一體式客車噴烘漆房設(shè)備的設(shè)計與應(yīng)用

賀文磊 中國鐵路上海局集團有限公司上海車輛段

1 我段客車車體涂裝的現(xiàn)狀

長期以來，傳統(tǒng)客車車體噴漆一直是采用油漆噴涂+電加熱烘漆的方式，能耗高，污染重，已經(jīng)不適應(yīng)當(dāng)今倡導(dǎo)的低碳環(huán)保型經(jīng)濟理念。

上海車輛段段段修車間坐落于上海市靜安區(qū)，屬于人口密集型地區(qū)，對環(huán)保排放要求極高。因此以長期穩(wěn)定達標排放、節(jié)約能源為核心，設(shè)計應(yīng)用了一體式客車噴烘漆房設(shè)備，大大降低客車車體涂裝過程中有機揮發(fā)成分的產(chǎn)生，在根本上解決了 VOC（揮發(fā)性有害氣體）排放量大的問題，減輕了作業(yè)環(huán)境靠近居民區(qū)的環(huán)保壓力，實現(xiàn)了在人口密集型地區(qū)依法合規(guī)的段修生產(chǎn)。

2 一體式客車噴烘漆房設(shè)備的設(shè)計應(yīng)用

2.1 主要工作原理

一體式客車噴烘漆房設(shè)備用于客車車輛車漆噴涂及強制干燥，主要具有通風(fēng)、空氣凈化、漆霧處理及噴漆后的烘干功能。

根據(jù)段修每周進、出車計劃，噴烘漆房尺寸為 84×60×6.3（長×寬×高）（m），可滿足三輛車同時噴漆及烘干作業(yè)，全室理論總送風(fēng)量應(yīng)達400 000 m3/h。若采用集中供風(fēng)的方式，風(fēng)量過大，能耗過高。因此，化整為零，將送排風(fēng)系統(tǒng)分成7套獨立的單元，實現(xiàn)分段送、排風(fēng)。每套送、排風(fēng)機組由1臺送風(fēng)機和1臺排風(fēng)機組成。通過控制每套獨立單元的風(fēng)量，以滿足3個工位噴漆和烘干各工況下不同風(fēng)量的需求，同時實現(xiàn)相對能耗最小化。

在噴漆工況下，送風(fēng)風(fēng)閥F1、排風(fēng)風(fēng)閥F2完全打開，循環(huán)風(fēng)閥F3、廢氣風(fēng)閥F4關(guān)閉，送、排風(fēng)機同時工作，通風(fēng)系統(tǒng)向室內(nèi)供應(yīng)100%的室外空氣，并通過變頻器控制風(fēng)機保持室內(nèi)微負壓25 Pa～50 Pa，通風(fēng)方式為上送下吸。室外新鮮空氣由進風(fēng)口經(jīng)過初效過濾器、中效過濾器、升溫段、送風(fēng)機段進入靜壓室，靜壓室底部的過濾頂棉對氣流進行均壓，并阻截塵埃。清潔空氣呈層流方式進入室內(nèi)，在工件周圍形成風(fēng)幕，使噴漆剩余漆霧不向四周彌散，以保護作業(yè)人員的勞動安全。此時，室內(nèi)有載風(fēng)速為0.5 m/s左右，在氣流的作用下噴漆剩余漆霧將不會在操作者呼吸帶附近滯留，而隨氣流下降，在排風(fēng)機的引力作用下，氣霧經(jīng)過折流、沉降和吸附的處理后經(jīng)環(huán)保箱凈化通過排風(fēng)煙囪排出室外，廢氣排放滿足GB16297-1996的標準。

在烘干狀態(tài)下，95%空氣循環(huán)利用，5%空氣通過廢氣溢流風(fēng)機排至室外，保持室內(nèi)有一定的氣體溢流，避免廢氣濃度過高。此時循環(huán)風(fēng)閥F3、廢氣溢流風(fēng)閥F4和送風(fēng)風(fēng)閥F1開啟到設(shè)定位置、排風(fēng)風(fēng)閥F2關(guān)閉，排風(fēng)機不工作，送風(fēng)機和廢氣溢流風(fēng)機同時工作，送風(fēng)機通過變頻器調(diào)節(jié)送風(fēng)量，廢氣溢流量約為5 000 m3/h。

2.2 主要設(shè)備說明

一體式客車噴烘漆房內(nèi)設(shè)備主要由室體、供風(fēng)加熱系統(tǒng)、空氣凈化系統(tǒng)、排風(fēng)及漆霧處理系統(tǒng)組成。配套相應(yīng)的壓力檢測系統(tǒng)、可燃氣體監(jiān)測報警系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、組及電動工作走臺。

室體由漆房主體、大門、安全門、照明裝置等部分組成的封閉空間，形成涂裝作業(yè)有限場所。室體采用既有房屋結(jié)構(gòu)，增加頂部鋼平臺放置送排風(fēng)機組。在室體頂部共安裝2排防爆照明燈組，照明燈具設(shè)置按GB14444-2006《噴漆室安全技術(shù)規(guī)定》要求。照明分組控制，每組照明燈可選擇開啟數(shù)量。室內(nèi)照度＞500LX，照度均勻。在室體底部兩側(cè)共設(shè)置2道排風(fēng)溝，風(fēng)溝的地板格柵上平面在±0處，格柵蓋板與鋼軌下底面平齊。

供風(fēng)加熱系統(tǒng)共配備了7套供風(fēng)機組及熱泵加熱裝置。為了滿足室內(nèi)三個臺位的通風(fēng)換氣要求，供風(fēng)系統(tǒng)與排風(fēng)系統(tǒng)配合運行，以保證噴漆作業(yè)產(chǎn)生的有機氣體和過噴漆霧被良好捕捉并處理，使操作環(huán)境達到勞動保護要求。通風(fēng)方式采用上送下吸式，使室內(nèi)實現(xiàn)層流送風(fēng)，室內(nèi)平均有載風(fēng)速為0.30 m/s左右。冬季室外空氣溫度過低時，啟動加熱裝置可以實現(xiàn)噴漆作業(yè)和烘干作業(yè)時環(huán)境溫度的提高。

每套供風(fēng)機組由進風(fēng)口、吸風(fēng)道、進風(fēng)調(diào)節(jié)閥、進風(fēng)過濾系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、送風(fēng)機、箱體、導(dǎo)流板、頂部靜壓室、循環(huán)風(fēng)閥、循環(huán)風(fēng)道組成。全室送風(fēng)由7套供風(fēng)機組完成，每套供風(fēng)機組供風(fēng)量為60 000 m3/h左右，選用空調(diào)專用風(fēng)機，具體參數(shù)見表1。

表1 空調(diào)專用風(fēng)機參數(shù)表

空氣凈化系統(tǒng)采用三級過濾方式，即粗效過濾、中效過濾和高效過濾。粗、中效過濾設(shè)置在風(fēng)機之前，對空氣進行初級凈化，粗、中效過濾采用布袋式過濾，安裝在滑道內(nèi)，便于更換；高效過濾安裝在靜壓室底部，對空氣進行高效過濾和均壓，過濾后保證進入漆房內(nèi)的空氣潔凈度達到塵埃量不超過1.5 mg/m3，15 μm以上的塵埃100%過濾。過濾材料均為阻燃材料，耐溫≥100℃，耐濕100%。

排風(fēng)及漆霧處理系統(tǒng)主要包括漆霧過濾裝置，活性炭吸附脫附裝置及排風(fēng)機組成，其作用是使送風(fēng)氣流順利排出并處理噴漆剩余漆霧中的有害揮發(fā)物。漆霧在高速氣流的作用下落入底部過濾材料上，其中固體分被阻攔，溶劑中的有害氣體被稀釋并經(jīng)活性炭吸附后達標排放。在底部兩側(cè)地溝內(nèi)安置有漆霧過濾裝置，用以過濾噴漆剩余漆霧中的樹脂等固體分。

漆霧過濾裝置主要采用過濾底棉，其主要技術(shù)指標見表2。

表2 漆霧過濾裝置技術(shù)指標表

根據(jù)現(xiàn)場涂裝工藝狀況及空間位置，對應(yīng)送風(fēng)系統(tǒng)，配置了7套排風(fēng)及廢氣處理裝置，排風(fēng)機功率為37 kW，單套設(shè)備處理能力為60 000 m3/h。當(dāng)吸附快飽和時，開啟脫附箱進行脫附解析，解析完后，恢復(fù)吸附功能。

在室內(nèi)兩側(cè)設(shè)置電動升降臺，每組升降臺尺寸根據(jù)現(xiàn)場情況制作，承載≥300 kg；升降臺工作范圍為0.5 m～4.5 m，便于人工作業(yè)。控制系統(tǒng)采用觸摸屏+PLC控制各執(zhí)行器自動運行。噴烘漆室內(nèi)設(shè)計配置壓力報警裝置、溫度保護裝置及可燃氣體檢測報警裝置，該保護裝置均與控制系統(tǒng)連鎖，以保證設(shè)備安全運行。

2.3 凈化處理工藝

噴漆廢氣凈化處理工藝采用:干式過濾+活性炭吸附濃縮+催化燃燒解析的處理工藝。

2.3.1 廢氣凈化處理過程

廢氣經(jīng)冷卻后由引風(fēng)機吸至高效過濾裝置，然后進入活性炭吸附箱，此時有機廢氣經(jīng)過活性炭時溶劑即被吸附在活性炭表面，而潔凈氣體由后置引風(fēng)機排至室外。

2.3.2 廢氣基本凈化工藝原理

基本原理：利用蜂窩狀活性炭多微孔的吸附特性吸附有機廢氣。蜂窩狀活性炭具有性能穩(wěn)定、抗腐蝕和耐高速氣流沖擊的優(yōu)點，用其對有機廢氣進行吸附使凈化效率高達85%～90%。

整套吸附和催化燃燒過程采用PLC電器自動控制。活性碳吸附飽和后用熱空氣脫附再生使活性碳重新投入使用，通過控制脫附過程流量可將有機廢氣濃度濃縮10倍～20倍，脫附氣流經(jīng)催化床內(nèi)設(shè)置的加熱裝置加熱至250℃左右，在催化劑作用下起燃，催化燃燒過程凈化效率可達97%以上，燃燒后生成CO2和H2O并釋放出大量熱量，該熱量通過催化燃燒床內(nèi)的熱交換器一部分再用來加熱脫附出的高濃度廢氣，另外一部分加熱室外來的空氣做活性碳脫附氣體使用，一般達到脫附～催化燃燒自平衡過程須啟動加熱器1 h左右。達到熱平衡后關(guān)閉加熱裝置，這時再生處理系統(tǒng)靠廢氣中的有機溶劑做燃料，無須外加能源基礎(chǔ)上使再生過程達到自平衡循環(huán)，極大地減少能耗，并且無二次污染的產(chǎn)生。

2.3.3 廢氣深度凈化工藝原理

當(dāng)活性炭吸附一段時間后即已處于飽和狀態(tài)不能正常吸附溶劑，此時必須要對活性炭進行脫附，脫附的介質(zhì)是熱空氣。因此，配置了一套廢氣脫附催化燃燒裝置，對廢氣進行深度凈化處理，確保既能處理被解析的有機溶劑，又能發(fā)出熱能產(chǎn)生熱氣流對活性炭進行脫附。

廢氣催化凈化裝置由主機、引風(fēng)機及電控柜組成，凈化裝置主機由換熱器、催化床、加熱組件、阻火阻塵器和防爆裝置等組成，阻火除塵器位于進氣管道上，防爆裝置設(shè)在主機的頂部。催化燃燒治理原理是將有機氣體源通過引風(fēng)機作用送入凈化裝置。首先通過除塵阻火器系統(tǒng)，然后進入換熱器，再送入到加熱室，通過加熱裝置，使氣體達到燃燒反應(yīng)溫度，再通過催化床的作用，使有機氣體分解成二氧化碳和水，反應(yīng)后再進入換熱器與低溫氣體進行熱交換，使進入的氣體溫度升高達到反應(yīng)溫度。如達不到反應(yīng)溫度，這樣加熱系統(tǒng)就可以通過自控系統(tǒng)實現(xiàn)補償加熱，使它達到完全燃燒溫度而反應(yīng)，不但節(jié)省了能源，而且也確保廢氣有效去除率達到97%以上，符合國家排放標準。

2.4 能耗經(jīng)濟分析

2.4.1 烘漆工藝要求

一體式噴烘漆房設(shè)備主要能耗來源于室內(nèi)溫濕度調(diào)節(jié)及烘漆過程中加熱揮發(fā)，具體溫濕度要求見表3。

表3 烘漆溫濕度要求表

2.4.2 加熱設(shè)備的選型和說明

烘漆設(shè)備需把1 800 m3的環(huán)境溫度從5℃升溫至50℃計算，則熱負荷為：

1800 m3空氣 Q=C×m×(t2-t1)=1.003×1 800×1 000×1.29×45=104 803 kJ。(空氣的比熱容 C=1.003J/(kg×K),1 m3的空氣質(zhì)量m=1.29 kg)

熱泵烘干機能將周圍環(huán)境中的低品位熱能轉(zhuǎn)移到高品位熱能，通過控制裝置的工況，使干燥室的熱干空氣的能級提升，實現(xiàn)直接利用。因此，選用熱泵烘干機循環(huán)式機組，機組實物圖見圖1。

設(shè)備主要說明安裝如下：

（1）在噴烘漆房南側(cè)副房房頂上裝機組銅管與房內(nèi)冷媒加熱組件對接，蒸發(fā)器交換后的冷量直接排到室外。熱泵主機均應(yīng)放置在烘房副房頂面用槽鋼加固的鋼結(jié)構(gòu)平臺上，以分散重力。

圖1 熱泵烘干機循環(huán)式機組實物圖

（2）系統(tǒng)構(gòu)成：熱泵系統(tǒng)主要由熱泵機組模塊式組合、加熱組件、冷凝管道排水組件、聯(lián)接銅管及控制柜組成。

（3）工作方式：采用強制循環(huán)，運行穩(wěn)定。

（4）溫控系統(tǒng)：熱泵由溫控柜全自動控制，升溫可在25℃～50℃之間任意設(shè)定，當(dāng)使用時，烘干房的溫度低于所設(shè)定溫度時，系統(tǒng)自動啟動，熱泵機組工作，當(dāng)達到所設(shè)定溫度時，系統(tǒng)自動關(guān)閉，保證熱泵系統(tǒng)全天候供應(yīng)。

（5）電力需求：主電源總負荷為150 kW。

2.4.3 經(jīng)濟效益對比

以冬季三個臺位全開全室烘干計算，將常規(guī)電加熱與熱泵進行經(jīng)濟性及使用性能對比，具體對比見表4。

表4 常規(guī)電加熱與熱泵進經(jīng)濟性及使用性能對比表

一體化客車噴烘漆房利用先進高效的烘漆加熱技術(shù)，極大程度地降低了能耗，節(jié)約了成本。

3 結(jié)束語

綜上所述，通過深入分析客車車體涂裝的既有現(xiàn)狀，積極探索改革方向，優(yōu)化工藝方案，并在研討論證的基礎(chǔ)上考慮利用現(xiàn)代先進的科學(xué)技術(shù)。一體式客車噴烘漆房設(shè)備的設(shè)計應(yīng)用，實現(xiàn)了車體涂裝的技術(shù)先進、成本節(jié)約、節(jié)能環(huán)保、勞效優(yōu)化的目標。