增加了廢氣治理的難度。

在實(shí)際廢氣治理時(shí)，由于噴膠廢氣中的VOCs 污染屬于中低濃度污染，治理起來(lái)相對(duì)容易。而對(duì)毛絮物的去除才是噴膠廢氣治理的難點(diǎn)所在。本文以某噴膠棉廠噴膠廢氣治理實(shí)際案例，論述噴膠廢氣治理技術(shù)措施，詳細(xì)闡述噴膠廢氣治理技術(shù)的風(fēng)量確定、治理工藝，以及設(shè)備節(jié)能控制措施和該套系統(tǒng)所達(dá)到的治理效果等，為廢氣治理行業(yè)工程技術(shù)人員系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 風(fēng)量確定

1.1 通風(fēng)柜風(fēng)量計(jì)算

噴膠過(guò)程在通風(fēng)柜中完成，通風(fēng)柜三面圍擋，留下一面作為工人操作面，尺寸為1600mm×1500mm×1400mm。按照通風(fēng)柜控制風(fēng)速要求[5][6]，苯、甲苯、二甲苯屬于有毒物質(zhì)，控制風(fēng)速取0.5m/s，采用式（1）計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，風(fēng)量為4536 Nm3/h，取5000Nm3/h。

式中，A 為通風(fēng)柜操作面的面積，m2；v 為操作面的控制風(fēng)速，m/s;K 為安全系數(shù)，一般取1.055～1.20；l為柜內(nèi)污染氣體發(fā)生量，m3/s。

1.2 風(fēng)量模擬及驗(yàn)證

按照通風(fēng)柜的尺寸建立簡(jiǎn)化模型[7～10]，分別模擬抽風(fēng)口距離進(jìn)風(fēng)操作面400mm（風(fēng)口前置）、800mm（風(fēng)口中間）、1200mm（風(fēng)口后置）時(shí)，通風(fēng)柜流場(chǎng)情況。按照通風(fēng)柜控制風(fēng)速要求，通風(fēng)柜進(jìn)風(fēng)面風(fēng)速為0.5m/s以上時(shí)，才能有效阻止污染空氣外溢。三種情況進(jìn)風(fēng)面風(fēng)速分布，如圖1 所示。從圖1 可以看出，風(fēng)口前置時(shí)，進(jìn)風(fēng)面風(fēng)速最不均勻，且進(jìn)風(fēng)面下部區(qū)域風(fēng)速較低，污染氣體很容易外溢。而采用風(fēng)口后置時(shí)，進(jìn)風(fēng)面風(fēng)速分布均勻，能夠獲得很好的阻隔作用，有利于污染空氣的排出。

圖1 風(fēng)口前置風(fēng)速分布（A）、風(fēng)口位于中間風(fēng)速分布（B）、風(fēng)口后置風(fēng)速分布（C）

為了更詳細(xì)說(shuō)明風(fēng)速分布情況，在通風(fēng)面上距離中心點(diǎn)375mm 位置取一條垂直向上的線，通風(fēng)面最低端為0，最高點(diǎn)為1500mm，速度分布情況如圖2 所示。由圖2 可知，除了靠近風(fēng)口邊緣位置風(fēng)速較小外，三種情況均呈現(xiàn)出大體一致的風(fēng)速分布，上部靠近抽風(fēng)口位置風(fēng)速較大，而下部遠(yuǎn)離抽風(fēng)口位置風(fēng)速較小。風(fēng)口后置時(shí)，風(fēng)口風(fēng)速較為均勻，大部分區(qū)域在0.5m/s 以上。風(fēng)口前置風(fēng)速最不均勻，風(fēng)量集中在上部區(qū)域通過(guò)，大部分區(qū)域風(fēng)速不足0.5m/s。因此采用抽風(fēng)口后置的方式抽風(fēng)較為合適，并且能夠達(dá)到減少污染物外溢的要求。

圖2 通風(fēng)面典型位置風(fēng)速分布

2 工藝介紹

2.1 工藝概況

整體上，采用預(yù)處理設(shè)備和噴淋塔，去除廢氣中的顆粒物，然后采用脫濕器去除噴淋塔產(chǎn)生的水霧，最后通過(guò)微波設(shè)備和活性炭去除VOCs。

2.2 預(yù)處理設(shè)備

預(yù)處理設(shè)備為單層鋼絲網(wǎng)，鋼絲網(wǎng)厚度為30mm，主要為了過(guò)濾毛絮物。當(dāng)鋼絲網(wǎng)空隙處堵塞較多毛絮物時(shí)，采用人工方法進(jìn)行沖洗。另外，預(yù)處理采用單獨(dú)過(guò)濾單元，側(cè)面開(kāi)門(mén)，內(nèi)部過(guò)濾網(wǎng)采用滑槽式安裝，方便沖洗時(shí)抽取更換。過(guò)濾網(wǎng)循環(huán)使用，并設(shè)置備用過(guò)濾網(wǎng)。

2.3 噴淋塔

采用立式噴淋塔除去剩余毛絮物及較小顆粒物，噴淋塔是較為常見(jiàn)的除塵設(shè)備，它對(duì)粒徑較大的塵粒效果較好。一般是由噴淋塔主體、噴淋系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)構(gòu)成。

本次設(shè)計(jì)的噴淋塔，共分三層，塔體采用厚度為12mm 的PP 板，塔底厚度為15mm，前兩層為收塵層，最后一層為除霧層。噴淋塔填料為多面球，噴液量按照物料平衡原理進(jìn)行計(jì)算，第一層噴水量為50m3/h，第二層噴水量為25m3/h。水泵采用11kW 獨(dú)立循環(huán)泵，并留有備用。噴淋塔配置獨(dú)立的加藥系統(tǒng)，保證pH 大于11，當(dāng)pH 小于11 時(shí)，加藥泵自動(dòng)打開(kāi)，向水箱內(nèi)加入氫氧化鈉濃溶液，從而提升噴淋水的pH，以降低溶液的粘度，使填料不易堵塞。刮渣裝置設(shè)置于水箱中，包含電機(jī)、減速機(jī)、鏈輪、鏈條、刮板等，當(dāng)水箱中積累顆粒物較多時(shí)，通過(guò)刮渣裝置進(jìn)行清除。噴淋塔每層均有透明窗口，易于打開(kāi)及人進(jìn)入維護(hù)。噴淋塔水循環(huán)帶浮球流量顯示。所有水循環(huán)位置均設(shè)置有防泄露槽及泄露槽排污系統(tǒng)，避免污水泄露。

2.4 除霧器

廢氣經(jīng)過(guò)噴淋塔后，廢氣中會(huì)夾帶大量的液滴，此時(shí)需要除霧器除去這些液滴，達(dá)到氣液分離的目的，保證后續(xù)微波設(shè)備及活性炭設(shè)備高效率的工作。除霧器尺寸為620mm×2500mm×2600mm，采用PP 折線板制作，能夠有效除去3-5 um 的霧滴。

2.5 微波設(shè)備

微波設(shè)備采用自主研發(fā)設(shè)備，其原理是將微波導(dǎo)致的各種高級(jí)氧化技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，達(dá)到處理低濃度VOCs 的目的。首先,通過(guò)微波輻射無(wú)極低壓汞燈，產(chǎn)生紫外光，紫外光在催化劑TiO2的作用下催化氧化VOCs。其次，微波輻射無(wú)極低壓汞燈也會(huì)產(chǎn)生波長(zhǎng)更短的真空紫外光，真空紫外光可以直接光解VOCs。真空紫外光也可以光解空氣中的氧氣形成游離氧，游離氧與水結(jié)合形成羥基，與氧氣結(jié)合形成臭氧，這些物質(zhì)也會(huì)氧化VOCs。最后，微波在紫外光和真空紫外光的作用下，在催化劑TiO2表面，氧化分解VOCs。微波產(chǎn)品正是在MW/VUV/TiO2/MnO2/O3復(fù)合式高級(jí)氧化技術(shù)體系的基礎(chǔ)上,研發(fā)的新一代產(chǎn)品。微波產(chǎn)品射頻器需要進(jìn)行冷卻，按照冷卻介質(zhì)不同，分為水冷式和風(fēng)冷式，水冷式冷卻穩(wěn)定，受外界環(huán)境影響較小，本案例采用水冷式。

2.6 活性炭吸附設(shè)備

吸附劑是指可使某種活性物質(zhì)附著在其多孔表面的固態(tài)化合物，用于VOCs 吸附的吸附劑主要有活性炭、分子篩等。作為吸附劑的一種，活性炭具有很多優(yōu)勢(shì)。與其他吸附劑相比，活性炭比表面積較大，總表面積可達(dá)1500m2/g?；钚蕴?jī)r(jià)格便宜，可以采用煤、木屑、椰殼等大量制作。因此，近年來(lái)在VOCs 治理行業(yè)被廣泛應(yīng)用。

目前，在VOCs 治理行業(yè)所用的活性炭主要有柱狀活性炭和蜂窩活性炭。蜂窩活性炭多為0.001 m3的正方體結(jié)構(gòu)，且孔隙發(fā)達(dá)。柱狀活性炭為不同尺寸的柱狀。柱狀活性炭更換較為容易，可以在箱體上下各開(kāi)一個(gè)口，用于活性炭的更換。但柱狀活性炭堆積過(guò)厚時(shí)容易堵塞，造成氣流不均，影響吸附效果。在吸附整體效果看，蜂窩活性炭孔隙比表面積更大，氣流通過(guò)孔隙也均勻，效果較好。選擇蜂窩活性炭作為吸附劑。

按照廢氣量50000m3/h，全天廢氣平均濃度100 mg/m3計(jì)算，噴淋塔和微波設(shè)備去除率為60%，活性炭吸附量為2 kg/h。按照3 個(gè)月更換一次活性炭，每天工作8 小時(shí)，每個(gè)月生產(chǎn)23 天進(jìn)行活性炭填充量計(jì)算?；钚蕴刻畛淞堪凑帐剑?）進(jìn)行計(jì)算。

式中，G 活性炭的填充量，噸；N 為活性炭更換前吸附小時(shí)數(shù)；g 為活性炭單位小時(shí)吸附量，kg/h；為單位活性炭最大吸附量，取0.30 kg/kg。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，活性炭的填充量為3.8 噸。

3 節(jié)能控制

3.1 風(fēng)機(jī)選型

管道材質(zhì)鍍鋅，最不利環(huán)路管道長(zhǎng)度100m。管網(wǎng)的總壓力損失等于沿程壓力與局部壓力之和。經(jīng)過(guò)計(jì)算管網(wǎng)壓力損失為400Pa。其他壓力損失如表1 所示。

表1 系統(tǒng)管件設(shè)備壓力損失

根據(jù)總風(fēng)量為50000m3/h，總壓力損失為2900Pa，選擇某個(gè)品牌C 型風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)功率為55 kW。風(fēng)機(jī)為可變頻風(fēng)機(jī)。

3.2 廢氣產(chǎn)生設(shè)備工況

由于噴膠作業(yè)具有一定周期性，在每個(gè)8 h 工作日，不是所有的噴膠工位都會(huì)有噴膠作業(yè)。所以可以按照每個(gè)噴膠工位60% 的時(shí)間工作，來(lái)計(jì)算同時(shí)工作噴膠工位數(shù)量的占比，如表2 所示。

表2 同時(shí)工作噴膠工位數(shù)量占比

3.3 風(fēng)機(jī)運(yùn)行節(jié)能控制

當(dāng)不同數(shù)量的噴膠工位開(kāi)始作業(yè)時(shí)，所需的排風(fēng)量也不相同。同時(shí)，因?yàn)榕棚L(fēng)量不同，管網(wǎng)的壓損也會(huì)降低。根據(jù)支管壓損不變，主管壓損減少的原則，按照公式3 來(lái)計(jì)算管網(wǎng)的壓損。

式中，P 為管網(wǎng)的壓損，Pa；PZ為支管的壓損，Pa；PH最大風(fēng)量下主管及設(shè)備壓損，Pa；Qo為所有工位作業(yè)時(shí)總風(fēng)量，m3/h；Q 為n 個(gè)工位同時(shí)工作的風(fēng)量。

風(fēng)機(jī)的功率與風(fēng)量和全壓的關(guān)系如式（4）所示[11][12][13]。

式中，Ny為風(fēng)機(jī)有效功率，W。

而風(fēng)機(jī)的有效功率與轉(zhuǎn)數(shù)的3 次方成正比，如式（5）所示。

式中，n 為風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，與頻率成正比。

由于風(fēng)機(jī)電機(jī)限制，當(dāng)風(fēng)機(jī)頻率計(jì)算得到值小于20Hz 時(shí)，仍取20Hz。計(jì)算結(jié)果如表3 所示。

表3 不同噴膠工位同時(shí)作業(yè)數(shù)量下風(fēng)機(jī)頻率

各工位工作人員，通過(guò)置于噴膠房間的遠(yuǎn)程柜來(lái)控制各個(gè)噴膠通風(fēng)柜抽風(fēng)電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)閉，同時(shí)，把各個(gè)閥門(mén)的開(kāi)閉情況傳至主電柜，主電柜PLC 計(jì)算閥門(mén)的開(kāi)啟數(shù)量，根據(jù)閥門(mén)開(kāi)啟數(shù)量調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率。當(dāng)所有的通風(fēng)柜關(guān)閉時(shí)，風(fēng)機(jī)也停止運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制功能。

3.4 節(jié)能效果討論

如果采用不帶變頻的風(fēng)機(jī)，一般風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，為了能夠在不同數(shù)量噴膠工位工作時(shí)都能滿足需要，一般會(huì)采用噴膠柜上方的閥門(mén)進(jìn)行調(diào)節(jié)通風(fēng)量，這樣會(huì)產(chǎn)生較大的噪音和振動(dòng)，同時(shí)也會(huì)浪費(fèi)大量能源。當(dāng)采用節(jié)能措施時(shí)，風(fēng)機(jī)一天的耗電量可以通過(guò)式（6）進(jìn)行計(jì)算。

式中，采用變頻控制時(shí)一天的耗電量，kWh；為n個(gè)噴膠工位同時(shí)作業(yè)下風(fēng)機(jī)頻率，Hz。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，采用節(jié)能措施后，風(fēng)機(jī)每天運(yùn)行8 h 耗電量為155.3 kWh。如果不采用節(jié)能變頻措施，一天耗電量約為301.8 kWh。系統(tǒng)的耗電設(shè)備包括風(fēng)機(jī)、微波設(shè)備、循環(huán)泵、污水泵等。各耗電設(shè)備耗電占比如圖3所示。依據(jù)文獻(xiàn)[14][15][16]，通過(guò)采用節(jié)能措施，可以節(jié)省大量風(fēng)機(jī)能耗，這樣間接地實(shí)現(xiàn)了二氧化碳的減排，按照1 kWh 減排0.604 kg 二氧化碳進(jìn)行計(jì)算，每年可以減少32.3 噸二氧化碳的排放。

圖3 系統(tǒng)各設(shè)備耗電量占比情況

風(fēng)機(jī)在不進(jìn)行節(jié)能變頻時(shí)，由于噴膠工位作業(yè)數(shù)量的變化，會(huì)損失大量電能。按照每天工作8 h，每千瓦時(shí)電費(fèi)為0.8 元進(jìn)行計(jì)算，采用該節(jié)能控制措施每天可以節(jié)省電費(fèi)117 元，占整個(gè)電耗費(fèi)用的23%。因?yàn)椴捎霉?jié)能措施，通風(fēng)系統(tǒng)增加初投資為37000 元，預(yù)計(jì)運(yùn)行320 天就能夠抵消因采取節(jié)能控制措施而增加的初投資費(fèi)用。如果按照系統(tǒng)運(yùn)行5 年進(jìn)行計(jì)算，在全壽命周期內(nèi)可以節(jié)省運(yùn)營(yíng)費(fèi)用17.6 萬(wàn)元。

4 廢氣治理效果

4.1 排風(fēng)口檢測(cè)

項(xiàng)目嚴(yán)格按照文獻(xiàn)[17]要求進(jìn)行檢測(cè)，煙囪為圓管，高度為15m，管徑為900mm，檢測(cè)口距斜插三通為11m，滿足六倍直徑5.4m 要求。檢測(cè)口距離出口位置為4m，滿足三倍直徑2.7m 要求。檢測(cè)方法為氣相色譜法[18]（HJ 38-2017）。采用儀器為ZCJC-FX-45 GC-2014C型氣相色譜儀。測(cè)得排放口非甲烷總烴濃度為0.82mg/m3，揮發(fā)性有機(jī)物濃度為6.93mg/m3。

4.2 結(jié)果討論

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[19]（GB 16297-1996）中新污染源大氣排放限值的要求，非甲烷總烴允許濃度為120mg/m3測(cè)出值完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。而與更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)相比，如天津市標(biāo)準(zhǔn)[20]（DB 12/524-2014）和上海市標(biāo)準(zhǔn)[21]（DB 31/933-2015），檢出值亦能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，在此不再贅述。

結(jié)語(yǔ)

（1）采用控制風(fēng)速法進(jìn)行廢氣氣量確定，按照控制風(fēng)速0.5m/s，經(jīng)計(jì)算單個(gè)通風(fēng)柜風(fēng)量為5000m3/h。通過(guò)模擬驗(yàn)證，后置抽風(fēng)口更有利于阻止污染氣體外溢，且計(jì)算通風(fēng)量能夠滿足要求。

（2）為了預(yù)先除去毛絮物，在VOCs 被去除前，設(shè)置預(yù)處理設(shè)備和噴淋塔，再通過(guò)微波設(shè)備和活性炭去除VOCs。

（3）根據(jù)噴膠工位的作業(yè)情況，對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)，以達(dá)到節(jié)能目的。經(jīng)計(jì)算每天可以節(jié)省電費(fèi)117元，占整個(gè)電耗費(fèi)用的23%。在通風(fēng)系統(tǒng)壽命周期內(nèi)，預(yù)計(jì)可以節(jié)省運(yùn)營(yíng)費(fèi)用17.6 萬(wàn)元。

（4）按照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)廢氣排放口進(jìn)行檢測(cè)，非甲烷總烴濃度為0.82mg/m3。不僅符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，還符合更為嚴(yán)格的地方標(biāo)準(zhǔn)。