活性炭吸附在涂裝電泳段廢氣處理中的應(yīng)用

王一哲，景勝春，白曉鵬，孫俊杰，劉 杰

（中國汽車工業(yè)工程有限公司，天津 300113）

涂裝車間是汽車整車生產(chǎn)工藝過程中制造“三廢”最關(guān)鍵且數(shù)量最大的環(huán)節(jié)，其中廢氣是其中最重要的部分[1]。在涂料制造過程中產(chǎn)生的全部廢棄物充其量不超過涂料量的3%，揮發(fā)進(jìn)入大氣的溶劑量僅為溶劑總量的0.25%，而在涂裝時(shí)，隨涂料的種類和涂裝方法的不同，散發(fā)的溶劑總量有差異，在噴涂有機(jī)溶劑型涂料的場合，散發(fā)出的揮發(fā)性有機(jī)化合物量占涂料用量的 20%～80%[2]。涂裝廢氣主要來源為處理烘干室的分解物以及噴漆室體的有機(jī)揮發(fā)物，常用的處理方法有活性炭吸附法、直接燃燒法、催化劑氧化分解法以及蓄熱式燃燒法[3-4]，汽車廠一般會根據(jù)實(shí)際的濃度及風(fēng)量選擇一種合適的處理裝置或者幾種的組合。電泳段的廢氣由于其濕度大、濃度低等特點(diǎn)，一般會選擇不經(jīng)過任何處理直接排放。但是隨著國家對環(huán)保要求越來越高，對汽車整車制造業(yè)（涂裝工序）排放的大氣污染物要求也越來越嚴(yán)，如北京市要求廢氣中非甲烷總烴（Non-Methane Hydrocarbon, NMHC）含量≤25 mg/m3，重慶市主城區(qū)對這一數(shù)值的要求為≤30 mg/m3，即使是目前廣泛使用的水性涂料仍無法滿足環(huán)保要求。當(dāng)大氣中的NMHC含量濃度超標(biāo)時(shí)，除直接對人體健康有害外，在一定條件下經(jīng)日光照射還能產(chǎn)生光化學(xué)煙霧，對環(huán)境和人類造成危害[5]。由于之前的忽視或者環(huán)保要求低等原因，電泳段廢氣的處理案例少之又少，亟待解決。本案例首次將改進(jìn)后的活性炭吸附系統(tǒng)應(yīng)用在電泳段廢氣處理上并產(chǎn)生了良好效果。

1 排放超標(biāo)原因分析

1.1 陰極電泳涂料成分

想要解決廢氣排放超標(biāo)的問題，首先要認(rèn)識電泳涂料成分。由于此部分廢氣發(fā)生在烘干前涂料并未發(fā)生分解反應(yīng)，所以廢氣屬性與涂料本身基本一致。

目前廣泛使用的電泳涂料是一種在水性底漆的基礎(chǔ)上開發(fā)的，在水中能離解為帶電荷的水溶性成膜聚合物，在直流電場的作用下泳向被涂面并在其表面上沉積析出。陰極電泳涂料所用的成膜聚合物為陽離子型樹脂，最常用的樹脂有環(huán)氧樹脂和聚氨酯等，在樹脂骨架中含有多數(shù)的胺基，經(jīng)有機(jī)酸，如：甲酸、乙酸、乳酸等，中和至酸堿度（Pondus Hydrogenii, PH）值為5.5～6.5[6]。電泳涂料在不斷攪拌的過程中，會揮發(fā)出大量溶劑，如：醇、酮、乙二醇醚等，隨排風(fēng)系統(tǒng)直接排放到大氣中，所以需重點(diǎn)關(guān)注當(dāng)?shù)氐腘MHC排放要求。隨著環(huán)保要求越來越嚴(yán)格，各大涂料廠商也在積極的開發(fā)新型環(huán)保型、低污染、毒性小的產(chǎn)品來滿足國家和市場要求。例如：各種無鉛、低揮發(fā)性有機(jī)物（Volatile Organic Compounds,VOC）陰極電泳涂料相繼被開發(fā)并應(yīng)用，這些新涂料顯著地減輕了涂裝車間的火災(zāi)危險(xiǎn)性和涂裝公害。

1.2 噴淋水霧

常規(guī)的電泳生產(chǎn)線工藝流程如圖1所示，按工件運(yùn)行方向順序?yàn)闇?zhǔn)備段→電泳→UF1→UF2→UF3→水洗→防塵段，超濾清洗方式一般選擇為UF1噴淋、UF2浸洗及UF3噴淋。

圖1 電泳工藝簡圖

電泳系統(tǒng)一般包含送排風(fēng)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、漆料回收系統(tǒng)、加電系統(tǒng)、極液系統(tǒng)等。其中送排風(fēng)系統(tǒng)包含電泳送排風(fēng)、超濾水洗段排風(fēng)及后防塵送風(fēng)，部分車間還設(shè)置有準(zhǔn)備段送排風(fēng)。對以上排放點(diǎn)進(jìn)行測量發(fā)現(xiàn)，除超濾水洗段廢氣超標(biāo)外，其余排放口廢氣濃度均達(dá)標(biāo)。對測量點(diǎn)所處的環(huán)境進(jìn)行分析，超濾水洗段廢氣排放口設(shè)置在UF1與UF2之間，正好處于噴淋區(qū)，噴淋過程中會產(chǎn)生大量水霧，水霧中夾帶有機(jī)溶劑隨廢氣一起排放造成濃度超標(biāo)。而在電泳排風(fēng)段廢氣濃度較低的原因是雖然涂料在不斷揮發(fā)，但此區(qū)域基本沒有水霧并且有新風(fēng)不斷送入室體內(nèi)部。因此，噴淋水霧是造成電泳廢氣濃度超標(biāo)的重要原因之一。

1.3 產(chǎn)能

對不同涂裝生產(chǎn)車間的超濾水洗段廢氣進(jìn)行取樣分析，結(jié)果如表1所示。

表1 不同生產(chǎn)車間超濾水洗段廢氣NMHC濃度

雖然各生產(chǎn)車間的電泳涂料不盡相同，排放濃度由于涂料本身屬性也略有差異，但對結(jié)果分析仍具有指導(dǎo)意義。結(jié)果顯示，產(chǎn)能對廢氣排放濃度影響較大，排放濃度隨產(chǎn)能提升而顯著增加，所以新建的高節(jié)拍生產(chǎn)線在設(shè)計(jì)初期，就需考慮設(shè)置電泳廢氣處理裝置。生產(chǎn)過程中，為了保證車身的清洗效果，產(chǎn)能高的項(xiàng)目，輸送設(shè)備的鏈速以及噴嘴數(shù)量增加。噴淋量增加導(dǎo)致危害物揮發(fā)量增加，從而產(chǎn)生的更多的水霧。

2 電泳廢氣處理系統(tǒng)

在選擇廢氣處理裝置時(shí)，最主要的是參考操作條件，如：廢氣濃度、溫度、壓力、實(shí)際流速、風(fēng)量等指標(biāo)。而活性炭作為低溫、低濃度有機(jī)廢氣處理裝置，應(yīng)用在電泳廢氣處理上優(yōu)勢十分明顯。

2.1 活性炭吸附裝置

由于活性炭對廢氣的濕度及清潔度有一定要求，在傳統(tǒng)處理裝置的基礎(chǔ)上增加了除濕區(qū)及除塵區(qū)，如圖2所示。

圖2 活性炭吸附裝置

1）第一區(qū)域?yàn)槌凉駞^(qū)，裝有G4除濕濾袋。除濕濾袋由抗斷性的合成有機(jī)纖維經(jīng)過熱粘和制成的無紡布構(gòu)成，采用漸進(jìn)式結(jié)構(gòu)。過濾器抗?jié)裥阅芸蛇_(dá) 100%相對濕度，能有效保護(hù)下游過濾段。

2）第二區(qū)域?yàn)槌龎m區(qū)，裝有F7中效過濾器，通過多孔的過濾介質(zhì)分離捕捉氣體中的固體、液體粒子。含塵氣體進(jìn)入過濾器，濾塵黏附在濾料的迎風(fēng)面，從背風(fēng)面逸出的氣體進(jìn)入下一道工序。通過除塵工藝可以降低活性炭更換周期，減少運(yùn)行費(fèi)用。

3）第三區(qū)域?yàn)槲絽^(qū)，由防水性活性炭裝填而成，是整個(gè)裝置吸附濃縮環(huán)節(jié)的主要部件及核心工序。其吸附原理：在用多孔性固體物質(zhì)處理流體混合物時(shí)，流體中的某以組分或某些組分可被吸引到固體表面并濃集保持其上，此現(xiàn)象稱為吸附[7]。在進(jìn)行氣態(tài)污染物治理中，被處理的流體為氣體，因此，屬于氣-固吸附。被吸附的氣體組分稱為吸附質(zhì)，多孔固體物質(zhì)稱為吸附劑?；钚蕴窟x用以優(yōu)質(zhì)無煙煤作為原料、外形蜂窩狀，其主要特點(diǎn)有強(qiáng)度高、吸附速度快、吸附容量高、比表面積較大、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、孔隙大小介于椰殼活性炭和木質(zhì)活性炭之間。

除以上三個(gè)重要工序外，處理裝置還配有其它一些附屬設(shè)備。在通道側(cè)，設(shè)有多個(gè)檢修門，進(jìn)行濾袋和活性炭的更換。除濕區(qū)和除塵區(qū)的背側(cè)開有排水口，以免積水過多影響濾袋使用效果。吸附區(qū)的相對濕度已經(jīng)很低，不再設(shè)排水口。每道工序前后都設(shè)有壓差計(jì)，用來檢測濾袋及活性炭的使用情況。

活性炭的更換周期計(jì)算公式為

式中，T為更換周期，天；m為活性炭用量，kg；s為動態(tài)吸附量；c為活性炭消減的VOCs濃度，mg/m3；Q為風(fēng)量，m3/h；t為運(yùn)行時(shí)間，h/天。

由式（1）可知，活性炭的使用壽命與裝填量、濃度削減量息息相關(guān)。以本案例為例：更換周期設(shè)定為1個(gè)月，初始排放物濃度為 35 mg/m3，削減量取20 mg/m3，風(fēng)量為12 500 m3/h，動態(tài)吸附量取 10%，對于高碘值活性炭此項(xiàng)數(shù)據(jù)會更高，運(yùn)行時(shí)間按雙班制每天工作16 h計(jì)算，由以上數(shù)據(jù)可得活性炭用量為1 000 kg，約為2.3 m3。當(dāng)然裝填量越大活性炭的使用壽命越長，更換周期也越短，所以必須在設(shè)計(jì)時(shí)，將人工成本、環(huán)保要求等納入考慮范圍，才能實(shí)現(xiàn)社會效益和經(jīng)濟(jì)效益雙贏。

2.2 消水器

為了減少除濕濾袋的更換周期，在活性炭處理裝置之前設(shè)置消水器，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 消水器結(jié)構(gòu)圖

消水器工作原理：當(dāng)夾帶水滴的廢氣在相鄰兩擋水板的通道內(nèi)曲折前進(jìn)時(shí)，由于慣性作用，水滴與擋水板相碰撞后粘附在其表面上并形成水膜，沿板面流到下部的集水池并通過排放口排出[8]。但是無論采用任何形式的擋水板，仍有一些直徑較小的小水滴通過擋水板隨著廢氣穿過下一道工序，所以在活性炭處理裝置中設(shè)置除濕濾袋顯得尤為重要。

最終形成的廢氣處理系統(tǒng)流程：廢氣→消水器→除濕濾袋→除塵濾袋→活性炭→排風(fēng)機(jī)→達(dá)標(biāo)排放到大氣。

3 處理效果

對已經(jīng)完成改造的30 JPH涂裝車間電泳段廢氣排放路徑的不同位置點(diǎn)進(jìn)行取樣分析，如表2所示，可得如下結(jié)論：

表2 取樣數(shù)據(jù)

1）經(jīng)過消水器處理后的有機(jī)廢氣濃度略微下降，主要原因是廢氣中的水滴在消水器中析出，帶出一部分有機(jī)物，但數(shù)據(jù)顯示消水器基本不具備廢氣處理能力，主要作用是降低濕度，減少廢氣中的液滴。

2）經(jīng)過活性炭吸附裝置處理后的廢氣排放濃度顯著降低，達(dá)到排放要求，可見活性炭作為電泳段廢氣處理方案可靠有效。

3）對于廢氣濃度消減量較高的生產(chǎn)線，為了保證處理效果必須有足夠的裝填量，這樣首次投入的設(shè)備成本及場地、后期維保成本及更換活性炭的人工成本會相應(yīng)增加，活性炭吸附仍是有效的處理方式之一，但也可選擇將風(fēng)管延長至車間的廢氣處理設(shè)備進(jìn)行處理。

4 結(jié)語

對涂裝廢氣，應(yīng)根據(jù)廢氣特點(diǎn)，綜合考慮生產(chǎn)節(jié)拍、建設(shè)成本、場地大小等因素，選擇合理的環(huán)保處理方案，既保證生產(chǎn)和環(huán)保要求，同時(shí)也使投資更為適宜合理。