船舶外場噴涂移動(dòng)式VOCs吸附收集裝置方案研究

＊戴健 王月 孫有君 陳浩 欒詠梅

（1.招商局重工（深圳）有限公司 廣東 518067 2.大連船舶重工集團(tuán)有限公司 遼寧 116006）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國工業(yè)涂裝市場發(fā)展迅猛，使得我國環(huán)境空氣質(zhì)量面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，大氣中的揮發(fā)性有機(jī)物（Volatile Organic Compounds，VOCs）作為一種關(guān)鍵的前體物有著十分重要的作用，VOCs與氮氧化物在光照條件下通過光化學(xué)反應(yīng)生成O3從而形成光化學(xué)煙霧污染[1-2]。

涂裝過程中使用大量的涂料、稀釋劑、清洗劑和膠粘劑等有機(jī)溶劑，排放出大量的有機(jī)廢氣，使之成為VOCs的主要排放來源傳播之一[3-4]。

1.船舶涂裝現(xiàn)狀

船舶涂裝不同于其他行業(yè)的涂裝，其具備船舶分段大，處理風(fēng)量大，有機(jī)廢氣濃度低，涂裝區(qū)域分散等特點(diǎn)[5]。

船舶涂裝目前主要分為兩種方式，一種是船舶制造過程中在涂裝房內(nèi)進(jìn)行涂裝作業(yè)，有專門的有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)對(duì)VOCs氣體進(jìn)行處理后排放進(jìn)大氣，屬于“有組織”排放。一種是對(duì)船舶維修時(shí)在船塢、船臺(tái)等外場進(jìn)行涂裝作業(yè)，其產(chǎn)生的有機(jī)廢氣直接排放到大氣中，屬于“無組織”排放。而對(duì)其有機(jī)廢氣的處理也基本處于空白階段。

2020年全球新建船舶所用的船舶涂料市場份額占比46%，修繕船涂料市場占比54%。近幾年，由于全球宏觀經(jīng)濟(jì)下行、新船訂單需求萎縮等因素導(dǎo)致新建船舶涂料市場下降，而修繕船涂料市場發(fā)展較快。因此對(duì)“無組織”排放的有機(jī)廢氣進(jìn)行處理已經(jīng)刻不容緩。

2.無組織排放收集方案

(1)方案設(shè)想

無組織排放的有機(jī)廢氣處理難度較大，那么可以通過一些手段將無組織排放變?yōu)橛薪M織或類有組織排放，再將收集到的有機(jī)廢氣進(jìn)行處理即可。

根據(jù)船舶外場噴涂露天涂裝作業(yè)無組織排放現(xiàn)狀，需進(jìn)行露天涂裝作業(yè)VOCs收集與處理，露天作業(yè)主要的噴漆移動(dòng)設(shè)施為高空作業(yè)車，故設(shè)計(jì)時(shí)可以將收集系統(tǒng)安裝在高空作業(yè)車平臺(tái)上，通過柔性管路連接吸附與處理系統(tǒng)進(jìn)行VOCs的收集與處理[6-8]。

(2)工作原理

直接通過底部進(jìn)行廢氣的采集和實(shí)時(shí)漆霧的收集，集氣罩面部及以上區(qū)域使用玻璃板密封并在頂部安裝風(fēng)幕機(jī)，風(fēng)幕機(jī)豎直向下吹風(fēng)，將噴涂區(qū)域與操作區(qū)域進(jìn)行隔離，除了能防止油漆漆霧飛濺到操作者身上與臉部，減少了漆霧對(duì)身體傷害，同時(shí)也防止風(fēng)幕對(duì)噴漆造成干擾，影響涂裝的質(zhì)量。整個(gè)集氣罩利用上下電動(dòng)氣缸進(jìn)行伸縮，方便進(jìn)行實(shí)際噴漆和位置移動(dòng)操作，機(jī)動(dòng)性更強(qiáng)，通過四個(gè)氣缸伸縮調(diào)節(jié)，在一定程度上可以適當(dāng)偏移一定角度，盡最大可能性正對(duì)和貼近噴漆表面，增加了集氣的效率，整體除必要的框架外，全部使用透明材料，保證施工過程中光線與亮度，方便噴漆過程中的質(zhì)量監(jiān)測(cè)。

為保證施工的便捷性，優(yōu)先預(yù)設(shè)一個(gè)整體平移按鈕和四個(gè)自動(dòng)微調(diào)按鈕，保證了使用過程中集氣罩操作的施工效率。

表1 集氣罩參數(shù)

圖1 集氣罩

(3)仿真模擬

在實(shí)際噴漆收集過程，噴漆運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，噴漆過程涉及射流，破裂以及碰撞模型，噴漆到噴漆表面過程屬于反彈粘附模型，整個(gè)油漆與船體進(jìn)行噴射粘附后反彈，并被底部的吸附風(fēng)口吸入移動(dòng)式VOCs吸附處理裝置，因整個(gè)收集流體運(yùn)動(dòng)模型比較復(fù)雜，為了精確進(jìn)行收集率計(jì)算，使用有限元分析軟件Fluent進(jìn)行建模分析模擬。

仿真采用高壓無氣噴槍進(jìn)行噴漆，噴槍距離噴漆表面距離為300mm，出口壓力為15MPa，噴涂流量為1.4L/min，噴射后的實(shí)際粘附后的反彈流量系數(shù)為0.45，風(fēng)量10000m3/h。根據(jù)有限元分析模擬油漆噴涂反彈后在空氣負(fù)壓的流動(dòng)路徑，其中大部分顆粒聚集在吸附口的下端，模擬計(jì)算漆霧收集效率大約為58%。

3.廢氣處理方案

(1)方案設(shè)想

根據(jù)船舶外場噴涂作業(yè)的現(xiàn)狀，需要進(jìn)行處理的有機(jī)廢氣處理設(shè)備需要具備可移動(dòng)性，可耐候性，高安全性和操作簡便等特點(diǎn)，因此可采用移動(dòng)式的活性炭吸附+高溫脫附/催化燃燒方式的一體機(jī)設(shè)備對(duì)有機(jī)廢氣進(jìn)行處理。

(2)工作原理

采用活性炭吸附+高溫脫附/催化燃燒系統(tǒng)操作原理是先集中收集廢氣處理過程產(chǎn)生的VOCs，待PLC系統(tǒng)提出飽和警告時(shí)，將移動(dòng)式收集裝置拖到脫附中心進(jìn)行集中脫附和催化燃燒[9]，整體裝置參數(shù)如下表：

表2 活性炭吸附裝置參數(shù)表

圖2 移動(dòng)式VOCs處理裝置工作示意圖

主要考慮高空作業(yè)車與移動(dòng)式VOCs處理裝置進(jìn)行搭配使用，在工作過程VOCs吸附裝置臨時(shí)放置在平板車上，噴漆過程中，高空作業(yè)車攜帶集氣罩帶著柔性管路進(jìn)行移動(dòng)實(shí)時(shí)吸附噴漆過程中產(chǎn)生的VOCs，集氣方式采取局部采集方式，柔性管路長度可伸縮，一般每次噴漆只需要移動(dòng)一次VOCs處理裝置，實(shí)現(xiàn)噴漆同步吸附噴漆所產(chǎn)生的VOCs，采集完成后，利用牽引車將吸附裝置移到脫附中心利用脫附裝置進(jìn)行集中脫附和排放。

圖3 活性炭吸附+高溫脫附/催化燃燒原理與工藝說明流程圖

①吸附模塊介紹。吸附模塊包含二級(jí)過濾器與蜂窩活性炭吸附系統(tǒng)，油漆漆霧預(yù)先經(jīng)過二級(jí)過濾系統(tǒng)，將顆粒濃度降低至活性炭處理濃度，經(jīng)過二級(jí)過濾裝置以后，通過吸附閥門進(jìn)入蜂窩活性炭吸附裝置，活性炭采用兩層蜂窩活性炭進(jìn)行吸附，有機(jī)廢氣處理機(jī)組分別在設(shè)備進(jìn)、出口處配置兩臺(tái)PID濃度檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)設(shè)備的進(jìn)口和出口的有機(jī)廢氣濃度，并通過檢測(cè)的濃度數(shù)據(jù)經(jīng)過PLC軟件計(jì)算吸附箱體內(nèi)蜂窩活性炭吸附程度，在每個(gè)吸附箱體內(nèi)配置溫度傳感器對(duì)箱體內(nèi)的溫度進(jìn)行監(jiān)控和CO2消防裝置，用于預(yù)防可能的蜂窩活性炭著火的情況，確保設(shè)備安全穩(wěn)定。

圖4 吸附模塊

②二級(jí)過濾裝置。主風(fēng)機(jī)將集氣罩的有機(jī)廢氣引入一級(jí)、二級(jí)干式漆霧過濾裝置，殘留的漆霧、粉塵和有機(jī)廢氣在穿過兩級(jí)干式漆霧過濾裝置時(shí)，其中固體顆粒物被過濾裝置中的中高效無紡布過濾干凈。當(dāng)漆霧棉吸附固體顆粒物達(dá)到飽和時(shí)，通過干式漆霧過濾裝置的壓差計(jì)顯示內(nèi)外差壓，便可知曉漆霧過濾棉是否需要更換。

③蜂窩活性炭吸附。經(jīng)過兩級(jí)干式漆霧過濾裝置濾清顆粒物后的有機(jī)廢氣進(jìn)入裝有蜂窩活性炭的吸附濃縮裝置中，利用高比表面積活性炭的微孔吸附能力來吸附廢氣中的有害苯系物（苯、甲苯、二甲苯）及其他烴類、酮類等有機(jī)廢氣，實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢氣與空氣分離，吸附凈化后的潔凈空氣經(jīng)排氣筒高空排入大氣。蜂窩活性炭吸附到一定程度后，其吸附性能便會(huì)降低，在此狀態(tài)下的狀態(tài)稱為吸附飽和，蜂窩活性炭吸附效率≥95%。

綜上所述，移動(dòng)式VOCs吸附處理效率≥95%。

④脫附+催化燃燒模塊介紹。裝置分吸附和脫附兩個(gè)模塊，全部采用模塊化設(shè)計(jì)，在實(shí)際使用過程中實(shí)現(xiàn)簡單管路連接后就可以直接使用，采用一體式設(shè)計(jì)，運(yùn)輸使用方便，脫附裝置是一套完整的脫附與催化燃燒系統(tǒng)，主要包含一級(jí)換熱器，二級(jí)換熱加熱器以及催化燃燒裝置，集中將吸附裝置活性炭中的VOCs進(jìn)行脫附和催化然后處理，最終完成脫附和達(dá)標(biāo)排放。

脫附時(shí)，關(guān)閉上下二個(gè)進(jìn)出閥門，由加熱器、脫附風(fēng)機(jī)及脫附床形成一個(gè)小循環(huán)，進(jìn)行循環(huán)加熱，加熱到120℃時(shí)，有機(jī)物已經(jīng)進(jìn)行脫附。關(guān)閉小循環(huán)，打開新空氣閥，將廢氣送入催化燃燒室，進(jìn)行繼續(xù)加熱，使氣體加熱到250～300℃催化燃燒，催化燃燒后的氣體進(jìn)入煙囪排放。

為了節(jié)省能源，利用催化燃燒后的熱量，在催化燃燒室部分，設(shè)置熱管熱交換器，使新風(fēng)進(jìn)入時(shí)，先經(jīng)過熱交換器預(yù)熱，作為脫附氣體，此時(shí)電加熱器可以不用或減少功率。提高熱能利用率，減少加熱電能。

⑤熱空氣脫附。蜂窩活性炭吸附飽和后需對(duì)其進(jìn)行脫附再生，使其重新恢復(fù)吸附功能，本裝置采用熱空氣脫附，并在裝置內(nèi)配備催化燃燒裝置和換熱加熱裝置。

當(dāng)蜂窩活性炭將要接近吸附飽和狀態(tài)時(shí)，啟動(dòng)脫附風(fēng)機(jī)與電加熱器，對(duì)其中一個(gè)吸附單元進(jìn)行預(yù)加熱，將該吸附單元中的蜂窩活性炭加熱到脫附溫度（120～150℃）；預(yù)熱結(jié)束后開始循環(huán)脫附流程。潔凈脫附新風(fēng)經(jīng)過二級(jí)換熱加熱裝置后達(dá)到脫附溫度進(jìn)入吸附箱，通過均勻送風(fēng)管道均勻地提升蜂窩活性炭床層溫度，活性炭吸附能力隨溫度升高而大幅下降，同時(shí)有機(jī)溶劑分子受熱獲取能量后增強(qiáng)分子熱運(yùn)動(dòng)，當(dāng)床層溫度達(dá)到某類溶劑沸點(diǎn)時(shí)，有機(jī)溶劑分子脫離活性炭微孔吸附力束縛進(jìn)入潔凈脫附空氣流中。大量的有機(jī)溶劑分子脫離吸附介質(zhì)進(jìn)入潔凈脫附空氣，使?jié)崈裘摳娇諝獬蔀樾★L(fēng)量高濃度的有機(jī)廢氣，該濃縮脫附廢氣通過脫附風(fēng)機(jī)送入到催化燃燒裝置內(nèi)進(jìn)行催化[10-11]。

⑥催化燃燒。催化前啟動(dòng)催化燃燒裝置的電加熱器及熱循環(huán)風(fēng)機(jī)，使催化劑加熱達(dá)到催化工作溫度（250～300℃）后停止預(yù)熱流程；濃縮脫附廢氣經(jīng)過一級(jí)換熱裝置進(jìn)行一次升溫，再進(jìn)入催化燃燒裝置中的電加熱器進(jìn)行二次升溫，將其溫度控制在催化氧化反應(yīng)溫度區(qū)間，在鉑、鈀貴金屬催化劑作用下氧化反應(yīng)活化能大幅降低，有機(jī)溶劑分子被氧化分解為二氧化碳與水蒸汽，此過程稱為無焰催化氧化燃燒；氧化凈化后的熱空氣進(jìn)入一級(jí)換熱裝置中對(duì)脫附濃縮廢氣進(jìn)行一次預(yù)熱，再進(jìn)入二級(jí)換熱加熱裝置中對(duì)脫附新風(fēng)進(jìn)行一次預(yù)熱，充分回收催化氧化反應(yīng)熱能后排入吸附箱廢氣進(jìn)氣總管，使其未能完全反應(yīng)的有機(jī)物再次被吸附凈化。

⑦濃度及溫度控制。在有機(jī)廢氣處理機(jī)組內(nèi)安裝多套溫度傳感器，時(shí)刻掌握各個(gè)脫附單元的進(jìn)、出溫度及催化燃燒的進(jìn)、出口溫度來監(jiān)測(cè)整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行狀況。保證整套機(jī)組達(dá)到的脫附和催化燃燒過程的溫度要求。

⑧安全控制。通過在有機(jī)廢氣設(shè)備機(jī)組內(nèi)氣動(dòng)閥門的感應(yīng)開關(guān)來閥門的切換是否到位，保證預(yù)熱、脫附燃燒過程正常運(yùn)行，機(jī)組配置一臺(tái)可燃?xì)怏w報(bào)警裝置，安裝于二級(jí)換熱加熱裝置循環(huán)風(fēng)部位，檢測(cè)對(duì)吸附箱體預(yù)加熱脫附時(shí)的VOC體積分?jǐn)?shù)，檢測(cè)值為體積爆炸極限的下限的0%～100%，體積分?jǐn)?shù)超過爆炸下限值25%后報(bào)警，此時(shí)打開進(jìn)風(fēng)管新風(fēng)閥，提早進(jìn)行脫附，在催化燃燒裝置內(nèi)配置溫度傳感器，當(dāng)內(nèi)部溫度到達(dá)600℃時(shí)，關(guān)閉電加熱器，并打開閥門，將裝置內(nèi)的廢氣經(jīng)過排氣筒直接排入大氣。

圖5 有機(jī)廢氣設(shè)備機(jī)組

4.實(shí)際應(yīng)用

根據(jù)上述的各個(gè)系統(tǒng)效率情況，參數(shù)如下：

表3 各個(gè)系統(tǒng)效率參數(shù)表

考慮到在實(shí)際進(jìn)行涂裝作業(yè)時(shí)，廢氣的收集和處理會(huì)受到風(fēng)力、風(fēng)向、光照、溫度、濕度和作業(yè)強(qiáng)度等各種因素的影響，因此設(shè)備的整體效率會(huì)根據(jù)作業(yè)的工況不同而有所變化，因此還需進(jìn)行進(jìn)一步深度化的研究。