噴漆室循環風自濃縮方案及對應的廢氣直燃處理

趙勁晨

（上海汽車集團股份有限公司乘用車分公司，上海 201804）

隨著全國各地環保法規越來越嚴格，以及人們環保意識增強，溶劑型中涂、色漆在未來兩年面臨著被全面淘汰的命運。雖然水性涂料相比溶劑型涂料更環保，VOCs(揮發性有機物)更低，但是其施工性對噴漆室的供風溫濕度提出了更高要求。以南京某生產基地為例，采用溶劑型工藝的噴漆室控制溫度不低于20 °C，相對濕度不低于55%；但采用水性工藝的噴漆室要求溫度(25 ± 1) °C，相對濕度(65 ± 3)%。從圖1 可見，水性噴漆室的單位風量能耗成本在春季、秋季、冬季工況下相比溶劑型工藝上浮0.04 元/m3左右，夏季工況下溶劑型工藝更無需控溫控濕。全年統計后水性工藝噴漆室的單位風量能耗為溶劑型工藝噴漆室的2.2 倍。

圖1 南京當地不同工藝的噴漆室全年單位風量能耗成本Figure 1 Cost of energy consumption per unit air volume within a year for different spray booths located in Nanjing City

在這樣的行業背景下，循環風技術應運而生，成為噴漆室節能降本最有效也幾乎是唯一的方案。采用濕式文丘里作為漆霧過濾手段的噴漆室循環風(簡稱濕式循環風)與水性工藝噴漆室采用全新風的對比如圖2 所示。

圖2 水性工藝下濕式循環風與全新風的全年單位風量能耗成本Figure 2 Cost of energy consumption per unit air volume for water-based paint spray booth with fresh air and venturi-filtered circulating air, respectively

可見噴漆室送風的循環利用保證了溫濕度調節能耗不受季節變化影響，單位風量能耗成本始終保持在0.044 元/m3。雖然在某些季節交替時段，室外新風狀態更接近溫濕度控制點，但統計全年氣候后發現應用濕式循環風的能耗相比水性工藝全新風的能耗下降約40%。然而噴漆室循環風技術發展至今，仍無法令噴漆室廢氣徹底擺脫“大風量、低濃度”的排放特性，甚至將廢氣排放濃度推向了由“低濃度”向“中濃度”跨越的臨界點。這使得治理“大風量、低濃度”廢氣的業內傳統方案──“沸石濃縮轉輪 +焚燒”處境尷尬。噴漆室過大的排風量導致沸石濃縮轉輪成為必選項，而介于“低濃度”與“中濃度”之間的VOCs 濃度又易導致效率有限的沸石濃縮轉輪面臨治理后仍不達標的風險。

本文總結了現有循環風技術及其發展過程，并提出了全新的循環風自濃縮思路，旨在同時應對節能與減排兩大時代主題。

1 噴漆室循環風及其發展歷程

噴漆室循環風技術的發展可以等同為循環風比例提升的過程。由圖3 可見，對于水性工藝來說，循環風占噴漆室總送風比例越高，則全年溫濕度調節能耗越低。

圖3 水性工藝噴漆室采用不同循環風比例下的全年單位風量能耗Figure 3 Cost of energy consumption per unit air volume for water-based paint spray booth with different proportions of circulating air

圖4展示了循環風比例提升的過程。

階段1：圖4a 顯示了當循環風比例約20%，排風量遠大于檢查段送風時的情況。作為循環風的最初階段，規劃過程中對車間濾材更換頻次的問題考慮仍過于保守，僅認可少量補漆的濕膜檢查室排風可被利用。且自動化率尚低，僅外噴段全部或部分采用了機器人自動噴涂。

階段2：循環風比例約66%，排風量大于檢查段新風。此時，使用方已逐步接受循環風帶來的濾材更換頻次上升，同時內噴、外噴均實現自動化。考慮到內噴站內的噴涂量小于外噴站，內噴站的排風潔凈度應略高于外噴站，因此選擇優先循環利用內噴站排風，并將外噴站排風全排放。

圖4 不同循環風比例下排風量與檢查段新風的關系Figure 4 Relationship between the amount of exhaust air and the amount of fresh air in checking section under different proportions of circulating air

階段3：循環風比例約80%，排風量等于檢查段新風。作為最終階段，使用方已經克服了循環風技術帶來的一切風險，認為無論何處的排風都可回收利用，且內噴及外噴早已實現了自動化噴涂。此時的排風量等于人工所需的新風量，排風多少取決于人工段面積。業內主流認為該狀態已經達到循環風比例提升的極限。

從上述3 個階段不難總結出：循環風比例的提升使排風量趨近于必要的新風量，且以排風量等于檢查段風量為技術終點。這個結論其實讓人們聯想到20 世紀90 年代水資源緊缺問題初現并被媒體放大時提出的節水措施：為了盡可能減少純凈水資源的消耗，鼓勵將蔬菜瓜果清洗水收集起來，用作家務清潔，最后沖洗廁所。最終的實施效果取決于用戶對各個步驟的潔凈度要求，并且永遠遵循著“新鮮水使用量等于污水排放量”的原則。節水量的提升完全取決于生活中對“絕對潔凈”的用水需求量。噴漆室循環風技術也如同節約水資源一樣，走上了不斷減人、降新風、降排風的循環。

2 環保政策收緊后帶來的新變化

無論是排放速率指標的收緊還是排放濃度指標的收緊，都令汽車噴涂廢氣被排進了須治理列表。想得到好的治理結果，首先要做的就是自我了解，摸清排放情況。

以表1 所列的某廠情況為例，該廠單車噴漆VOCs 排放量約為2.17 kg，噴漆室揮發與烘干室揮發的比例按經驗值7∶3 計，則該廠噴漆室單車排放量約為1.52 kg。以這份數據作為規劃依據，假設擬建一個60 JPH(單位時間內的生產節拍)的油漆車間，那么該如何規劃廢氣治理設備呢？

第一步：確定噴涂工藝。本文以2C1B(兩涂一烘)全自動噴涂舉例說明。

表1 某采用2C1B 全自動噴涂工藝工廠的材料消耗Table 1 Consumption of materials in a factory using 2C1B automatic spraying process

第二步：確定噴涂節拍。受制于機器人節拍，通常60 JPH 車間設計2 條30 JPH 噴漆線。

第三步：確定沉降風速。自動噴涂設計為0.3 m/s，人工檢查設計為0.5 m/s。

第四步：確定風量。根據線長及沉降風速計算，通常30 JPH 噴漆線的總風量為60 萬m3/h 級別，人工檢查工位總風量為12 萬m3/h 級別。

第五步：確定循環比例。

第六步：確定排放速率(即單車排放量 × 生產節拍)。對于本文，排放速率為1.52 kg/J × 60 J/h =91.2 kg/h。

第七步：確定最終排風量及排風濃度。

第八步：確定對應法規要求。本文以國內最嚴格的30 mg/m3標準舉例。

第九步：選擇恰當的治理方案及設備規模。

通過以上9 個步驟，可得到表2 所示的數據。當采用全新風(即循環比為0%)時，排風總量由噴漆室投影面積與沉降風速的乘積決定。隨著循環比的提升，排風總量逐步下降。排風濃度則與排風總量成反比，這兩者的乘積為排放速率。最終通過排放標準(30 mg/m3)與排風濃度的比值，得到后續治理設備必須達到的治理效率。

表2 60 JPH 工廠噴漆室在不同循環風占比下的廢氣排放情況及治理需求Table 2 Emission of exhaust gas and treatment efficiency required for the spray booth in a 60-JPH factory under different proportions of circulating air

循環比的提升對環保治理設備的能力需求同步提升。當設計循環比達到80%時，需要后續治理設備綜合效率達到92%以上才能夠滿足30 mg/m3的排放限值要求，這已經超過治理技術指引文件中要求的90%。另外，當使用方根據實際生產情況而希望將手工檢查的沉降風速下調至0.3 m/s 時，對應濃度會提升至633.3 mg/m3，治理量則須提高至95%才能滿足要求。

3 基于現狀的治理方案選擇

沸石濃縮轉輪配合高溫焚燒的治理方法作為目前最普遍也是幾乎唯一的噴漆室廢氣治理方案，存在可靠性和穩定性較差的問題。設備安裝完成后初始處理效率也許可以達到95%，但在北京、上海、浙江、江蘇等一旦超標就立即被勒令停產的嚴控地區，顯然該方案與噴漆室循環風的技術升級格格不入。而作為用戶，最終面對的將是兩難選擇：究竟是在環保問題上“走鋼絲”來保證能耗最優，還是以較低循環比來保證環保達標？

以上所有分析結論都基于一個客觀事實：國內汽車行業VOCs 的排放限值是30 mg/m3。該指標的變化將直接影響到治理策略與節能策略之間的平衡，但在這些問題分析過程中唯一不變的是：用戶希望采用最為經濟的方案來保證生產。

如果拋開所有的指標束縛，將格局提升至綠色未來，以最低排放為目標重新制定方案，會不會產生新的方向呢？

現在不妨重新審視一下傳統沸石濃縮轉輪配合高溫焚燒的方案。

從圖5 可以顯而易見地得到：入口污染物總量(100%)= 污染物濃縮量(95%) + 污染物吸附后排放量(5%)。對于沸石濃縮轉輪設備單體而言，入口量與出口量相等，意味著該設備本就不是一個治理設備。而真正意義上的焚燒治理能夠保證高達99%的治理效率。也就是說，傳統方案的瓶頸完全在于轉輪濃縮這個步驟，因為噴漆室大風量低濃度的特性而被迫選擇的轉輪方案事實上拖累了VOCs 治理效果。

圖5 沸石濃縮轉輪配合高溫焚燒的示意圖Figure 5 Schematic diagram of zeolite concentration rotor combined with regenerative combustion

那么可否取消轉輪呢？當取消轉輪濃縮后，廢氣將全部進入焚燒設備進行高溫燃燒治理，也就是說在上述60 JPH 的工廠案例中就算采用了80%的高循環比，將排風量縮減至24 萬m3/h，對于焚燒設備來說依然是個過于龐大的風量。業內主流的焚燒設備主要分為RTO(蓄熱式)和TAR(自換熱式)兩種，三室RTO 的處理風量單臺最高可達6 ～ 7 萬m3/h，TAR 的處理風量單臺最高約為2 萬m3/h。可見無論是RTO 還是TAR，都無法合理應對該級別的廢氣風量。除此以外，還有不得不考慮的能耗。

設定每1 g/m3的VOC 能夠提供20 °C 溫升，RTO 進出口溫差按40 °C 計算。

由表3 可知，即使采用了80%的循環比，每立方廢氣依然需要天然氣來補足約42 kJ 的熱量，按24 萬m3/h 的廢氣風量計算，需要總計多達1 000 萬kJ 的熱量，折合天然氣約285.7 m3/h。除了必要的天然氣維持燃燒溫度外，還需要約750 kW 的電量用于輸送24 萬m3/h 的廢氣。以江浙滬地區的能源價格計算，每小時能耗費約為1 600 元。

表3 不同循環風占比下的蓄熱式熱力爐(RTO)所需天然氣耗量Table 3 Natural gas consumption of regenerative thermal oxidizer (RTO) under different proportions of circulating air

綜合分析2 種廢氣治理方案可見：無論是何種方案，最終依然是能耗與排放之間的權衡，并不存在完美的解決方案。

4 新型噴漆室循環邏輯及治理方案

分析至此可以得出結論：最終治理方案精益性、可靠性的瓶頸即為噴漆室的循環比設計。當循環比低時，噴漆室能耗高；當循環比高時，轉輪效率不足，RTO 能耗高。

然而在這一系列的分析中存在一個盲點，那就是始終都默認排風量等于廢氣處理量。如果能夠將部分低濃度排風從總排風中割離出來，是否能做到更高的處理濃度與更低的處理風量呢？

從這個角度出發，設計了如圖6 所示的全新噴漆室循環方案。

圖6 新的噴漆室循環風排放方案Figure 6 New emission scheme for circulating air in spray booth

檢查段僅作為人工檢查用，并不進行噴漆作業，車間實測該工位排放數據穩定在20 mg/m3左右，可不超標直排。相比傳統80%循環比時，該方案在噴漆室能耗上沒有任何區別，無論是新風總量還是排風總量均一致，最關鍵的優化在于不再把所有的檢查段排風都用于噴涂段的送風，且最終送往治理設備的廢氣風量不再是定值，而是可以調節的。

基于以上全新的噴漆室處理方案，再來分析對應的廢氣治理方案：

(1) 由于最終排放濃度≥80%循環比，采用轉輪方案治理存在風險，宜采用RTO 直燃方案。

(2) 對于RTO 直燃方案而言，能耗與排放濃度成反比，在沒有后續余熱回收的情況下，宜通過VOCs 自燃分解來滿足設備溫升的需求。

(3) 按每1 g/m3的VOC 提供20 °C 溫升的經驗計算，RTO 進出口溫差為40 °C 時，廢氣濃度應控制在2 g/m3左右，對應的治理風量約為4.5 萬m3/h。

至此得到較令人滿意的結果：一個風量規模為120 萬m3/h 的60 JPH 噴漆室，總排風量24 萬m3/h，其中19.5 萬m3/h 為20 mg/m3低濃度直排，4.5 萬m3/h 為2 000 mg/m3高濃度焚燒治理。最終達到99%的綜合治理效率，并將天然氣消耗控制到最低。

5 結語

行業內環保相關的法規、設備都日趨完善，檢測儀器的可靠性及準確性卻成為了方案規劃階段及日常監測階段最大的障礙。本文所有數據都基于材料供應商提供的成分測定、理論計算及TVA2020 手持式FID(火焰離子化檢測儀)測定，儀器測定的單位為ppm，按轉換倍率乘以1.5 后與理論計算的以mg/m3為單位的值較為接近。方案的進步取決于自我認知的進步，如何定義一套可執行的、準確的便攜測定方法才是當前環保形勢下的當務之急。