目前,國家又在研究和推行涂裝行業(yè)清潔生產(chǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,其對(duì)涂裝能源消耗和廢氣排放提出了更高的要求,要求無論是溶劑型還是水性體系,配套的溶劑清漆噴漆廢氣都必須凈化處理。
1 涂裝廢氣處理現(xiàn)狀
以傳統(tǒng)溶劑型3C2B 整車涂裝工藝為例,其工藝流程及主要廢氣產(chǎn)生工序?yàn)椋喊总嚿怼撝碚{(diào)→磷化→陰極電泳→電泳烘干(排廢氣)→打磨鈑金→粗密封→底板防護(hù)→細(xì)密封→PVC 烘干(排廢氣)→等離子風(fēng)→電泳擦凈→人工噴中涂(內(nèi)腔)→自動(dòng)涂裝機(jī)噴中涂(排廢氣)→晾干→中涂烘干(排廢氣)→中涂強(qiáng)冷→中涂打磨→面漆前準(zhǔn)備→等離子風(fēng)→人工噴面漆(內(nèi)腔)(排廢氣)→機(jī)器人/自動(dòng)機(jī)噴面(排廢氣)→空氣站自動(dòng)噴金屬漆(排廢氣)→晾干→機(jī)器人/自動(dòng)機(jī)噴罩光漆(排廢氣)→檢查補(bǔ)漆→面漆烘干(排廢氣)→面漆強(qiáng)冷→修飾→檢查→裝飾→總裝。
在整個(gè)工藝過程中VOCs 廢氣主要來源于烘干廢氣和噴漆室廢氣。
1)烘干廢氣處理情況:涂裝電泳、涂PVC 膠、中涂、噴面漆各工序均需進(jìn)行烘干處理,所有烘干均在用天然氣加熱空氣的烘干室中進(jìn)行。烘干室產(chǎn)生的有機(jī)廢氣采用直接燃燒法進(jìn)行處理,燃燒溫度為800 ~ 850℃,以天然氣作為輔助燃料,二甲苯、甲苯等有機(jī)物凈化效率大于99%。
2)中涂、面漆噴漆室產(chǎn)生的廢氣處理情況:涂裝車間中涂、面漆噴漆室均采用上送風(fēng)下抽風(fēng)的文丘里氏噴漆室。噴漆時(shí)產(chǎn)生含二甲苯、甲苯、非甲烷總烴等污染物的有機(jī)廢氣和漆霧。漆霧經(jīng)文丘里水幕法處理,漆霧與含漆霧絮凝劑的水充分接觸形成漆渣,凈化效率99%以上。經(jīng)文丘里水幕法處理后,廢氣中污染物二甲苯、甲苯去除效率約為2%,非甲烷總烴去除效率約為11.8%,處理后廢氣由收集裝置收集后經(jīng)大煙囪進(jìn)行高空排放。
涂裝烘干廢氣已通過高溫裂解凈化后排放,而噴漆廢氣只是通過高空稀釋排放并未得到真正治理,在大氣污染壓力越來越大及國家環(huán)保政策越來越嚴(yán)的情況下,針對(duì)噴漆室高空排放的廢氣也應(yīng)該采用專用設(shè)施徹底凈化治理,控制排放。因此,為滿足汽車涂裝噴漆室廢氣VOCs 治理的要求,本文通過對(duì)廢氣的預(yù)處理+轉(zhuǎn)輪濃縮+燃燒技術(shù)進(jìn)行探討,為涂裝行業(yè)噴漆室廢氣治理提供參考。
2 噴漆室廢氣VOCs 處理技術(shù)路線
涂裝噴漆室廢氣具有風(fēng)量大、濃度低的特點(diǎn),例如20 JPH 的涂裝線僅清漆噴漆室的廢氣量(包含流平和晾干)即可達(dá)到近 35 萬m3/h,其濃度卻只有150 mg/m3右,如果采用直接燃燒則能耗很高,而經(jīng)過濃縮后再進(jìn)行焚化處理將會(huì)大大節(jié)約能源。
本文主要探討沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮+RCO 低溫催化燃燒法的處理方式,如圖1 所示,經(jīng)漆霧處理后,罩光漆(清漆)噴漆室廢 氣經(jīng)過濾后和罩光漆流平室廢氣進(jìn)入處理裝置。
2.1 預(yù)處理工序
針對(duì)廢氣中可能含有的顆粒物、水分等,采用高性能過濾器可以有效去除。過濾器采用干式過濾器,通過設(shè)計(jì),采用低效、中效和高效濾網(wǎng)多級(jí)組合應(yīng)用,可以去除95%以上的液滴或顆粒,從而保障沸石轉(zhuǎn)輪的效用和使用壽命。
2.2 濃縮工序
沸石轉(zhuǎn)輪是一種蜂窩式微結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)輪形狀,共分為3 個(gè)區(qū)域,分別為吸附區(qū)、脫附區(qū)和冷卻區(qū);在連續(xù)恒速轉(zhuǎn)動(dòng)中,對(duì)VOCs 進(jìn)行低溫吸附-高溫脫附-低溫冷卻的連續(xù)再生循環(huán),是實(shí)現(xiàn)VOCs 濃縮富集的一種裝置。在吸附區(qū),VOCs 廢氣進(jìn)入轉(zhuǎn)輪后,首先經(jīng)過由疏水性沸石負(fù)載的多孔蜂窩進(jìn)行低溫吸附,凈化后氣體直接排放至大氣;在脫附區(qū),經(jīng)過高溫空氣吹掃(其高溫脫附區(qū)的熱空氣源自冷卻區(qū)的空氣經(jīng)過燃燒系統(tǒng)熱交換后,溫度到達(dá)180 ~ 220 ℃,濃度已能夠滿足燃燒系統(tǒng)運(yùn)行要求,可以進(jìn)行燃燒處理),使轉(zhuǎn)輪吸附的VOCs 脫附出來,該脫附氣體的濃度為初始VOCs 廢氣濃度的5 ~ 20 倍;在冷卻區(qū),高溫脫附后的轉(zhuǎn)輪在低溫空氣吹掃下,很快達(dá)到正常使用溫度,可以繼續(xù)吸附VOCs。該裝置適用于大風(fēng)量、中低濃度的VOCs 污染物,在VOCs 實(shí)現(xiàn)濃縮后,進(jìn)入后續(xù)處理流程。
2.3 燃燒工序
燃燒工序是整套處理系統(tǒng)的核心工序,是VOCs治理的根本工序,在本工序中,VOCs 在直接熱力燃燒或催化劑作用下,快速發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成無毒無害的二氧化碳和水。常用的燃燒方式有蓄熱式催化燃燒(Regenerative Catalytic Oxidation, RCO)和蓄熱式熱力燃燒(Regenerative Thermal Oxidation, RTO),并且2 種技術(shù)均已成熟,并在國外汽車涂裝行業(yè)有很多成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。
RTO 系統(tǒng)的基本工作原理是把VOCs 加熱升溫至750 ℃以上,在燃燒室內(nèi)停留0.5 ~ 2.0 s,將廢氣中的VOCs 直接氧化分解為無毒無害的二氧化碳和水。燃燒產(chǎn)生的熱量被蓄熱體儲(chǔ)存,用于預(yù)熱新進(jìn)入的廢氣,從而節(jié)省廢氣升溫所需要的輔助燃料消耗,降低運(yùn)行成本。RCO 系統(tǒng)的工作流程與RTO 相近,但氧化分解VOCs 的原理完全不同,RCO 通過一種負(fù)載貴金屬(能夠大大降低VOCs 燃燒活化能并提高反應(yīng)速率的氧化性催化劑),在其表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng),將VOCs 氧化分解為無毒無害的二氧化碳和水。2 種技術(shù)的工程流程相近,處理效果相近,應(yīng)用領(lǐng)域相近,本文對(duì)比了RCO 和RTC 系統(tǒng)運(yùn)行的一般性能參數(shù),見表1。
通過對(duì)比,可以看出:
1)從安全角度考慮,RCO 處理VOCs 過程中,系統(tǒng)處于300 ~ 500 ℃區(qū)間且為無焰燃燒,較RTO 系統(tǒng)的直接熱力燃燒,可以降低多種風(fēng)險(xiǎn),安全性有較大保障。
2)從處理效果角度考慮,RCO 和RTO 均具有非常高的VOCs 處理能力,能夠滿足國家VOCs 排放目標(biāo)。但是RTO 系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一定量NOx,導(dǎo)致NOx 排放可能超標(biāo),隨著國家對(duì)NOx 排放日益加嚴(yán),未來幾年后可能需要對(duì)VOCs 處理裝置轉(zhuǎn)接一脫硝裝置,方能滿足排放要求。而RCO 系統(tǒng)則不存在此類問題,在300~ 500 ℃的溫度和系統(tǒng)壓力下,幾乎不產(chǎn)生NOx,不會(huì)造成二次污染。
3)從投資角度考慮,RCO 和RTO 系統(tǒng)均采用模塊化設(shè)計(jì)布置,RCO 系統(tǒng)占地更少,規(guī)模更小,一次性投入也更少,對(duì)于不產(chǎn)生效益的VOCs 廢氣治理來講,更少的投資意味著更多的效益。
4)從運(yùn)營和維護(hù)角度考慮,RCO 系統(tǒng)在VOCs 濃度大于500 mg/m3 即可實(shí)現(xiàn)自運(yùn)行,不需要消耗輔助燃料,而RTO 系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)熱循環(huán)自運(yùn)行則至少需要VOCs 濃度大于1 000 mg/m3。
結(jié)合以上對(duì)比分析結(jié)果,本文推薦RCO 技術(shù)更適合汽車涂裝VOCs 排放治理,更能夠滿足汽車涂裝工藝治理VOCs 排放的需要。
此外,RCO 還具有以下獨(dú)有的特點(diǎn):
1)起燃溫度低,反應(yīng)速度快,節(jié)省能源。催化燃燒過程中,催化劑起到降低VOCs 分子與氧分子反應(yīng)活化能,改變反應(yīng)路徑的作用。
2)轉(zhuǎn)化率高,二次污染和溫室氣體排放量低。采用催化燃燒處理VOCs 廢氣的轉(zhuǎn)化率通常在95%以上,產(chǎn)物為二氧化碳和 水。由于反應(yīng)溫度低,大大減少NOx 生成。輔助燃料產(chǎn)生的CO2 量在總CO2 中占很大比例,輔助燃料消耗量減少,能明顯減少溫室氣體CO2的排放量。
3)適用范圍廣。RCO 幾乎可以處理所有的烴類廢氣以及惡臭氣體,適合處理的VOCs 濃度較廣。對(duì)大流量、低濃度、多組分且無回收價(jià)值的VOCs 廢氣,采用RCO 技術(shù)是最經(jīng)濟(jì)合理的。
綜上所述,面對(duì)汽車涂裝工藝風(fēng)量大、濃度低、成分復(fù)雜等特點(diǎn),結(jié)合公司的投資和運(yùn)行成本等諸多因素,本文推薦的處理路線為預(yù)處理+濃縮轉(zhuǎn)輪+RCO 技術(shù)路線。即先通過活性炭纖維/顆粒吸附廢氣中的水分、灰塵等雜質(zhì),再通過沸石轉(zhuǎn)輪提升VOCs 濃度,最后經(jīng)過催化燃燒反應(yīng)器處理VOCs,實(shí)現(xiàn)排放目標(biāo)。
3 預(yù)期的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益
汽車涂裝生產(chǎn)過程中,溶劑型涂料在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)物廢氣主要是苯、二甲苯、非甲烷總烴等有機(jī)溶劑類碳?xì)浠衔?。?duì)風(fēng)量大、濃度低的噴漆室VOCs 廢氣來說,先采用濃縮轉(zhuǎn)輪吸附后再采用RCO 設(shè)施進(jìn)行處理,凈化率大于95%,可以達(dá)到國家環(huán)保要求,既節(jié)能又環(huán)保。以20 JPH 的涂裝線清漆工序?yàn)槔?,按照某涂裝車間全年VOCs 數(shù)據(jù)均值計(jì)算得出其涂裝車間噴漆室VOCs 濃度為157.20 mg/m3。需要處理的廢氣量為324 000 m3/h,凈化率為95%,按照產(chǎn)能為兩班251 d/a,設(shè)備開動(dòng)率93%,經(jīng)過計(jì)算,通過沸石轉(zhuǎn)輪吸附及蓄熱催化氧化焚燒裝置處理,可減少VOCs 的排放量為180.72 t/a,為改善周邊大氣環(huán)境作出巨大貢獻(xiàn)。
4 結(jié)語
1)隨著VOCs 治理政策、法規(guī)的不斷嚴(yán)格,汽車涂裝行業(yè)VOCs 治理已迫在眉睫。
2)汽車涂裝車間噴漆室廢氣VOCs 排放風(fēng)量大、濃度低、種類多樣,采用“預(yù)處理+濃縮轉(zhuǎn)輪+RCO”路線能夠?qū)崿F(xiàn)VOCs 治理目標(biāo)。
3)采用“預(yù)處理+濃縮轉(zhuǎn)輪+RCO”治理汽車涂裝車間VOCs 排放,具有安全、高效、投資少、運(yùn)行成本低和可持續(xù)發(fā)展的特點(diǎn),是較為可行的廢氣治理路線。