涂布工藝進(jìn)排氣管道設(shè)計(jì)及廢氣治理工程實(shí)例分析

邢俊濤 周秉武

上海閔欣環(huán)保設(shè)備工程有限公司（上海 201109）

涂布工藝已被眾多行業(yè)廣泛采納，例如印刷、包裝及電池制造等[1-3]。在涂布工藝中，涂布機(jī)負(fù)責(zé)將膠水、涂料或墨水均勻地涂覆在基材表面，這樣既可以提升產(chǎn)品的美觀度，又可以保護(hù)產(chǎn)品并賦予其特殊功能。然而，這個(gè)過(guò)程可能帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境污染。在生產(chǎn)過(guò)程中，涂布工藝會(huì)使用諸如膠水、乙酸乙酯、油墨、丁酮、正丙酯、甲苯等揮發(fā)性有機(jī)物[4]。鑒于法規(guī)正在嚴(yán)格控制揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）的排放濃度，這些污染物必須經(jīng)過(guò)深度處理以滿足環(huán)境保護(hù)法規(guī)的嚴(yán)格要求。因此，涂布工業(yè)的發(fā)展正面臨著工藝能耗和環(huán)境保護(hù)的雙重挑戰(zhàn)。

本研究以實(shí)際工程項(xiàng)目為例，對(duì)企業(yè)進(jìn)排氣管道設(shè)計(jì)、治理設(shè)施建設(shè)及運(yùn)行情況進(jìn)行了全面評(píng)估。通過(guò)加強(qiáng)涉VOCs 生產(chǎn)車間和工序廢氣進(jìn)排氣及熱能回收的系統(tǒng)化管理，采取封閉式、連續(xù)化、自動(dòng)化技術(shù)，高效的工藝與處理設(shè)備等，顯著降低了工藝過(guò)程中的無(wú)組織排放和能源消耗。此外，對(duì)涂布進(jìn)排氣管道及廢氣治理進(jìn)行了綜合分析，實(shí)現(xiàn)了VOCs 的集中高效處理。最終，該方案帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益。

1 工程概況

該企業(yè)車間配置了一條涂布生產(chǎn)線，涵蓋膠水室、兩個(gè)涂布頭、兩個(gè)預(yù)涂烘箱和8 個(gè)烘箱。主要生產(chǎn)特種功能膠帶、裝飾膜、用途標(biāo)識(shí)等產(chǎn)品。在生產(chǎn)過(guò)程中，涉及稀釋、密煉/開(kāi)煉、涂布、固化、面層涂膠、復(fù)合、烘干、背膠、貼合等相關(guān)工藝環(huán)節(jié)。其中，涂布、固化、復(fù)合等環(huán)節(jié)會(huì)產(chǎn)生有機(jī)廢氣（含甲苯、二甲苯、乙酸乙酯、丁酮、庚烷、異丙醇），這些廢氣主要來(lái)自干式復(fù)合及涂布工藝，廢氣中有機(jī)物的質(zhì)量濃度為500～2 500 mg/m3，因此需要采用蓄熱式直接焚燒爐（RTO）進(jìn)行處理[5-6]。

涂布生產(chǎn)過(guò)程中的工藝進(jìn)排風(fēng)系統(tǒng)涉及多個(gè)環(huán)節(jié)，包括工藝新風(fēng)、排廢風(fēng)、熱交換風(fēng)、涂布頭新風(fēng)與排風(fēng)及膠水間排風(fēng)。這些環(huán)節(jié)都是涂布生產(chǎn)的核心部分，與末端RTO 形成聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)。

圖1 為基本的進(jìn)排氣工藝圖，簡(jiǎn)要地描繪了涂布進(jìn)排氣工藝、涂布熱能回收工藝及RTO 熱能回收工藝等基本的工藝邏輯。

圖1 涂布進(jìn)排氣工藝邏輯簡(jiǎn)圖

2 涂布工藝進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)

涂布工藝的進(jìn)氣環(huán)節(jié)需要確保供給的空氣能夠均勻地分布在基材表面，以保證涂料或墨水均勻分布。同時(shí)，進(jìn)氣管道的設(shè)計(jì)需要考慮空氣流量、氣壓和溫度等因素，以滿足涂布機(jī)生產(chǎn)工藝的需求。

根據(jù)涂布工藝要求，涂布線烘箱換熱器需要使用干凈清潔的新風(fēng)進(jìn)行加熱，新風(fēng)需經(jīng)過(guò)初效和中效過(guò)濾后再進(jìn)入烘箱的高效處理系統(tǒng)。

2.1 1#、2#烘箱工藝進(jìn)風(fēng)要求

在烘箱的前1～2 節(jié)，溶劑會(huì)迅速揮發(fā)，膠水處于流動(dòng)狀態(tài)。為了使新風(fēng)能夠快速均勻地進(jìn)入每節(jié)烘箱，每節(jié)烘箱的進(jìn)風(fēng)量應(yīng)保持在4 000～6 000 m3/h。

烘箱3～4 節(jié)的可燃?xì)怏w爆炸下限（LEL）檢測(cè)儀檢測(cè)到廢氣中有機(jī)物濃度較小時(shí)，將通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，使3～4 節(jié)烘箱的排廢風(fēng)回饋至1～2 節(jié)使用。涂布線5～8 節(jié)烘箱的部分排風(fēng)將通過(guò)防爆排風(fēng)風(fēng)機(jī)供給1～2 節(jié)烘箱的燃燒器作為新風(fēng)使用。當(dāng)5～8 節(jié)烘箱的排風(fēng)量過(guò)大時(shí)，需要5～8 節(jié)烘箱自動(dòng)通過(guò)LEL 檢測(cè)排出，而不進(jìn)入1～2 節(jié)烘箱的新風(fēng)補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)。

2.2 3#、4#烘箱工藝進(jìn)風(fēng)要求

在烘箱的前3～4 節(jié)，溶劑處于均勻揮發(fā)階段，膠水開(kāi)始進(jìn)入固化狀態(tài)。在此階段，新風(fēng)需要具有大且均勻的熱量以滿足膠水固化的需求。每節(jié)烘箱的進(jìn)風(fēng)量為3 000～5 000 m3/h。

當(dāng)涂布線烘箱的5～8 節(jié)排風(fēng)經(jīng)LEL 檢測(cè)，顯示有機(jī)物濃度較低時(shí)，可以通過(guò)防爆排風(fēng)風(fēng)機(jī)和風(fēng)管向3～4 節(jié)燃燒器供應(yīng)新風(fēng)。然而，如果5～8 節(jié)烘箱的排風(fēng)量在輸送至3～4 節(jié)換熱器時(shí)過(guò)大，需要確保5～8 節(jié)烘箱自動(dòng)通過(guò)LEL 檢測(cè)并排出，而不進(jìn)入3～4 節(jié)烘箱的新風(fēng)補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)。

2.3 5#—8#烘箱工藝進(jìn)風(fēng)要求

第5～8 節(jié)烘箱處于膠水固化狀態(tài)，溶劑含量較低并已基本揮發(fā)完全。然而，某些膠水較厚的部位，仍需慢速揮發(fā)，需要提供熱量大且風(fēng)速平穩(wěn)的空氣。每節(jié)烘箱的進(jìn)風(fēng)量為3 000～5 000 m3/h。

烘箱第8 節(jié)的排廢風(fēng)經(jīng)過(guò)內(nèi)循環(huán)后，一般可用作供給第7 節(jié)燃燒器的新風(fēng)。同樣地，烘箱第7 節(jié)、第6 節(jié)、第5 節(jié)的排廢風(fēng)經(jīng)過(guò)內(nèi)循環(huán)后一般可分別用作供給第6 節(jié)、第5 節(jié)、第4 節(jié)燃燒器的新風(fēng)。當(dāng)任一節(jié)烘箱的排風(fēng)量大于供給烘箱的進(jìn)風(fēng)量時(shí)，風(fēng)管會(huì)自動(dòng)排出排風(fēng)，而不回補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)。

3 涂布工藝排風(fēng)系統(tǒng)

涂布工藝的排氣管主要用于排放涂布過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣，包括有機(jī)廢氣、漆霧等。為確保安全，廢氣經(jīng)過(guò)收集后需排至廢氣RTO 處理系統(tǒng)，因此需要合理設(shè)置排風(fēng)風(fēng)量以匹配涂布工藝的需求。

3.1 預(yù)涂烘箱1#、2#及烘箱1#—4# 排廢氣往RTO 的處理要求

（1）預(yù)涂烘箱第1～2 節(jié)和烘箱第1～2 節(jié)接入RTO，每節(jié)約4 000 m3/h的廢氣全排后進(jìn)入RTO 系統(tǒng)處理，此處的VOCs 氣體濃度大、風(fēng)速快，出現(xiàn)渦流、湍流的可能性大，因此需要控制流量，廢氣溫度在70～120 ℃之間。

（2）第3～4 節(jié)烘箱，每節(jié)的廢氣量約為2 500 m3/h，廢氣溫度為80～160 ℃，一部分排廢往RTO，另一部分給第1～2 節(jié)烘箱供熱；根據(jù)涂布線LEL 檢測(cè)結(jié)果來(lái)判斷廢氣是否需要全部進(jìn)入RTO。

（3）當(dāng)管道溫度達(dá)到90 ℃以上時(shí)，應(yīng)采用不銹鋼管道焊接。若管道溫度在90 ℃以下，可以采用鍍鋅管焊接的形式。

3.2 烘箱5#—8#排廢氣要求

（1）5～8 節(jié)烘箱，每節(jié)工藝廢氣約為2 000 m3/h，溫度為100～170 ℃，采用304 不銹鋼管道。

（2）5～8 節(jié)烘箱的工藝排氣管道。第5 節(jié)、第6節(jié)、第7 節(jié)和第8 節(jié)烘箱廢氣，將作為前一節(jié)燃燒器的新風(fēng)源。如果某一節(jié)烘箱的排風(fēng)量大于供給烘箱的進(jìn)風(fēng)量，該部分多余的廢氣將通過(guò)風(fēng)管自動(dòng)排出，而不會(huì)進(jìn)入補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)。

涂布線5～8 節(jié)烘箱的部分排風(fēng)通過(guò)風(fēng)管進(jìn)入涂布線1～4 節(jié)烘箱的熱交換器，添加排風(fēng)風(fēng)機(jī)，然后供給1～4 節(jié)的燃燒器作為新風(fēng)使用，用于1～4 號(hào)烘箱的部分補(bǔ)風(fēng)。當(dāng)5～8 節(jié)烘箱的排風(fēng)量大于1～4 節(jié)烘箱的新風(fēng)進(jìn)風(fēng)量時(shí)，需要5～8 節(jié)烘箱自動(dòng)通過(guò)LEL檢測(cè)并排出。

3.3 涂布頭排廢氣往RTO 的處理要求

涂布生產(chǎn)線有微凹涂布頭與刮刀涂布頭排風(fēng)，總風(fēng)量為4 000 m3/h，但兩個(gè)涂布頭不同時(shí)使用。因此，在制造排風(fēng)管時(shí)，在開(kāi)啟某一個(gè)涂布頭進(jìn)行排廢時(shí)，另一個(gè)涂布頭排廢關(guān)閉；每個(gè)涂布頭配置防爆風(fēng)機(jī)抽風(fēng)，否則涂布頭的氣味無(wú)法排出。

4 廢氣處理系統(tǒng)

涂布工藝所產(chǎn)生的廢氣通過(guò)RTO 燃燒裝置進(jìn)行有效處理，同時(shí)，對(duì)燃燒過(guò)程中的余熱進(jìn)行回收再利用，既解決了廢氣排放問(wèn)題，又實(shí)現(xiàn)了能源的節(jié)約，處理效率高達(dá)99.5%以上。

4.1 RTO 特點(diǎn)

根據(jù)工藝情況，工藝上溶劑蒸汽（甲苯、二甲苯、乙酸乙酯等）約50～150 kg/h，溫度為60～80 ℃，RTO系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)風(fēng)量為35 000 m3/h，熱效率不低于95%，燃燒溫度為750～950 ℃，爐體表面溫度不高于環(huán)境溫度+25 ℃。

4.2 工藝及涂布線設(shè)備情況

涂布線工藝及設(shè)備情況分別如表1，表2 所示。

表1 工藝情況

表2 涂布線設(shè)備情況

4.3 燃燒系統(tǒng)

燃料為天燃?xì)?，其熱值?.5 MJ/m3；采用點(diǎn)火成功率高和運(yùn)行穩(wěn)定的燃燒器，采用比例控制閥實(shí)現(xiàn)燃料的無(wú)極控制；采用火焰控制器及帶自檢功能的火焰探測(cè)器；燃?xì)夤苈放渲酶叩蛪洪_(kāi)關(guān)和雙控制閥；安全聯(lián)鎖包括天然氣的高低壓報(bào)警、助燃?jí)毫?bào)警、點(diǎn)火失敗報(bào)警、熄火報(bào)警等。

4.4 燃燒室

應(yīng)確保燃燒時(shí)間達(dá)到1.0 s 以上以達(dá)到有效的廢氣處理效率。燃燒室殼體內(nèi)部應(yīng)安裝足夠厚的保溫棉以減少熱損失，保溫棉應(yīng)具有1 200 ℃以上的耐溫能力。

應(yīng)配備高溫?zé)犭娕?，用于監(jiān)測(cè)和控制爐膛溫度。每組熱電偶均為雙支，并具有1 200 ℃的耐溫能力，以確保精確的溫度測(cè)量和控制。

4.5 蓄熱陶瓷

RTO 選用防堵型蓄熱陶瓷，耐溫達(dá)到1 100 ℃以上，熱膨脹系數(shù)（20～1 000）℃是（2.5～4.5）×10-6，熱熔為750～1 100 J/kg·K，冷壓強(qiáng)度達(dá)到4 120 kg/cm2以上，陶瓷保證蓄熱效果達(dá)到95%以上。RTO 進(jìn)出口安裝壓差表，檢測(cè)陶瓷的壓力情況并在中控顯示。

4.6 廢氣分配閥

閥體需確保在長(zhǎng)期高溫環(huán)境中保持結(jié)構(gòu)不變形。廢氣入口前端設(shè)置防火閥，防止管道回火，嚴(yán)格控制RTO 系統(tǒng)入口廢氣濃度不超過(guò)可燃組分爆炸下限；在系統(tǒng)前端一定距離處安裝LEL 檢測(cè)儀，并與廢氣閥、新風(fēng)閥、緊急排放閥和高溫旁通閥聯(lián)動(dòng)。

4.7 系統(tǒng)風(fēng)機(jī)

主風(fēng)機(jī)將生產(chǎn)車間來(lái)的廢氣送入RTO。風(fēng)機(jī)為碳鋼材質(zhì)，內(nèi)部防爆結(jié)構(gòu)，含減振器和底座，其進(jìn)出口安裝軟連接。主風(fēng)機(jī)與馬達(dá)采用直接驅(qū)動(dòng)方式，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變頻調(diào)節(jié)，主風(fēng)機(jī)運(yùn)行信號(hào)與RTO 進(jìn)口壓力變送器進(jìn)行關(guān)聯(lián)控制。

4.8 RTO 煙囪

煙囪高度超過(guò)20 m，需配備爬梯；避雷針超過(guò)1 m；對(duì)煙囪設(shè)置在線檢測(cè)平臺(tái)和檢測(cè)孔，以便于環(huán)保監(jiān)測(cè)。

4.9 硅粉清潔

膠水中硅離子在高溫有氧的環(huán)境下氧化生成二氧化硅粉末，會(huì)在RTO 蓄熱體中積累。每隔一段時(shí)間需要對(duì)上述部位進(jìn)行清理，具體措施為：RTO 進(jìn)、排氣口設(shè)置壓差檢測(cè)儀，壓力失常時(shí)提示操作人員進(jìn)行清理；RTO 清理時(shí)，使用高壓水自上至下沖洗以有效清理蓄熱體中的硅粉，并在爐體底部設(shè)置排水口排水。

5 熱能回收系統(tǒng)

5.1 烘箱余熱回收技術(shù)要求

第3～4 節(jié)烘箱的廢氣總量約為5 000 m3/h，廢氣溫度為80～160 ℃，可以用于給第1～2 節(jié)烘箱供熱。二者調(diào)節(jié)的原理是基于涂布線LEL 檢測(cè)儀的測(cè)定來(lái)判斷廢氣是否需要全部進(jìn)入RTO。

涂布線烘箱的熱能排出后，可向前一節(jié)供應(yīng)使用，其對(duì)應(yīng)關(guān)系為：8-7，7-6，6-5，5-4，4-3，3-2，2-1。調(diào)節(jié)原理是基于LEL 檢測(cè)儀的測(cè)定結(jié)果，若余量多則迅速排入，若余量少則補(bǔ)充新風(fēng)。此外，還可以調(diào)節(jié)排氣流量，在保證高效烘干的同時(shí)，合理控制回風(fēng)比例，實(shí)現(xiàn)排風(fēng)濃度和氣流的最優(yōu)化，從而達(dá)到降低加熱能耗、排風(fēng)減風(fēng)增濃的目的。

5.2 RTO 余熱回收技術(shù)要求

RTO 的余熱回收過(guò)程可以通過(guò)RTO 余熱換熱器進(jìn)行，未被用盡的余熱將進(jìn)入車間的熟化室，并利用熟化室空調(diào)的換熱系統(tǒng)。這樣能確保處理的空氣純凈，無(wú)雜質(zhì)和天然氣殘留。這些管道需要進(jìn)行保溫處理，所使用的保溫材料由防火A 級(jí)巖棉制成，以確保包裹后的溫度不高于室溫（25 ℃）。

6 自動(dòng)與安全控制系統(tǒng)

6.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)

主控系統(tǒng)、觸摸屏和可編程邏輯控制器（PLC）應(yīng)相互獨(dú)立，且應(yīng)分別設(shè)置常用按鍵和觸摸屏。在具體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：采用穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)架構(gòu)，確保穩(wěn)定性和可用性；選擇性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠的硬件設(shè)備，以確保正常運(yùn)行；具備手動(dòng)和自動(dòng)兩種運(yùn)行方式，以滿足不同生產(chǎn)線的需求；設(shè)置常用位置停機(jī)操作，方便用戶對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和調(diào)試；設(shè)置急停操作，以便快速停止設(shè)備運(yùn)行；通過(guò)觸摸屏顯示故障信息，并記錄故障，方便查詢和排除故障；配備三色報(bào)警指示燈，以指示運(yùn)行狀態(tài)和故障情況。

6.2 安全控制系統(tǒng)

在具體設(shè)計(jì)安全控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：RTO 加熱系統(tǒng)符合國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)，配備火焰檢測(cè)器，能快速關(guān)閉燃?xì)?，點(diǎn)火管路采用雙電磁閥；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)爐膛溫度，并設(shè)置有雙熱電偶對(duì)其監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行判斷；系統(tǒng)開(kāi)機(jī)流程設(shè)置有掃膛過(guò)程，用于清掃爐膛內(nèi)殘留的有機(jī)廢氣和燃料，避免點(diǎn)火時(shí)發(fā)生爆閃；爐膛到煙囪中間有高溫旁通閥，當(dāng)超溫時(shí)，高溫旁通閥會(huì)自動(dòng)打開(kāi)以釋放過(guò)多的熱量，保護(hù)爐膛；系統(tǒng)在廢氣入口處設(shè)置有緊急排放閥，可在RTO 故障或者維護(hù)停機(jī)的時(shí)候緊急排放；在爐體進(jìn)出風(fēng)口設(shè)置有壓差變送器，來(lái)觀測(cè)蓄熱陶瓷的工作情況，檢測(cè)是否堵塞或者破損；RTO 系統(tǒng)在廢氣進(jìn)爐膛前設(shè)置有泄爆口，以釋放高壓，減少損失；電控系統(tǒng)具有過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)、斷相保護(hù)、接地保護(hù)、電源防雷保護(hù)功能等。

7 結(jié)論與建議

對(duì)涂布工藝進(jìn)排氣管道及廢氣治理進(jìn)行分析，涵蓋進(jìn)排氣管道設(shè)計(jì)、廢氣治理、熱能回收、自動(dòng)與安全控制等方面，旨在提高涂布工藝的環(huán)保性、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。在進(jìn)行涂布工藝的進(jìn)排氣管道設(shè)計(jì)和廢氣治理時(shí)，充分考慮生產(chǎn)工藝的需求和實(shí)際情況。有機(jī)廢氣經(jīng)處理產(chǎn)生的熱能，不僅能維持RTO 自身的正常運(yùn)行，還可以回收多余的熱能作為涂布設(shè)備干燥的能源。

另外，后期系統(tǒng)的運(yùn)行也是關(guān)鍵，建議注重以下幾個(gè)方面：（1）完善生產(chǎn)管理。強(qiáng)化生產(chǎn)過(guò)程中的環(huán)境保護(hù)意識(shí)，加強(qiáng)對(duì)員工的培訓(xùn)和教育，使其認(rèn)識(shí)到環(huán)保的重要性。（2）加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)和檢修。定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查和維護(hù)，提高設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。（3）增強(qiáng)與相關(guān)方的溝通與合作。積極與設(shè)備供應(yīng)商、技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)等進(jìn)行交流與合作，共同研發(fā)更加環(huán)保、高效的涂布工藝技術(shù)和設(shè)備。