涂裝噴漆室有機廢氣VOC治理技術研究

徐超 羅燈遠

摘 要：文章介紹了涂裝噴漆室有機廢氣VOC的幾種常見治理技術，對比了濃縮+焚燒清潔凈化理論的兩種路線，并詳細介紹了沸石濃縮吸附VOC的機理，同時對后續(xù)兩種常用的有機廢氣焚燒處理方式進行了比較。關鍵詞：VOC;沸石濃縮;TAR;RTO中圖分類號：U466 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2019）01-165-04

Study on VOC treatment technology of organic exhaust gas in paint shop

Xu Chao， Luo Dengyuan

（Beijing Electric Vehicle CO.，?LTD， Beijing?100176）

Abstract：?In this paper， several common treatment techniques of organic exhaust gas VOC in paint shop are introduced， two routes of concentrated+incineration clean purification theory are compared， and the mechanism of zeolite concentrated adsorption VOC is introduced in detail， and the following two commonly used methods of organic exhaust gas incineration are compared.Keywords： VOC; Zeolite concentration;?TAR;?RTOCLC NO.： U466 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2019）01-165-04

1 前言

隨著社會的不斷進步與科學技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)在人們越來越關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、大氣保護法等，部分地區(qū)地方標準相繼出臺，環(huán)境保護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廢氣VOC進行治理。有機污染物種類繁多，特性各異，因此相應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、二甲苯等物質等。針對汽車涂裝噴漆室有機廢氣污染物物理特性，且具有低濃度、大風量、易燃燒的特點，采取先濃縮+焚燒的清潔凈化技術，將VOC氣體轉換為二氧化碳（CO₂）和水（H₂O），從而實實在在降低VOC排放量，以保護我們賴以生存的大氣環(huán)保。

2 濃縮+焚燒技術的選擇

根據(jù)濃縮+焚燒技術清潔凈化理論，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輪+高溫焚燒法兩種。

2.1 活性碳吸附+催化燃燒法原理

含有機物的廢氣經(jīng)風機的作用，經(jīng)過漆霧過濾器再經(jīng)過活性炭吸附層，有機物質被活性炭特有的作用力截留在其內(nèi)部，潔凈氣體排出;經(jīng)過一段時間后，活性炭達到飽和狀態(tài)時，停止吸附，此時有機物已被濃縮在活性炭內(nèi)。

催化凈化裝置內(nèi)設加熱室，啟動加熱裝置，進入內(nèi)部循環(huán)，當熱氣源達到有機物的沸點時，有機物從活性炭內(nèi)脫附出來，進入催化室進行催化分解成CO₂和H₂O，同時釋放出能量。利用釋放出的能量再進入吸附床脫附時，此時加熱裝置完全停止工作，有機廢氣在催化燃燒室內(nèi)維持自燃，尾氣再生，循環(huán)進行，直至有機物完全從活性炭內(nèi)部分離，至催化室分解。活性炭得到了再生，有機物得到催化分解處理，理論設計處理效率約為90%。流程圖見圖1。

2.2 沸石濃縮轉輪+焚燒法原理

沸石濃縮轉輪+高溫焚燒法采用沸石轉輪將大風量，低濃度廢氣轉化為高濃度低風量氣體，從而能選擇較小的焚燒爐對高濃度有機廢氣進行焚燒。在低溫條件下，有機廢氣通過沸石轉盤，有機物被吸附在沸石轉盤上，分出一部分氣流量（約1/20）進入冷卻區(qū)，冷卻區(qū)氣體進入換熱器被加溫到180℃?到200℃，然后高溫氣體反向回到沸石轉盤，將有機物脫附下來，濃度可做到原來的25倍以上。

在700℃-800℃溫度下，將濃縮后的有機廢氣裂解為清潔的CO₂和H₂O，從而到達無害化排放。廢氣通過提升閥被提升到燃燒室進行燃燒，有機物處理效率99%以上。

2.3 兩種方式的比較

涂裝生產(chǎn)線面漆噴漆室排風量大、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，低風量（排風量一般在25萬m³以下），對噴涂車間噴涂風場要求不高，在環(huán)保要求嚴格的地域采用了“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廢氣。因汽車整車噴漆室風速高精度控制要求（垂直風速±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險的原因，故選擇沸石濃縮轉輪+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)線無實際應用案例，國外已基本淘汰。

3?沸石濃縮轉輪

3.1 沸石的吸附機理

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小（通常為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。

分子篩對物質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)出強烈的吸附能力。分子篩具有均勻的微孔結構，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)定性強等其它吸附劑所沒有的優(yōu)點，獲得了廣泛的應用。

3.2 沸石轉輪（VOC濃縮器）工作原理

沸石轉輪的目的是為了將VOC氣體從大風量濃縮到小風量中。在小風量中，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”的“活性”物質上富集。類似于海綿，吸附介質將VOC吸收進來，然后通過高溫解吸再將VOC“擠”出去。VOC濃縮器的轉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。此濃縮系統(tǒng)是一個連續(xù)的運轉過程，轉輪一直在旋轉。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)過旋轉轉輪處理區(qū)的時候被收集，當氣體過了轉輪后，VOC就被轉輪上的吸附介質吸附了。凈化的氣體被釋放進入大氣。在解吸區(qū)域，附著在轉輪上的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氣體從轉盤中脫離并被送到熱氧化系統(tǒng)做最后的VOC凈化。轉輪中熱的解吸區(qū)域接著被轉到了冷卻區(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，沸石濃縮轉輪分區(qū)見圖6。

與其它吸附劑介質相比，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、以及耐化學性高。

3.3 沸石濃縮轉輪系統(tǒng)

沸石轉輪濃縮系統(tǒng)由濕度控制系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)、濃縮器構成。

溫濕度調節(jié)系統(tǒng)，調節(jié)進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致濃縮設備阻塞和失效的雜質、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節(jié)系統(tǒng)后，最后一級過濾選用F9級，保證沸石轉輪的最佳使用壽命。

沸石濃縮轉輪系統(tǒng)，濃縮有低濃度機廢氣中的有機物（VOC），并將大風量變?yōu)樾★L量，將VOC濃縮廢氣送入RTO或TAR進行清潔凈化處理，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計為25：1，VOC去除效率可達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)沸石濃縮轉輪凈化后的氣體中VOC的濃度含量達到20mg/m³以下，與歐洲標準基本持平。

3.4 廢氣焚燒處理系統(tǒng)

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合，設備維護成本低，系統(tǒng)占地小，利于設備布置，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。從目前的綠色經(jīng)濟、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^[1]。

3.5 廢氣處理系統(tǒng)

TAR設備的用途是將從KPR濃縮器出來的VOC脫附氣體進行氧化處理。在進入TAR燃燒腔前，廢氣會先被TAR內(nèi)的換熱器預熱。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，使之達到760℃并保持這一溫度至少1秒而實現(xiàn)將有機物轉化為無害的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，然后去濃縮器進行解吸。

4 結語

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)保標準。