涂裝VOC處理方式分析

周付海，徐國慶，王秀錦

涂裝VOC處理方式分析

周付海，徐國慶，王秀錦

（奇瑞商用車（安徽）有限公司，安徽 蕪湖 241000）

文章介紹了涂裝VOC處理的兩種方式，通過對比兩種方式的工藝、流程及結(jié)構(gòu)，來選擇VOC處理方式。

活性炭吸附；轉(zhuǎn)輪濃縮；節(jié)能環(huán)保

1 前言

隨著汽車迅速發(fā)展，汽車涂裝行業(yè)VOC排放給大氣污染日益嚴(yán)重，環(huán)保要求越來越嚴(yán)格國情下，國家發(fā)布史上最嚴(yán)苛VOC廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)，汽車涂裝行業(yè)排放指標(biāo)必須小于國家標(biāo)準(zhǔn)才能正常生產(chǎn)。轉(zhuǎn)輪濃縮+RTO和活性炭吸附+催化劑燃燒是目前汽車行業(yè)最常用的VOC廢氣處理設(shè)備，本文主要論述以上兩種方案。

2 活性炭吸附+催化燃燒VOC處理方案

2.1 工藝原理說明

涂裝生產(chǎn)過程中產(chǎn)生廢氣經(jīng)過前端過濾器去除漆霧和粉塵，經(jīng)過活性炭吸附床，與蜂窩活性炭充分凈化、脫附轉(zhuǎn)換為低流量、高濃度的有機(jī)廢氣，該部分氣體進(jìn)入后端的催化氧化設(shè)備進(jìn)行氧化反應(yīng)，使廢氣中的揮發(fā)性物質(zhì)分解成H2O和CO2。經(jīng)過換熱器預(yù)熱進(jìn)入催化床前的脫附氣體后經(jīng)過煙囪高空排放，如圖1所示。本設(shè)備烘干廢氣風(fēng)量小，同時排放低于80℃的廢氣與烘干廢氣混合后一起進(jìn)入活性炭吸附床，而不單獨(dú)進(jìn)入催化氧化設(shè)備，這樣即能減少設(shè)備投資，又能減少催化設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用。

車間排出的廢氣由不同等級袋式過濾器過濾掉粉塵和水份后進(jìn)入活性碳吸附裝置, 有機(jī)廢氣通過活性碳層時，氣體中的有機(jī)物質(zhì)被活性炭吸附活性炭的表面，從而使有機(jī)廢氣得以凈化，凈化處理后的潔凈氣體在再通過風(fēng)機(jī)運(yùn)行排向大氣。

活性炭吸附+催化燃燒處理系統(tǒng)中的吸附材料被安裝在固定床中，再由吸附床與催化燃燒裝置一起組合成凈化處理系統(tǒng)。本廢氣處理工藝系統(tǒng)制造成本低，非常適合處理風(fēng)量大、低濃度的VOC有機(jī)廢氣，凈化效率高，但占地面積大；由于優(yōu)良性價比已普遍應(yīng)用于汽車噴涂、印刷、醫(yī)藥化工等行業(yè)。

3 轉(zhuǎn)輪+RTO處理方案

3.1 工藝流程

噴房有機(jī)廢氣首先送往廢氣過濾箱，過濾箱共四級過濾，分別為G4、F5、F6、F7，每一級過濾都配有壓差檢測。過濾箱的結(jié)構(gòu)布局考慮便于更換過濾器耗材。噴房廢氣經(jīng)過過濾箱過濾之后，由吸附風(fēng)機(jī)送往濃縮轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)，大部分氣體通過轉(zhuǎn)輪的吸附區(qū)處理，VOC被吸附在轉(zhuǎn)輪上，廢氣經(jīng)過吸附凈化為潔凈氣體。該潔凈氣體經(jīng)主煙囪直接排放。

圖1 活性炭吸附-脫附廢氣處理原理圖

利用小部分廢氣用于冷卻轉(zhuǎn)輪（冷卻氣體），該部分廢氣將轉(zhuǎn)輪冷卻至工作溫度后，再由脫附風(fēng)機(jī)送往換熱器升溫至220℃，再次送往濃縮轉(zhuǎn)輪脫附區(qū)，用于將轉(zhuǎn)輪上的VOC脫附成高濃度廢氣，經(jīng)過預(yù)熱箱升溫之后，送入RTO爐內(nèi)進(jìn)行焚燒處理。

脫附氣體在RTO爐內(nèi)焚燒后生成的高溫潔凈氣體。換熱器將余熱用以加熱冷卻氣。充分利用余熱后送往過濾箱前端，用于噴房廢氣的升溫降濕。

工藝流程圖見圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)輪濃縮+RTO工藝流程圖

3.2 濃縮轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)

如圖3所示，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時，含有VOC 的等待處理低濃度、大流量廢氣進(jìn)入處理區(qū)，沸石轉(zhuǎn)輪材料把含有VOC有機(jī)廢氣吸附，轉(zhuǎn)輪中的VOC有機(jī)物進(jìn)行了再生區(qū)熱風(fēng)加熱脫附濃縮成高濃度廢氣（通常為5~20倍）。脫附后的區(qū)域由于溫度較高需要冷卻降溫，沸石轉(zhuǎn)輪在冷卻區(qū)被冷卻從而能夠再次吸附，經(jīng)過冷卻區(qū)的氣體再與爐膛高溫氣體混合，可再次使用，節(jié)能降耗。濃縮機(jī)對大風(fēng)量、低濃度廢氣進(jìn)行濃縮處理后變成小風(fēng)量、高濃度廢氣，使后端的處理設(shè)備緊湊及節(jié)能，達(dá)到降低設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用的雙重效果。

VOC濃縮裝置利用天然沸石制成的蜂窩沸石，沸石含有率高，經(jīng)特殊工藝加工而成的高性能濃縮輪，并將其作為心臟部分的VOC污染空氣濃縮凈化裝置。將吸附性極好的疏水性分子篩或活性炭作為吸附劑使用，對于范圍廣泛的VOC種類，不同的各種運(yùn)轉(zhuǎn)條件，都可以充分提供足夠的性能。使用疏水性分子篩時，可以在高溫條件下再生。因此，對于使用活性炭時因?yàn)橛性偕鷾囟认拗贫鵁o法處理的高沸點(diǎn)VOC也能夠處理。即使是苯乙烯和環(huán)己酮等具有熱聚合性高的VOC，同樣可以處理。

第一步：濃縮輪在吸附區(qū)和解吸附區(qū)分開的系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)。

第二步：含有溶劑的空氣經(jīng)過吸附區(qū)，從而得到純凈氣體。

第三步：吸收了溶劑的轉(zhuǎn)輪區(qū)域旋轉(zhuǎn)到解吸附區(qū)，由加熱器將吸收的溶劑釋放出來，向下一個工藝RTO提供濃縮氣體。

在正常的維護(hù)保養(yǎng)下，濃縮轉(zhuǎn)輪的VOC效率不低于92%，該效率指標(biāo)2年，時間從項(xiàng)目終驗(yàn)收之后開始計算。濃縮轉(zhuǎn)輪生產(chǎn)使用壽命至少為10年，壽命周期內(nèi)VOC處理效率大于90%，沸石轉(zhuǎn)輪濃縮后的凈化氣VOC濃度＜30mg/m3，滿足國家最新環(huán)保的要求，濃縮后有機(jī)廢氣濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于爆炸極限下限的25%。廢氣濃縮轉(zhuǎn)輪3個區(qū)域：吸附區(qū)、脫附區(qū)以及冷卻區(qū)。三個區(qū)域通過合理的密封結(jié)構(gòu)使之分開。脫附區(qū)風(fēng)壓比吸附區(qū)和冷卻區(qū)的風(fēng)壓低，保證高濃度的廢氣區(qū)域不往低濃度的廢氣區(qū)域滲漏，各區(qū)域不互漏可保證處理效果。

圖3 沸石轉(zhuǎn)輪原理圖

沸石轉(zhuǎn)輪濃縮系統(tǒng)關(guān)鍵部件全進(jìn)口，沸石轉(zhuǎn)輪中采取模塊化填充，當(dāng)局部出現(xiàn)處理效率下降時，可對局部有問題的沸石模塊迅速更換。沸石轉(zhuǎn)輪濃縮系統(tǒng)預(yù)留有檢修口及觀察口，觀察窗與檢修門之間密封性良好。

3.3 RTO系統(tǒng)

蓄熱式熱力焚化爐設(shè)備，簡稱RTO( Regenerative Thermal Oxidizer)，主要應(yīng)用于高濃度大風(fēng)量的有機(jī)廢氣（VOC）的處理，主要有旋轉(zhuǎn)式、蓄熱式RTO。

3.3.1 RTO 設(shè)備特點(diǎn)

（1）自動化率高，故障率低，安全可靠；

（2）VOC的分解效率99%以上，性能穩(wěn)定；

（3）設(shè)備采用了多項(xiàng)先進(jìn)的材料和技術(shù)，維護(hù)使用費(fèi)用低；

（4）廢氣在爐內(nèi)處理時間充足,爐內(nèi)無死角；

（5）增加了吹掃管路，排放不會出現(xiàn)間斷性峰值。

3.3.2 RTO組成及工作原理

功能結(jié)構(gòu)核心為氧化室和蓄熱室，氧化室為氧化反應(yīng)提供時間，蓄熱室為氧化反應(yīng)提供溫度條件；設(shè)備主要由上室體、下室體、風(fēng)閥、燃燒系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)、超溫泄放裝置、進(jìn)氣混氣箱、排氣煙囪、電氣自動控制系統(tǒng)組成。

RTO廢氣處理設(shè)備工作流程（如下圖4所示）：有機(jī)廢氣進(jìn)入蓄熱室A（該A室中的陶瓷蓄熱體“貯存”了上一循環(huán)的熱量），陶瓷蓄熱體放熱降溫，而有機(jī)廢氣吸熱升溫，廢氣離開蓄熱室A后以較高的溫度進(jìn)入氧化室，有機(jī)廢氣在氧化室中由燃燒器加熱升溫至設(shè)定的氧化溫度，使其中的VOC分解成二氧化碳和水。成為凈化的高溫氣體后離開氧化室，進(jìn)入蓄熱室B（陶瓷蓄熱體在前面的循環(huán)中已被冷卻），放熱降溫后排出，而蓄熱室B吸收大量熱量后升溫（用于下一個循環(huán)加熱有機(jī)廢氣）。凈化后的廢氣經(jīng)煙囪排向空中，同時反吹風(fēng)機(jī)引小股凈化氣清掃蓄熱室C。循環(huán)完成后，進(jìn)氣與出氣閥門進(jìn)行一次切換，進(jìn)入下一個循環(huán)，廢氣由蓄熱室B進(jìn)入，由蓄熱室C排出。在切換之后，清掃蓄熱室A。如此交替,處理凈化效率≥99%。

圖4 三室蓄熱式RTO原理圖

RTO系統(tǒng)具有熱膨脹自由度，確保在滿負(fù)荷生產(chǎn)和長時間停止運(yùn)行時其使用壽命不低于20年。

3.3.3 RTO關(guān)鍵部件

RTO廢氣處理的殼體設(shè)加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋的間距≤1m，保證設(shè)備整體形狀穩(wěn)定美觀。 殼體內(nèi)設(shè)耐火爐襯，材料為硅酸鋁耐火材料為陶瓷蓄熱體，陶瓷蓄熱體采用蓄熱球和四角孔蜂窩陶瓷體為基礎(chǔ)，模仿生態(tài)蜜蜂窩的自然科學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計而成的，具有耐高溫，抗腐蝕，熱震穩(wěn)定性好，強(qiáng)度高，蓄熱熱量大，熱導(dǎo)性能好等顯著優(yōu)點(diǎn)，節(jié)能效果和使用壽命大大提高。

3.4 安全控制保障

系統(tǒng)大腦由PLC程控器自動采集經(jīng)過邏輯計算后執(zhí)行，本系統(tǒng)具備自檢功能，包括燃?xì)鈾z測，風(fēng)機(jī)，閥門等，能夠?qū)崿F(xiàn)通過人機(jī)界面反應(yīng)故障點(diǎn)。當(dāng)脈沖干擾在電壓干擾后被消除時，可以重新執(zhí)行中斷程序。在電控柜設(shè)有急停按鈕，急停時設(shè)備不能有任何運(yùn)動。異常情況斷電時設(shè)備可以保持?jǐn)嚯娗耙凰查g的狀態(tài)，不允許設(shè)備運(yùn)動部件有任何動作，程序自動保存斷電瞬間的狀態(tài)?；謴?fù)供電或急停釋放后，應(yīng)由人工啟動運(yùn)行，不允許自動恢復(fù)運(yùn)行。電動機(jī)具有過載和過流保護(hù)，存在前后動作邏輯關(guān)系的單元，無論是手動或自動時，相互間有可靠聯(lián)鎖。主開關(guān)與門聯(lián)鎖且全方位防護(hù)以防人體接觸；由于轉(zhuǎn)輪濃縮后的VOC濃度較高，系統(tǒng)配置LEL檢測儀,檢測廢氣濃度。爐膛設(shè)置多個高溫傳感器，實(shí)現(xiàn)超溫保護(hù)，減少燃?xì)夤┙o，打開新風(fēng)閥；燃燒系統(tǒng)中閥組采用雙金屬切斷閥，雙重保障，以保證在系統(tǒng)能夠及時完全切斷燃料供應(yīng)。風(fēng)機(jī)運(yùn)行檢測，在風(fēng)機(jī)進(jìn)出口端檢測壓差信號，以監(jiān)控風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況，風(fēng)機(jī)故障時及時停止系統(tǒng)運(yùn)行。轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)設(shè)置旁通系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)輪故障時，旁通閥打開，防止因轉(zhuǎn)輪故障造成產(chǎn)品不良。在爆炸和火災(zāi)危險區(qū)域內(nèi)的電氣設(shè)計及施工嚴(yán)格按國家規(guī)范執(zhí)行。

4 總結(jié)對比

濃縮轉(zhuǎn)輪+RTO方案與傳統(tǒng)活性炭吸附+催化燃燒相比，如表1所示：

表1 轉(zhuǎn)輪濃縮+RTO與活性炭吸附+催化裝置比較

通過對比可以看出，轉(zhuǎn)輪濃縮裝置廢氣處理在加熱方法可以配套RTO或焚燒加熱方式而定，加熱方法靈活，同時轉(zhuǎn)輪濃縮裝置使用壽命可長達(dá)10年而活性炭吸附通常需要一年更換一次活性炭，且處理效果好，轉(zhuǎn)輪濃縮裝置相比活性炭吸附裝置具有更低能耗優(yōu)勢。

結(jié)合環(huán)保達(dá)標(biāo)、投資合理、運(yùn)維穩(wěn)定、設(shè)備安全等基礎(chǔ)原則，在工藝選擇上建議采用兩種方案：方案一：沸石轉(zhuǎn)輪+RTO燃燒；方案二：活性炭吸附+催化燃燒。方案一的優(yōu)勢是技術(shù)先進(jìn)、凈化效率高、預(yù)熱回收率高，劣勢是投資相對比較高；方案二的優(yōu)勢是投資成本低，劣勢是凈化效率低于沸石轉(zhuǎn)輪，需要定期（1-2年更換活性炭）。

[1] 竇德玉.轉(zhuǎn)輪在汽車涂裝VOC處理技術(shù)中的應(yīng)用,[J]科技風(fēng).

[2] 鮑梅.用于VOC處理的沸石轉(zhuǎn)輪技術(shù)研究,[J]機(jī)電信息2018年18期.

Analysis of Coating VOC Treatment

Zhou Fuhai,Xu Guoqing, Wang Xiujin

（Chery Commercial car (Anhui) Co., Ltd., Anhui Wuhu 241000）

This thesis briefly introduces the VOC treatment is mainly applied in two ways. By comparing the two processes and processes, the VOC treatment scheme is selected.

Activated carbon adsorption; Rotary wheel concentration; Energy saving and environmental protection

U445.58+5

B

1671-7988(2019)24-184-03

U445.58+5

B

1671-7988(2019)24-184-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.060

周付海，就職于奇瑞商用車（安徽）有限公司。