船舶行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)廢氣治理技術(shù)

李明廣

（上海環(huán)境保護(hù)有限公司，上海 200233）

近年來(lái)，我國(guó)的船舶建造行業(yè)得到了大發(fā)展，中國(guó)在建設(shè)多個(gè)大型船舶制造基地的同時(shí)，雖然促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但是也對(duì)區(qū)域環(huán)境產(chǎn)生了一定的影響。由于船舶建造和組裝過(guò)程，生產(chǎn)過(guò)程比較復(fù)雜，包括切割、清洗除油、表面處理、涂裝和焊接多種工藝過(guò)程，會(huì)有一定量的焊接煙囪和有機(jī)廢氣排出，其污染物排放量較大，會(huì)對(duì)區(qū)域環(huán)境造成污染。其中，造船涂裝過(guò)程中排放的揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）的污染最為嚴(yán)重。因此，如何降低造船涂裝過(guò)程中的VOCs 排放是針對(duì)船舶行業(yè)一個(gè)共同的任務(wù)。

1 現(xiàn)有大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)要求

為了加強(qiáng)VOCs 的治理工作，國(guó)家發(fā)布了很多法律法規(guī)及大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，各地區(qū)也根據(jù)各地的實(shí)際情況和減排方向，相繼發(fā)布了與大氣污染物排放相關(guān)的地方排放標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)作為推動(dòng)VOCs 減排的主要依據(jù)。

船舶行業(yè)各制造廠需要在滿足當(dāng)?shù)貐^(qū)域性綜合排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)上，還要滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，例如上海市在2015 年發(fā)布了《船舶工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB31/934—2015），此標(biāo)準(zhǔn)可作為現(xiàn)階段造船行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物治理參照標(biāo)準(zhǔn)。主要排放指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 廢氣主要排放標(biāo)準(zhǔn)值

2 船舶行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物排放特點(diǎn)

船舶制造是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，主要包括零件制造、分段制造、船臺(tái)或塢內(nèi)合攏、下水、碼頭舾裝、泊系試驗(yàn)和試航等過(guò)程，而涂裝則與各個(gè)造船過(guò)程相關(guān)，在每個(gè)制造工段中，需要確定與其相應(yīng)的涂裝工作內(nèi)容。在目前的造船生產(chǎn)過(guò)程中，在鋼板落料加工之前，就已經(jīng)開(kāi)始了涂裝工作——鋼板及鋼材的預(yù)處理，一直到船舶交付使用，涂裝貫穿于整個(gè)造船的全過(guò)程。

由于環(huán)保要求的提高，現(xiàn)在的噴涂工序需要在室內(nèi)進(jìn)行。但是由于船體部件比較大，噴漆室也就相應(yīng)比較大，以至于對(duì)噴漆廢氣治理要求較高。其噴漆特點(diǎn)有3 點(diǎn)。1）噴漆房面積較大，廢氣收集及處理風(fēng)量大，治理難度大、投資高。2）噴漆時(shí)間不固定，噴漆和晾干在同一房間，導(dǎo)致噴漆廢氣濃度不穩(wěn)定，噴漆時(shí)濃度較高，晾干時(shí)濃度較低。3）很多船廠噴漆房多為廠房改造，相對(duì)比較簡(jiǎn)陋，沒(méi)有水幕處理設(shè)施，廢氣中漆霧漆渣含量較大。

3 船舶行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)廢氣治理方法的選擇

3.1 現(xiàn)有治理方法介紹

針對(duì)不同的大氣污染物有不同的治理方法，對(duì)于揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）治理工藝主要包括吸附技術(shù)、焚燒技術(shù)、催化技術(shù)、生物法治理技術(shù)、低溫等離子體技術(shù)和光催化技術(shù)等。其主要原理如下所述。

3.1.1 吸附技術(shù)

吸附濃縮技術(shù)目前主要有2 種：活性炭吸附濃縮和沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮技術(shù)。早期主要使用活性炭作為吸附材料，但是活性炭存在壽命短、不穩(wěn)定、受水氣影響大、難脫附高沸點(diǎn)有機(jī)物、熱氣流再生過(guò)程中易發(fā)生火災(zāi)等缺點(diǎn)，逐漸被沸石轉(zhuǎn)輪所代替。沸石轉(zhuǎn)輪的吸附材料為沸石分子篩，具有均勻微孔，其孔徑與一般有機(jī)分子大小相當(dāng)，具有耐高溫、不可燃、良好的熱穩(wěn)定性和水熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。沸石轉(zhuǎn)輪吸附方法比較適合用來(lái)處理大風(fēng)量、濃度低的VOCs，去除率可高達(dá)90%以上，具有高效率、運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。其關(guān)鍵是將有機(jī)廢氣從大風(fēng)量低濃度轉(zhuǎn)化為小風(fēng)量高濃度，而在小風(fēng)量的狀態(tài)下VOCs 可經(jīng)過(guò)后續(xù)處理，使得氣體中的VOCs 得到有效去除。

3.1.2 焚燒技術(shù)

焚燒技術(shù)是目前針對(duì)VOCs 治理的主流技術(shù)，也是最為有效徹底的治理技術(shù)。焚燒技術(shù)主要有以下幾種：直接燃燒（TO），催化燃燒（CO），蓄熱燃燒（RTO）。無(wú)論是何種燃燒方式都需要將廢氣加熱到相應(yīng)的燃燒溫度，只要廢氣中有機(jī)物的濃度較高，廢氣燃燒時(shí)所產(chǎn)生的反應(yīng)熱可維持有機(jī)物分解所需要的能量，就不需要消耗燃料，是一種經(jīng)濟(jì)可行的方法。

3.1.2.1 直接燃燒（TO）

直接燃燒法是將VOCs 直接通往能夠焚燒的鍋爐內(nèi)，當(dāng)VOCs 夠高時(shí)，能夠在爐中充分燃燒；如果VOCs 濃度不高或是燃燒熱不高時(shí)，僅僅憑借自身燃燒產(chǎn)生的熱量是無(wú)法實(shí)現(xiàn)持續(xù)燃燒的，這時(shí)就需要加入輔助燃料，使廢氣燃燒完全。

3.1.2.2 催化燃燒法（CO）

催化燃燒方法利用催化劑進(jìn)行氣-固相催化反應(yīng)，降低廢氣進(jìn)行燃燒反應(yīng)的活化能，使其在300℃左右進(jìn)行反應(yīng)，將有機(jī)物分解成無(wú)毒、無(wú)污染的CO2和H2O。催化燃燒需要用到催化劑，催化劑的種類比較多，每一種催化劑的活性也不一樣，常見(jiàn)的催化劑主要有貴金屬催化劑和非貴金屬催化劑，一般貴金屬催化劑的活性比較高，也有很好的耐高溫性。非貴金屬氧化物催化劑有銅、錳、鈰等非貴金屬氧化物，比貴金屬氧化劑的價(jià)格低很多，也有不錯(cuò)的催化活性[1]。

3.1.2.3 蓄熱燃燒法（RTO）

蓄熱燃燒法是使用高溫陶瓷蓄熱體，將燃燒尾氣中的熱量通過(guò)熱交換儲(chǔ)存在蓄熱體中，用來(lái)預(yù)熱新進(jìn)入的待處理廢氣，蓄熱效率可達(dá)到95%以上 ，可減少了輔助燃料的使用，降低燃燒成本，此方法的廢處理效率可達(dá)99%以上。

3.1.3 生物處理方法

生物技術(shù)處理方法利用將有機(jī)廢氣作為碳源和能源來(lái)維持生命活動(dòng)的微生物，經(jīng)過(guò)微生物的新陳代謝反應(yīng)將廢氣中的有害物質(zhì)分解為二氧化碳和水等無(wú)機(jī)物及細(xì)胞組成物，從而達(dá)到凈化的目的。當(dāng)前生物處理方法的工藝主要有以下3 種：生物過(guò)濾器、生物洗滌器以及生物滴濾器。幾種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行合理選擇。

3.1.4 等離子處理方法

等離子法是通過(guò)施加外電場(chǎng)使離子放電，形成大量的活化粒子，粒子具有能量與污染物分子劇烈碰撞，從而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，然后污染物分子被分解成為二氧化碳、水等小分子化合物或氧化成低毒或無(wú)毒物質(zhì)。

3.1.5 光催化氧化處理方法

光催化氧化技術(shù)是一種相對(duì)比較新的技術(shù)，原理是催化劑在紫外光或可見(jiàn)光光照的條件下就會(huì)發(fā)生反應(yīng)形成具有強(qiáng)氧化性的電子空穴對(duì)，電子空穴對(duì)可以與VOCs 上的有害物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，分解釋放出無(wú)害的二氧化碳和水，從而將有毒物質(zhì)凈化成無(wú)毒物質(zhì)。

3.1.6 組合處理工藝

很多情況下，針對(duì)不同類型的有機(jī)廢氣處理，特別是成分復(fù)雜的有機(jī)廢氣，單一處理方法不一定能滿足處理需要，經(jīng)濟(jì)上也不合理，通常需要采用多種治理技術(shù)組合使用，例如吸附濃縮+催化燃燒工藝、吸附濃縮+高溫焚燒工藝、吸附濃縮+吸收工藝、低溫等離子體+吸收工藝、低溫等離子體+催化工藝等，特別是針對(duì)低濃度有機(jī)廢氣，更易使用“活性炭+燃燒”，“活性炭+冷凝”或“分子篩轉(zhuǎn)輪+燃燒法”進(jìn)行處理。

從當(dāng)前的實(shí)際情況看，很多行業(yè)中VOCs 的治理比如噴涂、包裝印刷、涂料生產(chǎn)等行業(yè)都需要采用組合技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)治理效果。

3.2 船舶行業(yè)有機(jī)廢氣治理方法

3.2.1 工藝選擇

船舶噴漆處理廢氣，具有廢氣風(fēng)量大、濃度相對(duì)不高、廢氣組分復(fù)雜、無(wú)回收價(jià)值等主要特點(diǎn)，適合采用“吸附濃縮+氧化燃燒”的處理方式。吸附方式可選擇活性炭或分子篩轉(zhuǎn)輪，由于在安全風(fēng)險(xiǎn)和處理效果方面，沸石轉(zhuǎn)輪吸附的性能要明顯要優(yōu)于活性炭。同時(shí)，因?yàn)閲娡繌U氣組分中含有沸點(diǎn)高于120℃的高沸點(diǎn)有機(jī)組分，活性炭無(wú)法滿足脫附溫度，沸石轉(zhuǎn)輪脫附溫度可達(dá)到200℃，可以有效脫附高沸點(diǎn)有機(jī)物。因此，船舶行業(yè)吸附濃縮建議采用沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮[2]。

氧化燃燒可采用催化燃燒技術(shù)（CO）或蓄熱式熱力焚燒技術(shù)（RTO）均可，處理效率均可滿足需求。

3.2.2 廢氣設(shè)計(jì)濃度核算

噴漆廢氣濃度需根據(jù)噴房面積及噴房?jī)?nèi)的噴槍數(shù)量來(lái)進(jìn)行核算，以及所用的油漆種類和有機(jī)成分的揮發(fā)率。噴房的換氣次數(shù)需根據(jù)室內(nèi)噴漆使用油漆量及室內(nèi)環(huán)境要求，合理選擇。例如某船舶廠噴漆房廢氣濃度可按表2 核算，其濃度在579 mg/m3。

表2 噴房廢氣濃度核算表

3.2.3 分子篩轉(zhuǎn)輪選擇

確定分子篩選型主要有以下參數(shù)需要評(píng)估、考量。1）廢氣風(fēng)量，特別注意要換算為標(biāo)態(tài)風(fēng)量。2）廢氣濃度，核算客戶提供數(shù)據(jù)，確定廢氣濃度。3）廢氣溫度，一般不高于40℃。4）廢氣相對(duì)濕度，一般控制在不高于75%。5）排放濃度，按照標(biāo)書(shū)要求設(shè)計(jì)吸附效率，需注意系統(tǒng)要整體達(dá)標(biāo)。6）濃縮倍率，保證達(dá)標(biāo)情況下，選擇最優(yōu)的倍率。7）去除效率，此項(xiàng)與排放濃度、濃縮倍率相互影響，保證最高的去除效率。

3.2.4 運(yùn)行模式設(shè)定

噴漆房?jī)?nèi)在噴漆和晾干工況下的廢氣濃度不同，噴漆時(shí)的廢氣濃度高，晾干時(shí)的濃度低，針對(duì)這種情況可設(shè)置不同的運(yùn)行模式，根據(jù)不同工況編制自動(dòng)運(yùn)行程序。設(shè)置噴漆室工況與系統(tǒng)主風(fēng)機(jī)進(jìn)行連鎖，在晾干工況下風(fēng)機(jī)自動(dòng)調(diào)頻，降低風(fēng)量，使噴房?jī)?nèi)的廢氣濃度升高，從而提高濃縮后的廢氣濃度，使后續(xù)的燃燒設(shè)備可實(shí)現(xiàn)自供熱燃燒，不消耗燃料。設(shè)置運(yùn)行模式后，不僅可以使系統(tǒng)自適應(yīng)車間生產(chǎn)工況，而且還起到了節(jié)能的作用。實(shí)現(xiàn)不同工況下廢氣處理系統(tǒng)的自動(dòng)切換。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)船舶行業(yè)噴漆廢氣處理，需要充分考慮其噴漆工況，結(jié)合船廠涂裝作業(yè)空間大、不連續(xù)、濃度不穩(wěn)定等特點(diǎn)詳細(xì)核算其設(shè)計(jì)參數(shù)，易于選擇“轉(zhuǎn)輪吸附濃縮+氧化燃燒（RTO/CO）”工藝。但是要想更好地解決船舶行業(yè)噴漆廢氣揮發(fā)問(wèn)題，需要從源頭替代上想辦法，通過(guò)使用水性涂料或高固份油漆等低VOCs 含量的涂料來(lái)替代高VOCs 含量的涂料。