船舶涂裝廢氣治理工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

摘要：船舶涂裝廢氣治理起步較晚，其工藝設(shè)計(jì)相對(duì)不是十分成熟。由于船舶企業(yè)工件較大，其涂裝作業(yè)節(jié)拍不規(guī)律，造成了廢氣濃度不穩(wěn)定，對(duì)廢氣治理方案的選擇有較大的影響；對(duì)于氧化設(shè)備如蓄熱式熱力氧化（RegenerativeThermalOxidizer，RTO）、蓄熱式催化氧化（RegenerativeCatalyticOxidizer，RCO）、催化氧化（CatalyticOxidizer，CO）的選擇，需要結(jié)合相應(yīng)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)及工藝自身的特點(diǎn)。同時(shí)，在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮好防火與腐蝕等安全問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：船舶涂裝廢氣特征揮發(fā)性有機(jī)物廢氣處理

中圖分類(lèi)號(hào)：X736.3

AnalysisofKeyPointsintheDesignofShipPaintingExhaustGasTreatmentProcess

MAOJiajun*ZHAHaoLIBaorong

YangzhouHaitongElectronicTechnologyCo.，Ltd.，Yangzhou，JiangsuProvince，225000China

Abstract：Thetreatmentofshippaintingexhaustgasstartedrelativelylate，anditsprocessdesignisrelativelyimmature.Duetothelargesizeofworkpiecesinshipbuildingenterprises，theirpaintingoperationshaveirregularrhythms，resultinginunstableexhaustgasconcentrationsandhavingasignificantimpactontheselectionofexhaustgastreatmentplans;TheselectionofoxidationequipmentsuchasRegenerativeThermalOxidizer（RTO），RegenerativeCatalyticOxidizer（RCO），andCatalyticOxidizer（CO），requirestoconsiderthecorrespondingenvironmentalstandardsandthecharacteristicsoftheprocessitself.Atthesametime，safetyissuessuchasfirepreventionandcorrosionneedtobetakenintoconsiderationduringengineeringdesign.

KeyWords：Shippainting;Characteristicsofexhaustgas;Volatileorganiccompounds;Exhaustgastreatment

2013年《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（以下簡(jiǎn)稱“大氣十條”）實(shí)施以來(lái)，環(huán)境監(jiān)管部門(mén)對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物（VolatileOrganicCompounds，VOCs）排放的管控日益嚴(yán)格，其中涂裝行業(yè)的VOCs治理因其產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)，排放量大，是VOCs治理的重點(diǎn)。造車(chē)行業(yè)由于其經(jīng)濟(jì)附加值較高，企業(yè)管理較為完善，環(huán)保要求相對(duì)較高，因此汽車(chē)行業(yè)的涂裝廢氣治理起步最早，國(guó)內(nèi)在這方面的研究非常多[1-2]，技術(shù)路線也相對(duì)較為成熟。船舶涂裝廢氣治理是近幾年才逐步進(jìn)行實(shí)施的，雖然其整體工藝選擇與其他涂裝行業(yè)相差不大，但由于船舶涂裝工序作業(yè)特征及工件巨大等特點(diǎn)，有著相對(duì)顯著的行業(yè)特征。

本文首先分析了船舶涂裝廢氣的風(fēng)量、濃度及組分特征，結(jié)合目前涂裝廢氣應(yīng)用較多的三種“轉(zhuǎn)輪+氧化”工藝的特點(diǎn)，并以外高橋船廠為例，從達(dá)標(biāo)性和安全性角度闡述了船舶企業(yè)在VOCs治理工藝選擇時(shí)一些需要重點(diǎn)考慮的因素。

1船舶涂裝廢氣特征及治理工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)

船舶涂裝廢氣屬于噴涂類(lèi)VOCs，由于船體相對(duì)較大，因此其噴涂作業(yè)主要特點(diǎn)為移動(dòng)式多點(diǎn)作業(yè)，這一點(diǎn)有別于其他如汽車(chē)、家具類(lèi)噴涂。同時(shí)，涂裝工件較大，也不易形成流水型生產(chǎn)線和流水型作業(yè)規(guī)律。因此，船舶涂裝廢氣風(fēng)量、時(shí)序及濃度、組分等方面與其他行業(yè)的涂裝廢氣存在著相對(duì)較大的差異。

1.1風(fēng)量特征

風(fēng)量是廢氣治理核心指標(biāo)之一，一方面其大小直接影響到設(shè)備工程造價(jià)及運(yùn)行成本，另一方面影響廢氣收集效果，直接影響到車(chē)間工作環(huán)境[3]。船舶涂裝作業(yè)由于作業(yè)面積大，無(wú)法做到集中收集，一般都是對(duì)整個(gè)車(chē)間進(jìn)行通風(fēng)。本文統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)部分大型造船企業(yè)的涂裝廢氣風(fēng)量見(jiàn)表1。

式（1）中：Q為流量，單位為m3/s；p為壓頭，單位為Pa或N/m2。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，船舶涂裝車(chē)間排風(fēng)機(jī)壓頭本文以3000Pa來(lái)進(jìn)行說(shuō)明，以100000m3/h為例，通風(fēng)機(jī)需要的有效功率為83kW，機(jī)械效率以80%計(jì)，則運(yùn)行功率約為103kW，每增加1萬(wàn)風(fēng)量，有效功率約增加8kW，運(yùn)行功率約增加10kW。由此不難看出，廢氣治理設(shè)備中僅車(chē)間排風(fēng)機(jī)一項(xiàng)，每年的運(yùn)行成本也是一筆較大的開(kāi)支。因此，在設(shè)計(jì)階段，如何從收集效果和設(shè)備投資運(yùn)行成本兩個(gè)角度來(lái)平衡風(fēng)量設(shè)計(jì)，也是船舶涂裝行業(yè)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

1.2時(shí)序與濃度特征

船舶行業(yè)由于工件體積大，與其他涂裝行業(yè)的顯著區(qū)別是，其噴涂與漆膜晾干固化（船舶行業(yè)由于空間大，從能耗角度無(wú)法進(jìn)行加熱烘干，一般均是自然晾干固化）一般在同一車(chē)間內(nèi)完成；這就造成其廢氣濃度在不同時(shí)間段差異很大[4]。本文選擇了外高橋船廠某涂裝車(chē)間為例，其噴漆作業(yè)24小時(shí)廢氣濃度規(guī)律見(jiàn)圖1。

由圖1可知，船舶涂裝廢氣在不同的時(shí)間段濃度差異非常大，最高能達(dá)到2000mg/m3左右，最小接近0，造成濃度差異大的原因主要在于其作業(yè)規(guī)律：當(dāng)集中噴漆時(shí)，排放濃度高，噴漆結(jié)束后，漆膜晾干固化初期，由于揮發(fā)量大，廢氣濃度也相對(duì)較高，后濃度逐步降低。在16時(shí)左右有個(gè)濃度波峰，系補(bǔ)漆作業(yè)所致。

因此，在廢氣治理工藝設(shè)計(jì)時(shí)，保證在濃度高時(shí)的達(dá)標(biāo)排放是首要因素，同時(shí)在濃度較低時(shí)的節(jié)能降耗，也是需要考慮的重點(diǎn)。

1.3組分特征

船舶涂裝排放的廢氣多為以二甲苯、乙苯和醇類(lèi)為主的VOCs[5]，以某船舶為例的分析表明，這3種組分合計(jì)占VOC排放總量的74.8%[6]，上述特征污染物均為碳?xì)溲踅M成的有機(jī)化合物，其在高溫條件下很容易氧化成水和二氧化碳，因此在設(shè)計(jì)合理的條件下，能獲得較高的處理效率。

但是熱氧化類(lèi)處理工藝在高效的同時(shí)也會(huì)帶來(lái)另一個(gè)問(wèn)題，那就是除了碳?xì)溲鯐?huì)被氧化成水和二氧化碳，一些涂料中存在的其他元素會(huì)以氣態(tài)分子形式進(jìn)入熱氧化類(lèi)處理設(shè)備中而被氧化。在船舶涂裝行業(yè)，對(duì)設(shè)備整體設(shè)計(jì)和使用影響最大的就是鹵素元素，以氟（F）和氯（Cl）元素最多[7]，該類(lèi)元素雖然在涂料中以痕量級(jí)的量存在，但是其氧化后形成氟化氫（HF）和氯化氫（HCl）會(huì)對(duì)設(shè)備造成較為嚴(yán)重的腐蝕影響[8-9]，這是需要在設(shè)計(jì)階段和后期設(shè)備維護(hù)中特別注意的。

23種治理工藝的特征分析

對(duì)于大風(fēng)量低濃度的有機(jī)廢氣處理，最為合理的方式就是利用吸附設(shè)備濃縮后，對(duì)高濃度小風(fēng)量脫附廢氣進(jìn)行氧化處理，行業(yè)內(nèi)一般稱之為“轉(zhuǎn)輪+氧化”設(shè)備。目前，相對(duì)較為成熟和有效的吸附濃縮設(shè)備為轉(zhuǎn)輪設(shè)備，國(guó)內(nèi)這方面已有很多的研究[10-11]，此處就不進(jìn)行贅述，本文的工藝對(duì)比分析也僅關(guān)注于濃縮后廢氣的處理。

2.1轉(zhuǎn)輪+蓄熱式熱力氧化

RTO（RegenerativeThermalOxidizer，RTO）是在TO基礎(chǔ)上增加了非穩(wěn)態(tài)的熱傳遞方式，利用氧化后高溫尾氣的熱量，將有機(jī)廢氣加熱到760℃以上，并將其中的VOCs氧化分解為CO2和H2O。氧化產(chǎn)生的高溫氣體流經(jīng)蓄熱陶瓷特制的裝置，使其升溫而將熱量?jī)?chǔ)蓄起來(lái)，用于預(yù)熱后續(xù)進(jìn)入的有機(jī)廢氣，從而節(jié)省有機(jī)廢氣加熱升溫的燃料消耗。

由于氧化溫度高且熱量回收效果好，在設(shè)計(jì)合理的條件下，RTO的處理效率一般≥99%，熱回收效率一般≥95%。

2.2轉(zhuǎn)輪+催化氧化

CO（CatalyticOxidizer，CO）技術(shù)已比較成熟，其核心是催化劑，由于TO的氧化溫度比較高，廢氣在升溫過(guò)程中的能耗很大，經(jīng)濟(jì)性差，于是就催生了催化氧化技術(shù)。根據(jù)不同的催化劑和廢氣特點(diǎn)，催化氧化的溫度一般在350～500℃的區(qū)間內(nèi)。反應(yīng)溫度的降低一方面降低了能耗，另一方面也有效延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命。同時(shí)，由于反應(yīng)溫度相對(duì)較低，其熱源可選擇采用電加熱的方式，這樣就避免了明火的存在，使得該技術(shù)可以應(yīng)用在一些不能出現(xiàn)明火的場(chǎng)合。

但由于催化劑的特性，也使得部分廢氣不能使用該工藝進(jìn)行處理，比如含鹵素元素的廢氣，雖然現(xiàn)在已有抗鹵素元素的催化劑被成功研發(fā)，但是在實(shí)際應(yīng)用中，還存在一定損壞風(fēng)險(xiǎn)。由于催化劑反應(yīng)溫度相對(duì)較低，且大多數(shù)工程項(xiàng)目受限于造價(jià)，不可能無(wú)限的提高催化劑中貴金屬的含量，使得在實(shí)際工程中催化氧化技術(shù)的廢氣處理效率一般在97%左右[12]。

2.3轉(zhuǎn)輪+蓄熱式催化氧化

RCO（RegenerativeCatalyticOxidizer，RCO）是將RTO技術(shù)和CO技術(shù)融合到了一起，其熱量回收部分的設(shè)計(jì)跟RTO一致，也是采用蓄熱陶瓷進(jìn)行換熱實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中RCO的外形跟RTO基本一致，只是在設(shè)備內(nèi)多裝填了一層催化劑。因此，RCO兼具RTO和CO技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，即熱回收效率高、能耗低、沒(méi)有明火等。同樣，其造價(jià)較高、占地面積較大、對(duì)廢氣組分有要求，也限制了其在一些領(lǐng)域的應(yīng)用。

多數(shù)產(chǎn)生VOCs廢氣的企業(yè)在選擇RTO或RCO時(shí)，經(jīng)常是難以抉擇。因?yàn)楣に嚨倪x擇，首先要保證最重要的是達(dá)標(biāo)排放，其次是設(shè)備運(yùn)行的安全性，最后是其經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也需要考慮設(shè)備的占地情況，不同類(lèi)型企業(yè)不同類(lèi)型廢氣，需要具體情況具體分析。

3工藝與設(shè)備配置選擇

工藝的選擇是廢氣處理設(shè)計(jì)時(shí)最核心的內(nèi)容，工藝設(shè)計(jì)涉及的具體內(nèi)容較多，由于篇幅有限，本文僅從達(dá)標(biāo)性和安全性兩個(gè)角度，淺述船舶涂裝行業(yè)的工藝與設(shè)備配置的選擇要點(diǎn)。

3.1達(dá)標(biāo)性要求

廢氣處理設(shè)備工藝選擇第一要素就是能否滿足國(guó)家及地方的排放標(biāo)準(zhǔn)，目前國(guó)家各地方標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)VOCs的排放要求一般在50～120mg/m3，大部分地區(qū)的排放標(biāo)準(zhǔn)均在70mg/m3左右。

本文以外高橋船廠為例，其最大排氣濃度為2000mg/m3，排放標(biāo)準(zhǔn)按70mg/m3計(jì)，設(shè)備綜合處理效率需達(dá)到96.5%，由于“轉(zhuǎn)輪+氧化”工藝的特點(diǎn)是設(shè)備的綜合處理效率是由轉(zhuǎn)輪處理效率和氧化設(shè)備的處理效率共同構(gòu)成，且進(jìn)入氧化設(shè)備的風(fēng)量是經(jīng)過(guò)濃縮的廢氣，濃度相對(duì)較高，從安全性角度看，一般不超過(guò)8000mg/m3，而轉(zhuǎn)輪設(shè)備96.5%的處理效率已經(jīng)逼近其在經(jīng)濟(jì)價(jià)值范圍內(nèi)的極限值，因此氧化設(shè)備須具有較高的處理效率才能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。以外高橋船廠為例進(jìn)行計(jì)算，廢氣風(fēng)量為120000m3/h，在峰值濃度為2000mg/m3時(shí)，濃縮風(fēng)量為30000m3/h，即濃縮4倍，此時(shí)進(jìn)入氧化設(shè)備的廢氣濃度為8000mg/m3，氧化設(shè)備需要的最低處理效率為x，則x值計(jì)算如下：

通過(guò)計(jì)算可知氧化設(shè)備必須至少達(dá)到99.125%以上的處理效率才能滿足當(dāng)?shù)氐呐欧艠?biāo)準(zhǔn)，綜上可知僅RTO在加強(qiáng)一些關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)才可以滿足該處理效率要求。此時(shí)，如果企業(yè)不能通過(guò)生產(chǎn)節(jié)拍控制其廢氣排放濃度，就無(wú)法選擇RCO或CO作為氧化設(shè)備來(lái)處理廢氣。

即便如此，轉(zhuǎn)輪端96.5%的處理效率也已接近設(shè)備處理效率上限，如果考慮轉(zhuǎn)輪和RTO效率的衰減，那么隨著設(shè)備的逐漸使用，在高濃度情況下，仍存在不達(dá)標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。此時(shí)企業(yè)應(yīng)考慮適當(dāng)增加車(chē)間通風(fēng)量來(lái)降低廢氣的排放濃度，以減輕處理設(shè)備的效率要求。

3.2安全性要求

部分油漆車(chē)間或倉(cāng)庫(kù)均屬于防火建筑，其需要與散發(fā)明火設(shè)備預(yù)留相應(yīng)安全距離，該部分建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范已有明確要求，本文主要討論由此而帶來(lái)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。對(duì)于處理效率能夠接受RCO或CO的項(xiàng)目，可以采用電加熱的形式，從而避免了上述問(wèn)題。如果必須使用RTO，首先預(yù)留出足夠的安全距離，若由于場(chǎng)地問(wèn)題無(wú)法實(shí)現(xiàn)，可以采用防爆墻來(lái)進(jìn)行隔離。

由于部分船廠使用的油漆中含有F和Cl元素，在無(wú)法實(shí)現(xiàn)組分替代時(shí)，必須考慮設(shè)備的防腐。油漆中F和Cl元素一般是以化合物的形式存在，沒(méi)有高溫分解時(shí)基本沒(méi)有腐蝕性，在氧化設(shè)備中氧化后，會(huì)產(chǎn)生一定腐蝕性[13]。由于船舶涂裝行業(yè)油漆使用與生產(chǎn)訂單有關(guān)，腐蝕程度一般很難定量，較難從理論角度去設(shè)計(jì)其腐蝕余量，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，一般需要在設(shè)備關(guān)鍵位置使用耐腐蝕材料，或?qū)︿摻Y(jié)構(gòu)設(shè)備進(jìn)行防腐處理。同時(shí)，也必須考慮腐蝕性氣體泄漏對(duì)周邊設(shè)備造成的安全隱患，尤其是對(duì)加熱設(shè)備，如常見(jiàn)的燃燒器和電加熱器產(chǎn)生的腐蝕性危害。

其他如LEL、防爆等級(jí)、防靜電接地等問(wèn)題，屬于“轉(zhuǎn)輪+氧化”設(shè)備類(lèi)通用問(wèn)題，在船舶涂裝廢氣設(shè)計(jì)中也需要按照相關(guān)設(shè)計(jì)要求及企業(yè)實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)針對(duì)這些問(wèn)題已有不少研究，本文此處不再贅述。

4結(jié)論

船舶涂裝廢氣在進(jìn)行處理工藝選型時(shí)，首先需結(jié)合企業(yè)的實(shí)際廢氣排放濃度，結(jié)合國(guó)家和地方相關(guān)環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，并綜合考慮轉(zhuǎn)輪設(shè)備和各類(lèi)氧化設(shè)備的處理效率，選擇適合企業(yè)自身的處理工藝。由于催化劑的特點(diǎn)，導(dǎo)致RCO或CO工藝的處理效率相對(duì)較低，對(duì)于廢氣濃度較高的企業(yè)，氧化設(shè)備一般只能選擇RTO，同時(shí)應(yīng)計(jì)算設(shè)備的綜合處理效率，并考慮設(shè)備效率的衰減來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)輪和RTO處理效率要求的設(shè)計(jì)，以滿足廢氣排放的長(zhǎng)遠(yuǎn)達(dá)標(biāo)。

船舶涂裝廢氣組分基本以碳?xì)溲踅M成的有機(jī)廢氣為主，也有部分油漆中含有F和Cl等鹵素元素，經(jīng)過(guò)氧化處理后會(huì)形成一定腐蝕性化合物。廢氣治理設(shè)備選型時(shí)，如無(wú)法實(shí)現(xiàn)組分替代，需重點(diǎn)加強(qiáng)設(shè)備的防腐和泄漏保護(hù)，以提高設(shè)備的安全性。

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