修船表面有機廢氣協(xié)同治理與余熱綜合利用技術

陸華，陳紀賽，王振剛，楊學賓

(1.南通中遠海運船務工程有限公司，江蘇 南通 226006；2.南京中船綠洲環(huán)保有限公司，南京 210039；3.東華大學 環(huán)境科學與工程學院，上海 201620)

船舶分段自動噴涂系統(tǒng)及修船表面工程，可采用機器人搭載式[1]和大尺度移動機械臂[2]。修船表面噴涂工藝對漆霧和有機廢氣的捕集，可采用機器人搭載式半球形或橢圓形收集罩，罩口直徑可采用直徑1.2 m、抽吸壓力范圍為0.6～1.5 kPa、收集罩口距離噴涂表面的距離為40 mm[3]。

船舶涂裝油漆中的主要成分為二甲苯、乙苯、甲基異丁基甲酮、丁醇、石腦油、三甲苯、1-甲氧基-2-丙醇，以及苯甲醇等多組分有機化合物[4]。結合修船涂裝工藝為室外無組織排放的特點，可能會受到室外橫向風、不同空氣干球溫度和濕球溫度等氣象條件的影響，為了實現漆霧和有機廢氣的有效捕集，采用集氣罩集中捕獲噴槍附近產生的漆霧和有機廢氣，避免室外噴涂無組織排放，對室外大氣環(huán)境造成污染。

噴涂有機廢氣的無害化治理，通常采用吸附濃縮、高溫脫附、蓄熱式或催化氧化燃燒的處理工藝。目前比較流行的處理方式，采用沸石轉輪吸附+蓄熱式氧化燃燒技術[5]處理鋼板預處理與室內涂裝產生的有機廢氣，采用蜂窩活性炭吸附+催化燃燒技術[6]處理入口質量濃度為500～600 mg/m3的有機廢氣。無論采用哪種處理工藝，處理后的煙氣中有機廢氣質量濃度必須低于排放限值，才能實現達標排放。

修船表面除銹除漆產生的鐵銹和漆渣，必須進行減量化與無害化處理。采用干餾氣化方法[7]，高溫熱解后產生小分子的可燃氣體。這些氣體需要進行燃燒處理，最終生成CO2和H2O，避免對大氣環(huán)境的污染。

針對修船表面處理工藝產生的大量除銹廢渣和噴涂過程產生的漆霧及可揮發(fā)性有機廢氣，本文分析討論了除銹廢渣干餾熱解尾氣與表面噴涂有機廢氣協(xié)同治理與余熱綜合利用的處理工藝流程，理論計算了干餾尾氣和有機廢氣燃燒產生的余熱量，并計算了表面除銹廢渣干燥脫水所需的輔助加熱量。

1 有機廢氣處理技術

表面修船產生的有機廢氣主要是除銹廢渣無害化處理后產生的干餾尾氣和表面噴涂油漆產生的漆霧。

表1為有機廢氣吸附濃縮結合燃燒的處理方法。船舶行業(yè)涂裝廢氣為多種油漆、溶劑物料中揮發(fā)份的混合物，若采用冷凝法，回收后的混合物無明顯利用價值，因此，冷凝的末端治理工藝不適用船舶行業(yè)。

表1 有機廢氣吸附濃縮結合燃燒的治理方法

為了提高涂裝有機廢氣的質量濃度、并減少處理風量，通常采用顆粒活性炭、蜂窩活性炭、沸石分子篩等材料實現吸附濃縮。采用顆粒活性炭吸附裝置處理時，有效吸附容量應確保活性炭更換頻率不超過2次/年。采用蜂窩活性炭吸附裝置結合催化氧化再生處理技術，吸附床過濾速度不宜高于1.2 m/s，吸附床裝填高度不宜小于600 mm。采用沸石吸附裝置結合蓄熱氧化爐脫附再生處理技術，有機廢氣凈化效率達到90%以上。對于連續(xù)排放的廢氣凈化工藝采用蓄熱燃燒，對于非連續(xù)排放的廢氣采用催化燃燒凈化工藝。采用催化燃燒技術，涂料中不宜含有導致催化劑中毒的金屬等成分。

2 協(xié)同治理工藝

圖1所示為修船表面有機廢氣協(xié)同治理工藝流程。廢渣舊漆膜包含天然樹脂、人造樹脂、合成樹脂類等芳香烴含量為60%左右，醇醚類和酯類含量20%以上。船底和水線涂裝有機廢氣產生量[8]為400～500 g/m2，其他部位產生量為100～250 g/m2。

圖1 修船表面有機廢氣協(xié)同治理工藝流程

2.1 干餾尾氣

在加熱溫度升至900 ℃左右后干餾氣化后，修船表面除銹廢渣舊漆膜中的大分子樹脂可分解為小分子的可燃氣體。大分子化合物質量隨著干餾溫度的提高而減少。油漆廢渣不斷析出水和有機物蒸汽，逐漸縮合成殘渣。

2.2 吸附流程

修船表面噴涂油漆中的漆霧和有機廢氣，在周圍環(huán)境中的擴散為無組織排放，受到大氣風速的顯著影響。漆霧分離器去除殘漆、液滴或較大顆粒物。初效、中效、中高效過濾網去除有機廢氣中攜帶的大部分粉塵。為避免廢氣質量濃度波動大，避免對吸附和催化設備的沖擊，可采用吸附緩沖裝置初步吸附高質量濃度廢氣，稀釋后的廢氣進入吸附床濃縮吸附后，由吸附風機經排氣筒達標排放。

2.3 脫附流程

當吸附材料吸附有機廢氣接近飽和時，吸附裝置出口質量濃度急劇上升，必須對吸附材料進行脫附再生，一般采用熱空氣將有機物從吸附材料中解吸處理。脫附出來的有機物質量濃度比原來提高1個濃縮倍率，進入催化床后發(fā)生氧化反應，生產CO2和H2O。燃燒后的尾氣一部分經排氣筒高空排放，大部分被送往吸附床，用于吸附床的脫附再生。

3 輔助加熱量計算

干餾氣化尾氣燃燒后產生的余熱、以及表面噴涂有機廢氣燃燒后產生的余熱，可以提供給第一次有機廢氣脫附和催化燃燒所需熱量、以及除銹廢渣干燥脫水需要的熱量。

3.1 干餾氣化

假定修船表面采用超高壓水除銹技術，除銹廢水經固液分離多級過濾后，單位小時除銹廢渣產生量為300 kg/h，廢渣中水分質量占比為60%，經干燥脫水處理后的廢渣總質量變?yōu)?40 kg/h。廢渣中油漆膜質量占比5%～10%，估算漆膜總質量為7～14 kg/h。假定干餾氣體質量占到舊漆膜廢渣總質量的39%～42%，熱解殘渣質量占到18.2%～21.4%。油漆廢渣的低位發(fā)熱量為18.84 MJ/kg[9]，估算可得廢渣中舊漆膜燃燒后可獲得的總余熱量為131.88 MJ/h。

3.2 表面噴涂

在距離噴嘴0.25 m處，塢內外板涂裝涂料霧化索特爾直徑集中在60～120 μm之間，直徑占比峰值分布在90 μm左右。90%漆霧液滴的瞬時速度低于70 m/s，平均速度為35.4 m/s。

假定油漆用量5 440 L、工時用量528 h、噴涂過程中油漆涂著率在70%～80%之間。假定稀釋劑用量占比為10%左右、油漆中有機廢氣揮發(fā)量按430 g/L、稀釋劑有機廢氣揮發(fā)量按880 g/L。理論計算有機廢氣總揮發(fā)量在2 280 kg左右，每小時有機廢氣總揮發(fā)量在4.33 kg/h左右。選用的吸氣泵設計風量約為3 000 m3/h，計算可得有機廢氣的平均質量濃度為1 444 mg/m3。按照二甲苯燃燒熱值43.05 MJ/kg計算，每小時有機廢氣燃燒后的總余熱量為186.41 MJ/h。

3.3 換熱計算

催化燃燒空氣加熱量計算。

Q=ρ×L×(i2-i1)≈ρ×L×(cp2t2-cp1t1)

(1)

式中：ρ為空氣密度，取值為1.293 kg/m3；L為空氣的體積流量，m3/h；i2為由加熱器進入沸石吸附裝置的空氣比焓，kJ/kg；i1為進入加熱器的空氣比焓，kJ/kg；cp2為由加熱器進入沸石吸附裝置的空氣比熱容，kJ/(kg·℃)；t2為由加熱器進入沸石吸附裝置的空氣溫度，℃；cp1為進入加熱器的空氣比熱容，kJ/(kg·℃)；t1為進入加熱器的空氣溫度，℃。

采用催化燃燒，催化溫度為280 ℃，查得常溫時干空氣的比熱容為1.005 kJ/(kg·℃)，280 ℃時為1.040 kJ/(kg·℃)。假定脫附風量為500 m3/h、脫附時間為10 min，第一次脫附和燃燒所需熱量由電加熱或燃氣燃燒等輔助加熱完成。計算所需加熱量為4.8 MJ/h左右。

單位小時除銹廢渣產生量為300 kg/h，經干燥脫水處理后的廢渣總質量變?yōu)?40 kg/h。干燥脫水所需的理論總加熱量為425.48 MJ/h。考慮干餾氣化尾氣燃燒余熱量131.88 MJ/h，表面噴涂有機廢氣燃燒余熱量186.41 MJ/h，考慮80%的換熱效率，理論上干燥脫水只需輔助加熱量為170.85 MJ/h，比原來節(jié)省了60%左右。

4 結論

針對修船表面處理產生的除銹廢渣和噴涂過程產生的漆霧及有機廢氣，進行減量化與無害化處理，以避免對周邊環(huán)境造成污染，并滿足環(huán)保治理的要求。

1)充分利用干餾氣化尾氣和表面噴涂有機廢氣燃燒后產生的余熱量，減少工藝加熱過程所需的燃料或電量消耗。通過理論計算，充分利用工藝余熱后，干燥脫水輔助加熱量僅為原來的40%。

2)除銹廢渣處理產生的干餾尾氣和表面噴涂工藝產生的有機廢氣，可采用干餾尾氣與有機廢氣協(xié)同治理與余熱綜合利用的處理技術，可采用吸附濃縮結合催化燃燒處理工藝。