船舶外場(chǎng)涂裝局部集氣罩設(shè)計(jì)

王 月, 戴 健, 孫有君, 呂金綱, 張 超

(1.招商局重工(深圳)有限公司，廣東 深圳 518067；2.大連船舶重工集團(tuán)有限公司，遼寧 大連 116011)

0 引 言

船舶行業(yè)在船體或海上設(shè)備建造過(guò)程中需要經(jīng)歷外場(chǎng)舾裝、船臺(tái)合龍和塢內(nèi)美化等噴涂油漆的施工作業(yè)。在船舶或海洋工程裝備進(jìn)行外場(chǎng)噴涂油漆作業(yè)時(shí)，涂料、稀釋劑和清洗劑等有機(jī)溶劑含有的揮發(fā)性有機(jī)物(Volatile Organic Compounds，VOCs)會(huì)直接揮發(fā)至空氣中，成為船舶外場(chǎng)涂裝作業(yè)流程VOCs排放的主要源頭。近年來(lái)，國(guó)家和地方標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)發(fā)布，包括但不限于《船舶工業(yè)工程項(xiàng)目環(huán)境保護(hù)設(shè)施設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 51364—2019)、《揮發(fā)性有機(jī)物無(wú)組織排放控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 37822—2019)、《工業(yè)涂裝工序揮發(fā)性有機(jī)物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 21/3160—2019)[1]。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已對(duì)無(wú)組織排放進(jìn)行明確定義，船舶外場(chǎng)涂裝作業(yè)產(chǎn)生的VOCs等危廢物未經(jīng)任何處理直接排放至大氣中，屬于船舶涂裝行業(yè)典型的無(wú)組織排放情況[2]。

為滿足國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，必須在進(jìn)行外場(chǎng)舾裝完工涂裝和碼頭涂裝工序時(shí)增加環(huán)保系統(tǒng)。整體處理過(guò)程分為收集與處理兩個(gè)模塊，通過(guò)收集模塊對(duì)漆霧進(jìn)行捕集，通過(guò)風(fēng)管輸送至凈化系統(tǒng)，經(jīng)凈化處理達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)排入大氣[3]。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況對(duì)船舶外場(chǎng)涂裝局部集氣罩提出合理設(shè)計(jì)，改善捕集效率，提高環(huán)保系統(tǒng)凈化效率。

1 產(chǎn)品應(yīng)用

鑒于船舶外場(chǎng)噴涂露天涂裝作業(yè)無(wú)組織排放現(xiàn)狀，亟待進(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，在設(shè)計(jì)時(shí)可將收集系統(tǒng)安裝在高空作業(yè)車平臺(tái)上，通過(guò)柔性管路連接吸附與處理系統(tǒng)進(jìn)行VOCs收集與處理，如圖1所示。

圖1 局部集氣罩工作示例

在船舶外場(chǎng)涂裝過(guò)程中，控制霧態(tài)和顆粒狀污染物的主要方法是通過(guò)設(shè)計(jì)有效的物理收集罩，利用風(fēng)機(jī)在收集罩內(nèi)形成合適的負(fù)壓，將污染物收集至吸附或凈化裝置中進(jìn)行處理，防止大量漆霧中的有害顆粒物和氣體直接向外排放至空氣中[4-5]。船舶外場(chǎng)涂裝局部集氣罩主要是對(duì)噴涂油漆產(chǎn)生的VOCs等有害氣體進(jìn)行捕集，由于噴涂作業(yè)的方式(人工噴涂、機(jī)器噴涂)和位置(外板中部、首部、尾部等)不同，因此集氣罩的結(jié)構(gòu)和安裝方式各有不同。合理的結(jié)構(gòu)和安裝對(duì)環(huán)保系統(tǒng)整體凈化效果具有直接影響。

2 設(shè)計(jì)原則

基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)多相流數(shù)值模擬方法，圍繞高空作業(yè)車人工噴涂區(qū)域回收防護(hù)罩的幾何結(jié)構(gòu)特性和收集罩內(nèi)人工噴涂形成的排放空間狀況，建立回收防護(hù)罩內(nèi)的湍流模型，研究VOCs氣體各組分的分布規(guī)律和動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)特性，分析影響回收效果的主要參數(shù)，研究作業(yè)廢物分布模型和高效回收方法，開展多傳感器融合的柔性封閉式噴涂作業(yè)倉(cāng)的設(shè)計(jì)。針對(duì)作業(yè)倉(cāng)內(nèi)漆霧飄散的問(wèn)題，開展風(fēng)管接口處的防漆霧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。

經(jīng)前期調(diào)研和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析，船舶外場(chǎng)涂裝局部集氣罩的設(shè)計(jì)原則是結(jié)合涂裝作業(yè)的方式匹配合適的抽風(fēng)機(jī)風(fēng)量達(dá)到漆霧等有害氣體的高效收集。在設(shè)計(jì)時(shí)具體應(yīng)注意如下事項(xiàng)：①應(yīng)具備局部伸縮和調(diào)整功能，以便對(duì)不同船舶部位均可形成較好的封閉性，保證收集罩內(nèi)形成有效負(fù)壓，防止VOCs氣體外溢，提高VOCs氣體收集率；②吸風(fēng)口布置位置應(yīng)符合VOCs氣流的運(yùn)動(dòng)特性和軌跡，以便更加高效地收集VOCs氣體；③應(yīng)使作業(yè)區(qū)和收集區(qū)形成良好的分隔，防止VOCs氣體擴(kuò)散至作業(yè)區(qū)；④外形和安裝方式應(yīng)便于安裝和設(shè)備維護(hù)檢修，并最大限度不影響油漆噴涂作業(yè)的操作性和施工效率。局部集氣罩設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 局部集氣罩設(shè)計(jì)圖

3 方案設(shè)計(jì)

深入研究外場(chǎng)移動(dòng)式噴漆作業(yè)VOCs氣體的產(chǎn)生與擴(kuò)散機(jī)理，結(jié)合VOCs氣體動(dòng)力學(xué)特性，建立VOCs概率化動(dòng)態(tài)分布模型；分析VOCs各組分理化特性，建立融入理化減排思想的VOCs排放控制機(jī)制；基于理化特性和所處環(huán)境的VOCs高效回收方法研究，開展曲臂式高空作業(yè)車上集成的柔性封閉式噴涂收集罩設(shè)計(jì)，構(gòu)建有組織回收封閉環(huán)境，為噴涂階段所產(chǎn)生的VOCs回收提供基礎(chǔ)條件保障。通過(guò)系統(tǒng)攻克外場(chǎng)和艙室內(nèi)噴涂作業(yè)VOCs排放控制即VOCs吸附收集的瓶頸問(wèn)題，開發(fā)設(shè)計(jì)具有漆霧過(guò)濾功能的一體化回收口，通過(guò)集成于高空作業(yè)車上的集氣罩和管線實(shí)現(xiàn)噴涂階段VOCs有組織收集。

噴具末端集成局部集氣罩、伸縮型局部集氣罩和多傳感器融合的柔性封閉式噴涂作業(yè)集氣罩等不同形式的回收結(jié)構(gòu)對(duì)VOCs無(wú)組織排放回收控制具有不同的影響，通過(guò)CFD仿真軟件并采用類比方法，開展外場(chǎng)環(huán)境下的VOCs有組織排放回收?qǐng)鰳?gòu)建形式研究，形成船舶外場(chǎng)局部收集罩設(shè)計(jì)方案。

綜上所述，船舶外場(chǎng)涂裝局部集氣罩主要根據(jù)作業(yè)環(huán)境與無(wú)組織排放污染源的位置，應(yīng)用機(jī)械力學(xué)理論與SolidWorks三維軟件的配合設(shè)計(jì)而成。

船舶外場(chǎng)局部集氣罩尺寸為1 400 mm×1 400 mm×350 mm(自由伸縮為200 mm)，質(zhì)量為70 kg，長(zhǎng)度伸縮由電動(dòng)氣缸控制。船舶外場(chǎng)局部集氣罩包括高空作業(yè)車、罩體框架、風(fēng)幕機(jī)、罩體和伸縮機(jī)構(gòu)，如圖3所示。罩體整體全部使用透明材料，保證施工過(guò)程中的光線與亮度，方便噴漆過(guò)程中的質(zhì)量監(jiān)測(cè)。罩體外形為矩形，便于進(jìn)行噴漆作業(yè)，作業(yè)產(chǎn)生的漆霧擴(kuò)散被限制在罩體中，由重力和罩體底部喇叭形吸風(fēng)口提供的吸力捕集至VOCs處理裝置；改變通過(guò)側(cè)向或頂部吸風(fēng)口直接吸附的常規(guī)方式，常規(guī)吸附雖加裝大功率吸氣裝置但結(jié)構(gòu)不理想，無(wú)法有效限制漆霧擴(kuò)散，致使大量氣體外溢，影響漆霧捕集效果。罩體端部均設(shè)置伸縮機(jī)構(gòu)，在噴涂作業(yè)時(shí)可根據(jù)船體外形利用上下電動(dòng)氣缸調(diào)整4個(gè)伸縮機(jī)構(gòu)的伸縮臂長(zhǎng)度，通過(guò)伸縮調(diào)節(jié)可適當(dāng)調(diào)節(jié)吸附口角度和位置，盡可能正對(duì)和貼近噴漆表面，提高集氣罩對(duì)漆霧的捕集能力；改變集氣罩固定吸附角度的常規(guī)情況，避免因船體不規(guī)則外形導(dǎo)致外部氣流干擾，影響漆霧捕集效果。罩體框架操作側(cè)頂部安裝風(fēng)幕機(jī)，通過(guò)風(fēng)幕阻隔操作空間與吸附空間，防止漆霧因反作用力由操作側(cè)流入外界空氣中，提高漆霧吸附效果并避免噴漆作業(yè)人員吸入有毒氣體，保障作業(yè)人員身體健康；改變常規(guī)集氣罩無(wú)法控制操作側(cè)漆霧擴(kuò)散，影響漆霧捕集效果。風(fēng)幕機(jī)工作原理如圖4所示。

圖3 局部集氣罩示例

圖4 風(fēng)幕機(jī)工作原理

4 仿真模擬

在實(shí)際收集過(guò)程中，噴漆運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，噴漆過(guò)程涉及射流、破裂和碰撞模型，而噴漆至噴漆表面過(guò)程屬于反彈黏附模型，整個(gè)油漆在與船體進(jìn)行噴射黏附后反彈，并被底部的吸附風(fēng)口吸入移動(dòng)式VOCs吸附處理裝置。整個(gè)收集流體運(yùn)動(dòng)模型比較復(fù)雜，為精確進(jìn)行收集率計(jì)算，使用有限元分析軟件Fluent進(jìn)行建模。在實(shí)際工程中，船舶噴漆作業(yè)是一種非連續(xù)的施工，但針對(duì)噴漆作業(yè)漆霧的瞬時(shí)流體運(yùn)動(dòng)仍可應(yīng)用湍流模型進(jìn)行仿真模擬，分析其瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)特性。

根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算各涂裝作業(yè)環(huán)節(jié)過(guò)程中的VOCs揮發(fā)量占比：油漆開包裝至噴涂前為1%～2%，噴涂過(guò)程為45%～50%，固化過(guò)程約50%。固化過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)，一般需要20 h或更多。研究對(duì)象僅負(fù)責(zé)收集噴涂過(guò)程產(chǎn)生的廢氣，模擬過(guò)程按VOCs揮發(fā)量占比45%進(jìn)行仿真。模擬環(huán)境如表1所示。GRACO XTR-5噴槍參數(shù)如表2所示。

表1 模擬環(huán)境

表2 GRACO XTR-5噴槍參數(shù)

借助有限元分析軟件Fluent平臺(tái)進(jìn)行建模，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為20 000個(gè)，計(jì)算區(qū)域的外邊界采用壓力遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件，湍流模型采用k-ε方程模擬湍流黏度，噴射過(guò)程采用泰勒類比破碎(Taylor Analogy Breakup，TAB)模型，時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 s，對(duì)油漆的運(yùn)動(dòng)采用二階隱式格式的時(shí)間推進(jìn)法求解，對(duì)壓力-速度耦合采用壓力的隱式算子分割算法(Pressure Implicit with Splitting of Operators，PISO算法)求解。噴漆收集模型如圖5所示。由圖5可知：油漆噴射反彈后的絕大多數(shù)顆粒在風(fēng)機(jī)負(fù)壓下被吸至下部的吸附口。仿真結(jié)果分析測(cè)量液體出口的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并計(jì)算收集效率為60%。

圖5 噴漆收集模型

5 驗(yàn)證方法

通過(guò)設(shè)置在回收裝置中不同部位的VOCs采樣、色譜分析和檢測(cè)，針對(duì)VOCs吸附收集進(jìn)行量化分析，構(gòu)建船舶外場(chǎng)噴涂階段VOCs吸附收集檢測(cè)和驗(yàn)證方法。

基于涂料的高精度計(jì)量算法可知噴涂總量，通過(guò)高傳遞效率的低壓精細(xì)霧化技術(shù)研究可知涂料最優(yōu)上漆率，涂料中的VOCs為已知量，可得需回收VOCs總量。在回收管線(回收?qǐng)雠cVOCs吸附裝置之間的管線)中安置VOCs氣體連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(監(jiān)測(cè)VOCs質(zhì)量分?jǐn)?shù)、風(fēng)量)，可測(cè)得噴涂過(guò)程中的VOCs回收量，與需回收VOCs總量進(jìn)行比較，得到VOCs收集率。

6 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)船舶外場(chǎng)涂裝作業(yè)工況，適配不同的噴涂作業(yè)方式和不同船舶部位的收集罩是行業(yè)的空白技術(shù)和難點(diǎn)問(wèn)題。由大量的理論研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析得出，局部集氣罩對(duì)于提高船舶平直外板區(qū)域涂裝施工過(guò)程中的VOCs收集率是有效和可行的。但針對(duì)不同船型的球鼻首和尾部等特殊部位，仍需要進(jìn)行不斷的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并結(jié)合不同涂裝作業(yè)方式進(jìn)行工況試驗(yàn)驗(yàn)證，在保證施工安全和效率的前提下，不斷提高集氣罩的收集率，最大限度收集和處理VOCs氣體，減少對(duì)大氣的污染，為船舶涂裝危廢物排放治理提供有效解決方案。