涂裝噴漆室有機(jī)廢氣 VOC 治理技術(shù)研究

 

文章介紹了涂裝噴漆室有機(jī)廢氣 VOC 的幾種常見治理技術(shù)，對比了濃縮+焚燒清潔凈化理論的兩種路線，并詳細(xì)介紹了沸石濃縮吸附 VOC 的機(jī)理，同時對后續(xù)兩種常用的有機(jī)廢氣焚燒處理方式進(jìn)行了比較。

 

 

隨著社會的不斷進(jìn)步與科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在人們越來越關(guān)心我們賴以生存的地球。近兩年，汽車整車廠周圍的居民投訴量與日俱增，國家出臺了新環(huán)保法、大氣保護(hù)法等，部分地區(qū)地方標(biāo)準(zhǔn)相繼出臺，環(huán)境保護(hù)已然提升到了國家發(fā)展戰(zhàn)略層面的新高度。為支撐國家重點區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃，我司作為環(huán)保急先鋒，立即著手對汽車整車涂裝車間有機(jī)廢氣VOC 進(jìn)行治理。有機(jī)污染物種類繁多，特性各異，因此相應(yīng)采用的治理方法也各不相同，常用的有：冷凝法、吸收法、燃燒法、催化法、吸附法等。涂裝生產(chǎn)線噴漆室排放氣體主要為烴類、醇類、酯類、丙二醇類、二甲苯等物質(zhì)等。針對汽車涂裝噴漆室有機(jī)廢氣污染物物理特性，且具有低濃度、大風(fēng)量、易燃燒的特點，采取先濃縮+焚燒的清潔凈化技術(shù)，將 VOC 氣體轉(zhuǎn)換為二氧化碳(CO2)和水(H2O)，從而實實在在降低 VOC 排放量，以保護(hù)我們賴以生存的大氣環(huán)保。

 

 

根據(jù)濃縮+焚燒技術(shù)清潔凈化理論，目前可供選擇的方式主要有活性碳+催化燃燒法和沸石濃縮轉(zhuǎn)輪+高溫焚燒法兩種。

2.1 活性碳吸附+催化燃燒法原理

圖 1 活性碳吸附+催化燃燒法流程圖

2.2 沸石濃縮轉(zhuǎn)輪+焚燒法原理

沸石濃縮轉(zhuǎn)輪+高溫焚燒法采用沸石轉(zhuǎn)輪將大風(fēng)量，低濃度廢氣轉(zhuǎn)化為高濃度低風(fēng)量氣體，從而能選擇較小的焚燒爐對高濃度有機(jī)廢氣進(jìn)行焚燒。在低溫條件下，有機(jī)廢氣通過沸石轉(zhuǎn)盤，有機(jī)物被吸附在沸石轉(zhuǎn)盤上，分出一部分氣流量（約 1/20）進(jìn)入冷卻區(qū)，冷卻區(qū)氣體進(jìn)入換熱器被加溫到 180℃ 到 200℃，然后高溫氣體反向回到沸石轉(zhuǎn)盤，將有機(jī)物脫附下來，濃度可做到原來的 25 倍以上。在 700℃-800℃溫度下，將濃縮后的有機(jī)廢氣裂解為清潔的 CO2和 H2O，從而到達(dá)無害化排放。廢氣通過提升閥被提升到燃燒室進(jìn)行燃燒，有機(jī)物處理效率 99%以上。

 

圖 2 沸石濃縮轉(zhuǎn)輪+高溫焚燒法流程圖 

2.3 兩種方式的比較

涂裝生產(chǎn)線面漆噴漆室排風(fēng)量大、濃度低，場地狹窄，采用吸附法處理存在諸多問題，實施的可行性極低，以 100萬 m3/h 風(fēng)量為例，主要對比見表 1。目前，國內(nèi)主要是電子、集裝箱、汽配、化工等一些小型高濃度，低風(fēng)量(排風(fēng)量一般在 25 萬 m3以下)，對噴涂車間噴涂風(fēng)場要求不高，在環(huán)保要求嚴(yán)格的地域采用了“活性碳吸附+催化燃燒法”，該方法適用于低濃度（≤1000mg/m3）且不宜采用直接燃燒或催化燃燒法和回收處理的有機(jī)廢氣。

因汽車整車噴漆室風(fēng)速高精度控制要求(垂直風(fēng)速±0.05m/s)，活性碳占地面積大，吸附效率下降快，解附時存在相對較高的安全風(fēng)險的原因，故選擇沸石濃縮轉(zhuǎn)輪+高溫焚燒法。目前活性碳吸附+催化燃燒法在國內(nèi)大型汽車整車涂裝生產(chǎn)線無實際應(yīng)用案例，國外已基本淘汰。

表 1 兩種方式比較  

 

沸石（又稱分子篩）是一種硅鋁酸鹽多微孔的硅酸鹽或硅鋁酸鹽晶體，是由硅氧四面體或鋁氧四面體通過氧橋鍵相連而形成分子尺寸大?。ㄍǔ?0.3~2 nm）的孔道和空腔體系，因吸附分子大小和形狀不同而具有篩分大小不同的流體分子的能力。

圖 3 沸石合成公式

圖 4 沸石晶體結(jié)構(gòu)

分子篩對物質(zhì)的吸附來源于物理吸附（范德華力），其晶體孔穴內(nèi)部有很強(qiáng)的極性和庫侖場，對極性分子（如水）和不飽和分子表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸附能力。分子篩具有均勻的微孔 結(jié)構(gòu)，它的孔穴直徑大小均勻，這些孔穴能把比其直徑小的 分子吸附到孔腔的內(nèi)部，并對極性分子和不飽和分子具有優(yōu) 先吸附能力，因而能把極性程度不同，飽和程度不同，分子 大小不同及沸點不同的分子分離開來，即具有“篩分”分子 的作用，故稱分子篩。分子篩具有吸附能力高，熱穩(wěn)定性強(qiáng) 等其它吸附劑所沒有的優(yōu)點，獲得了廣泛的應(yīng)用。 

圖 5 沸石篩選分子示意圖

3.2 沸石轉(zhuǎn)輪（VOC濃縮器）工作原理 

沸石轉(zhuǎn)輪的目的是為了將 VOC 氣體從大風(fēng)量濃縮到小風(fēng)量中。在小風(fēng)量中，VOC 氣體將更高效地被焚燒爐(TAR/RTO) 處理。吸附的意思是流體分子在被稱作“吸附介質(zhì)”的“活 性”物質(zhì)上富集。類似于海綿，吸附介質(zhì)將 VOC 吸收進(jìn)來， 然后通過高溫解吸再將 VOC“擠”出去。VOC 濃縮器的轉(zhuǎn)輪是 由蜂窩狀的陶瓷纖維片為材料組成，而其中又被浸漬了防水 的沸石（分子篩）作為吸附介質(zhì)。此濃縮系統(tǒng)是一個連續(xù)的 運轉(zhuǎn)過程，轉(zhuǎn)輪一直在旋轉(zhuǎn)。因此它被分為了三個區(qū)域：處 理區(qū)，解吸區(qū)，冷卻區(qū)，每個區(qū)域間相互隔離。含 VOC 的廢 氣在經(jīng)過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)輪處理區(qū)的時候被收集，當(dāng)氣體過了轉(zhuǎn)輪后， VOC 就被轉(zhuǎn)輪上的吸附介質(zhì)吸附了。凈化的氣體被釋放進(jìn)入 大氣。在解吸區(qū)域，附著在轉(zhuǎn)輪上的 VOC 被連續(xù)的高溫及低 流量解吸氣體從反方向解吸收。高濃縮的 VOC 氣體從轉(zhuǎn)盤中 脫離并被送到熱氧化系統(tǒng)做最后的 VOC 凈化。轉(zhuǎn)輪中熱的解 吸區(qū)域接著被轉(zhuǎn)到了冷卻區(qū)域，在這里冷卻氣會將它冷卻。 VOC 廢氣一部分通過這塊冷卻區(qū)域，并去到解吸換熱器中換 熱。在換熱器中，冷卻氣會被 TAR/RTO 等高溫裂解設(shè)備出來 的高溫凈化氣體換熱成為高溫的解吸氣體，沸石濃縮轉(zhuǎn)輪分 區(qū)見圖 6。 

圖 6 沸石濃縮轉(zhuǎn)輪分區(qū)圖 

與其它吸附劑介質(zhì)相比，沸石具有很多優(yōu)勢：可燃性低、 由于解吸溫度高，從而使用壽命長、高沸點化合物累積量減 少、以及耐化學(xué)性高。 

3.3 沸石濃縮轉(zhuǎn)輪系統(tǒng) 

沸石轉(zhuǎn)輪濃縮系統(tǒng)由濕度控制系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)、濃縮器 構(gòu)成。 溫濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)進(jìn)入濃縮器廢氣的溫濕度，通常 沸石在 40℃及相對濕度 75%以下，吸附效果最佳。 廢氣過濾系統(tǒng)，過濾噴漆室廢氣中易導(dǎo)致濃縮設(shè)備阻塞 和失效的雜質(zhì)、顆粒物；一般情況下，每套過濾系統(tǒng)分四級 過濾，安裝在每套溫濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，最后一級過濾選用 F9 級，保證沸石轉(zhuǎn)輪的最佳使用壽命。 沸石濃縮轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)，濃縮有低濃度機(jī)廢氣中的有機(jī)物 (VOC)，并將大風(fēng)量變?yōu)樾★L(fēng)量，將 VOC 濃縮廢氣送入 RTO 或 TAR 進(jìn)行清潔凈化處理，根據(jù)我司涂裝噴漆室的工藝、涂 料特點，VOC爆炸濃度極限約為12g/m3 (設(shè)計值必須小于極限 值的 25%)，通常我們會將濃縮器的濃縮比設(shè)計為 25:1，VOC 去除效率可達(dá) 90%以上。利用 VOC 具有可燃性，在保證安全 的前提下，做到最大的濃縮比，以節(jié)約天然氣的耗量。經(jīng)沸 石濃縮轉(zhuǎn)輪凈化后的氣體中 VOC 的濃度含量達(dá)到 20mg/m3 以下，與歐洲標(biāo)準(zhǔn)基本持平。

圖 7 沸石濃縮轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 

3.4 廢氣焚燒處理系統(tǒng)

表 2 廢氣焚燒處理方式比較 

根據(jù)我司多年 TAR 與 RTO 的使用經(jīng)驗，TAR 具有環(huán)保 與供能兩個功能有效的結(jié)合，設(shè)備維護(hù)成本低，系統(tǒng)占地小， 利于設(shè)備布置，通過加裝余熱回收裝置，系統(tǒng)排煙溫度可以 做到 110℃，節(jié)能水平與 RTO 相當(dāng)。從目前的綠色經(jīng)濟(jì)、環(huán) 保、節(jié)能的方面看，TAR 這種廢氣處理與熱能回收方式的優(yōu)點已被我司所接受。TAR 與 RTO 的優(yōu)缺點對比見表 2。

3.5 廢氣處理系統(tǒng)

TAR 設(shè)備的用途是將從 KPR 濃縮器出來的 VOC 脫附氣體進(jìn)行氧化處理。在進(jìn)入 TAR 燃燒腔前，廢氣會先被 TAR 內(nèi)的換熱器預(yù)熱。在燃燒腔中，燃燒器會提供熱量來保證 VOC 有效氧化需要的熱量。VOC 的氧化是通過天然氣燃燒器加熱氣流，使之達(dá)到 760℃并保持這一溫度至少 1 秒而實現(xiàn)將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為無害的 CO2和 H2O 向大氣排放。在通過燃燒腔后，凈化的氣體通過換熱器的管道將其部分的熱量傳遞給進(jìn)來的廢氣。這臺換熱器就在 TAR 出口。從燃燒腔出來的熱的凈化氣體通過換熱器將“冷”的解吸氣體加熱，然后去濃縮器進(jìn)行解吸。 

 

環(huán)保已成為我國現(xiàn)階段汽車涂裝工業(yè)的發(fā)展趨勢，也必將為我們帶來巨大的社會效益。目前我司選擇的沸石濃縮轉(zhuǎn)輪+焚燒方式是世界一流的涂裝噴漆室廢氣處理工藝，具有安全、高效、高熱能利用率，廢氣排放可以滿足最為苛刻的歐洲環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。