大型除塵設備制造中涂裝廢氣收集與凈化系統(tǒng)的設計及應用

文_孫立 柴志龍 張培良 潔華控股股份有限公司

本文以某大型袋式除塵設備噴涂車間為對象，針對噴涂有機廢氣收集難度大，廢氣顆粒物含量高，有機物濃度低但波動較大，成分復雜等問題，設計了有機廢氣收集和凈化系統(tǒng)，解決了生產中環(huán)保的問題，也可為同類項目提供參考借鑒。

1 廢氣收集系統(tǒng)的設計

本項目噴漆車間長76m，寬24m，高12m，調漆、噴涂和晾干三個生產工藝都在此區(qū)域內完成，產生的廢氣由車間內布設的通風管網收集至凈化裝置。原有廢氣收集系統(tǒng)存在的主要問題：①收集風量已達120000m3/h，但由于噴漆車間體積過大，每小時換氣次數(shù)僅有5.5次。②由于行車的移動需求，車間原頂棚高達12m且未做到完全密封，存在廢氣從車間頂部換氣扇向外逃逸的情況。③系統(tǒng)風量偏大，導致后續(xù)凈化設備的占地、造價和運行費用均過高。

本次設計主要思路是在不影響噴涂生產操作的前提下，減少噴涂車間的空間體積，在合理的換氣次數(shù)條件下降低系統(tǒng)風量。由于工件尺寸的原因，車間平面占地面積不好調整，因此設計了伸縮式移動頂棚，如圖1所示。頂棚標高3.5m，采用輕質骨架和PVC薄膜，由電動機控制移動伸縮，在兩端設計有PVC材質的掛簾。工件進出仍由屋頂行車操作，打開掛簾，伸縮屋頂即可實現(xiàn)。這樣噴漆區(qū)域的體積變?yōu)殚L76m，寬24m，高3.5m的獨立區(qū)域。根據噴涂車間整體密閉換風每小時換氣不少于8次的基本要求，收集系統(tǒng)的風量減小至60000m3/h，實際換氣次數(shù)為9.4次/h，噴涂廢氣的收集率不低于90%。

圖1 伸縮式移動頂棚

2 廢氣凈化系統(tǒng)的設計

2.1 流程簡介

本項目有機廢氣屬于常溫、大風量、低濃度類型，噴涂作業(yè)時廢氣中存在大量揮發(fā)性有機物和漆霧顆粒，晾干時主要以低濃度的揮發(fā)性有機物為主。廢氣治理目標是達到《工業(yè)涂裝工序大氣污染物排放標準》（DB33/2146-2018）的要求，主要特征污染物非甲烷總烴（NMHC）≤60mg/m3。本項目設計干式過濾預除塵+蜂窩活性炭吸附+蓄熱式催化氧化燃燒（RCO）凈化處理工藝，詳見圖2所示，設備參數(shù)詳見表1。

圖2 凈化工藝流程圖

表1 主要設備清單

2.2 主要設備設計

2.2.1 干式過濾預除塵模塊

噴涂廢氣中含有漆霧、粉塵及粘性物質，需在廢氣進入活性炭吸附床前去除。由于業(yè)主沒有工業(yè)廢水的排放指標，本項目設計干式過濾器，采用G4級初效過濾器+F7級中效袋式過濾器兩級精密過濾方式，可實現(xiàn)對1～3μm的顆粒塵埃捕集。F7級中效袋式過濾器的產品參數(shù)顯示，在過濾器截面風速小于0.4 m/s時都可取得理想的效果。從降低系統(tǒng)運行阻力節(jié)約能耗和減少換袋維護次數(shù)的角度出發(fā)，過濾器截面風速設計為0.14m/s。當設備運行阻力對比新裝上升達到800Pa時，需更換過濾介質。

2.2.2 活性炭吸脫附模塊

利用活性炭的吸附特性把低濃度大風量廢氣中的有機物吸附到活性炭中，凈化后的廢氣直接排放。隨著運行時間的推移，活性炭吸附能力漸趨飽和，需要對活性炭進行解吸脫附。本項目活性炭吸附床共6箱，工作時5個炭箱處于吸附狀態(tài)，1個炭箱處于解吸脫附狀態(tài)，各炭箱逐一脫附連續(xù)運行。

本項目選用防水型蜂窩活性炭，單塊尺寸為100mm（長）×100mm（寬）×100mm（高），碘吸附值為800mg/g，孔數(shù)為150目，堆積密度為0.5t/m3。吸附劑的用量根據廢氣處理量、污染物濃度和吸附劑的動態(tài)吸附量確定，采用蜂窩活性炭時，氣體流速宜低于1.2m/s。本項目設計時考慮工程可靠性，每個炭箱安裝活性炭5.6m3，共裝填活性炭33.6m3，實際運行時處于吸附狀態(tài)的活性炭為28m3，炭箱中氣體流速為0.5m/s。

本項目脫附所需的高溫氣體工質來源于催化燃燒爐。研究表明，對處理噴涂廢氣的活性炭，控制脫附溫度在90～140℃之間，脫附時間6h以上時都可取得良好的解吸效果，區(qū)別在于高溫時脫附時間短，脫附后氣流中有機物的峰值濃度高。在保證廢氣排放穩(wěn)定達標和脫附后氣流中有機物濃度小于其爆炸下限25%的條件下，本項目設計脫附溫度為90℃，脫附時長為8h，之后冷卻2～4h，完成后炭箱溫度降低至45℃以下。

2.2.3 蓄熱式催化燃燒（RCO）爐

催化燃燒法是利用催化劑作用使有機物能在較低的溫度（250～350℃），快速（0.1～0.2s）氧化轉化為無毒的H2O和CO2。本項目焚燒爐中裝填有陶瓷蓄熱體，當廢氣中有機廢氣濃度達到1000mg/m3以上時，通過分解放熱效應，有機廢氣在催化床可維持反應溫度，不用額外加熱。一般須先啟動輔助電加熱器，約2h后可達到熱平衡，關閉輔助電加熱裝置，系統(tǒng)靠廢氣中的有機溶劑做燃料維持運轉。燃燒后的尾氣一部份通過煙囪排出，大部份送往炭箱，用于活性炭的脫附再生。

本項目RCO爐為三箱式結構，設計處理能力為10000m3/h，工藝流程詳見圖3。運行時通過閥門啟閉保持兩箱處于工作狀態(tài)，一箱處于清洗狀態(tài)，循環(huán)交替。催化風機為變頻控制，可根據實際脫附需要和系統(tǒng)熱平衡來調節(jié)運行風量。催化燃燒裝置的設計空速宜大于10000h-1，但不應高于40000h-1。本項目三個燃燒室共裝填1.2m3蜂窩式鉑基貴金屬催化劑，處于運行狀態(tài)的催化劑為0.8m3，設計空速為12500h-1。催化劑的Pt含量為500g/m3，孔數(shù)為200目。燃燒室共裝填陶瓷蓄熱材料6m3，設置管式輔助電加熱器72kW。

圖3 三箱式蓄熱式催化燃燒爐流程圖

2.3 控制系統(tǒng)和安全措施

系統(tǒng)采用PLC控制，由觸摸屏操控和展示運行狀態(tài)。整個系統(tǒng)24h連續(xù)自動化運行，無需人工操作。由于存在燃燒系統(tǒng)和火災風險，一般安排4h一次的人工巡檢，檢查系統(tǒng)是否處于正常運行的狀態(tài)和處理報警及故障信息。同時，本項目配有遠程運維系統(tǒng)，主要報警信息（如超溫和排放超標）可自動推送給設備運維人員。

系統(tǒng)的主要安全措施設置如下：

①活性炭箱的主要風險來自于脫附工況時的異常升溫，為保證安全，防范火災，設定炭箱二級超溫報警及處置機制。當炭箱溫度超過120℃時，系統(tǒng)發(fā)出聲光警報，關閉該箱體的脫附進風閥，開啟系統(tǒng)中的冷卻風機和該箱體的冷卻進風閥，使箱體從脫附工況切換為冷卻工況。如炭箱溫度超過160℃時，該箱體安裝的噴淋閥會自動打開，使用來自廠區(qū)消防管網的水對活性炭直接噴淋冷卻。

②蓄熱式催化燃燒（RCO）爐的主要風險來自于催化燃燒過程中的異常高溫，由于從炭箱中解析出的有機廢氣濃度存在前高后低的波動，燃燒溫度在一個脫附周期中也呈現(xiàn)快速升高見頂后緩慢回落的趨勢，如圖4所示。為防止火災隱患和催化劑的燒損，設定燃燒系統(tǒng)二級超溫報警及處置機制。當爐溫超過450℃時，系統(tǒng)啟動聲光警報，開啟進氣稀釋閥，降低進入燃燒系統(tǒng)的有機物濃度。如爐溫升高超過600℃時，開啟旁通閥，使燃燒爐從系統(tǒng)中短路出來。同時為避免極端爆燃事故的損害，在RCO爐體和進出風管上安裝有泄爆閥和阻火器。

圖4 催化燃燒溫度隨脫附時間變化曲線

3 調試與運行

3.1 處理效果

本項目經過168h試運行后，由第三方監(jiān)測機構進行了測試。檢測報告顯示系統(tǒng)入口NMHC濃度為605mg/m3，排放口NMHC濃度為40.5mg/m3，有機物整體去處效率大于90%，污染物排放值達到并優(yōu)于《工業(yè)涂裝工序大氣污染物排放標準》（DB33/2146-2018）的要求。

3.2 試運行問題及處理

活性炭炭箱吸附工況非正常升溫，吸附效率下降。經反復觀察，明確是由于切換閥門密閉不嚴產生漏風所致。由于閥門質量及施工安裝原因，運行中會出現(xiàn)個別閥門雖然執(zhí)行器反饋正常，但實際閥門存在泄露。當某個活性炭箱處于脫附工況時，如該箱的吸附進氣閥門沒有關閉到位，會使高溫的脫附廢氣通過該閥門泄露至其它處于吸附狀態(tài)的活性炭箱中，引起其他吸附炭箱運行溫度上升，降低吸附效率進而引起排放超標。此問題后續(xù)通過對閥門逐一檢查調整后解決。

催化爐運行超溫。這種情況主要發(fā)生在距離催化爐位置較近的2只炭箱上，雖然系統(tǒng)會自動打開稀釋閥降低爐溫，但超溫頻繁發(fā)生需處理。距離催化爐近的活性炭箱由于管路短，熱量損失小，在系統(tǒng)催化運行參數(shù)統(tǒng)一設置的條件下，其脫附工況活性炭升溫速度相對更快，短時間內有機物釋放濃度高。后期通過在控制系統(tǒng)中對遠、近不同活性炭箱的催化風機頻率進行單獨設置的方式解決了此問題。

4 結語

針對大型除塵設備生產制造中，工件尺寸大造型多樣帶來的噴涂廢氣收集難題，設計了電動伸縮式薄膜屋頂，對所收集到的噴涂廢氣凈化采用了干式過濾除塵-活性炭吸附-蓄熱式催化燃燒法凈化處理工藝，有機廢氣的收集率和凈化效果都可達到環(huán)保要求，同時減少了系統(tǒng)處理風量；節(jié)約了運行費用。本項目的成功實施為同類大型非標件加工制造企業(yè)有機廢氣處理系統(tǒng)設計提供了可以借鑒的思路和措施。