船舶分段涂裝VOCs有組織排放治理工藝

董 浩， 楊安海， 于津偉， 蘇娟娟， 胡運濤

(1.上海船舶工藝研究所，上海 200032；2.上海中船臨港船舶裝備有限公司，上海 201306)

0 引 言

揮發性有機物(Volatile Organic Compounds，VOCs)排放分為天然源和人為源，工業涂裝是VOCs人為源的主要來源之一。根據不同渠道統計，工業涂裝VOCs排放占工業源VOCs排放的30%。根據長三角地區排放清單，船舶制造工業VOCs排放占工業有機溶劑使用源中的排放貢獻率達9.9%，是主要工業VOCs排放源之一[1]。

自2015年開始，北京、上海、天津、福建等地陸續出臺一系列地方環保新標準。2017年，生態環境部等六部委聯合印發《“十三五”揮發性有機物防治工作方案》，將工業涂裝行業的VOCs控制提至前所未有的重視程度，并且基于全過程控制理念，針對源頭預防、過程控制和末端治理均提出嚴格要求。船舶企業的舊VOCs末端治理設備逐漸無法滿足新環保標準要求，因此主要從基于環保新標準的船舶分段涂裝VOCs有組織排放治理工藝入手，研究有效減少VOCs有組織排放的措施，作為適合船舶分段涂裝VOCs有組織排放的治理工藝選擇和項目實施參考。

1 船舶分段涂裝VOCs有組織排放特點

船舶分段涂裝作業流程為：涂裝前準備工作→底漆噴涂→底漆固化→面漆噴涂→面漆固化→將分段自分段車間移除。

在實際的工況中，船舶分段大小、噴槍數量、油漆種類、漆膜厚度、環境溫度等條件差異會對各流程所需要的時間造成較大差異，但基本規律大同小異。選取某船廠分段涂裝車間2021年2月27日至3月7日有組織排放有機廢氣非甲烷總烴質量濃度，如圖1所示。

圖1 有組織排放有機廢氣非甲烷總烴質量濃度

由圖1可知：非甲烷總烴質量濃度波動具有明顯的波峰波谷，且具有周期性。結合實際工況，在底漆及面漆涂裝作業時，質量濃度瞬時達到峰值，檢測質量濃度峰值達850 mg/m3；在固化晾干時，根據質量濃度曲線分析，質量濃度隨時間推移迅速降低。此外，由于船舶分段涂裝間空間大，因此處理風量較高。由上述分析可知：船舶分段涂裝VOCs有組織排放具有風量高、噴漆時質量濃度高、固化時質量濃度低、質量濃度波動大的特點。

2 船舶分段涂裝VOCs有組織排放末端治理裝置選擇

2.1 直接燃燒法與催化燃燒法

由于船舶分段涂裝排放的VOCs多數有毒有害、吸收回收治理技術不成熟、設備成本高昂、經處理后也無法達到新環保標準，因此主要以燃燒類的銷毀處理技術為主。燃燒溫度對燃燒時間的影響較大，根據測算，在燃燒溫度分別為538 ℃、649 ℃和760 ℃時，燃燒反應所需要的時間分別為17.4 h、49.00 s和0.20 s[2]。

直接燃燒法通常溫度要求在760 ℃以上，需要較大能耗，僅適用于VOCs質量濃度持續高的工況，燃燒反應產生的熱量較高，大部分可提供給新進需要處理的含VOCs廢氣。直接燃燒法不適合分段涂裝這種VOCs質量濃度波動大的工況，因此目前通常采用催化燃燒法進行處理。催化劑可降低反應的活化能，使有機廢氣在較低溫度下發生無焰燃燒，分解為CO2和H2O，同時產生大量的熱量[3]，從而使廢氣中的有害物質得以清除。表1為直接燃燒法與催化燃燒法對比[2]。

表1 直接燃燒法與催化燃燒法對比

由表1可知：催化燃燒法具有反應溫度低、燃料消耗少、建設費及成本低、燃燒裝置小、操作安全、不產生氮氧化物等特點。因此，催化燃燒法是優選的處理方式。催化燃燒工藝基本原理如圖2所示。催化燃燒反應產生的大量熱量可用于后續廢氣處理的預熱，并可降低經處理后的清潔空氣溫度，因此對催化燃燒的熱量應進行回收以節約能源。

圖2 催化燃燒工藝示例

2.2 吸附物質

由于船舶分段涂裝產生的VOCs質量濃度波動較大，僅在噴漆工段廢氣質量濃度較高，而在底漆和面漆的固化階段廢氣質量濃度較低，因此需要在燃燒處理設備前增加一道吸附工藝，將廢氣質量濃度升高至一定的范圍再進行催化燃燒。

針對船舶分段涂裝VOCs排放，目前較好的吸附物質是活性炭和沸石。活性炭是使用較廣泛的吸附介質，沸石是近年開始使用的新型材料。活性炭與沸石對比如表2所示。

表2 活性炭與沸石對比

活性炭和沸石各自具有優缺點，船舶企業應根據使用工況和處理廢氣情況酌情選擇合適的吸附材質。目前市場情況是活性炭吸附裝置在船舶分段涂裝領域使用范圍較廣，活性炭吸附具有20 a以上的使用經驗、價格低廉，但技術升級較少，船舶企業使用的設備較老、效率降低。活性炭吸附工藝原理如圖3所示。

圖3 活性炭吸附工作原理

沸石吸脫附裝置近年在船舶分段涂裝領域開始使用，主要采用沸石轉輪方式進行吸脫附作業，技術和設備均較新，處理效率較高，但是使用反饋數據整體較少，有些僅是理論值，需要進一步觀察。沸石轉輪吸脫附工作原理如圖4所示。

圖4 沸石轉輪吸脫附工作原理

近年新研發的活性炭纖維，比表面積大幅提高，其吸附率可高達95%以上，不僅可實現多級吸附、達到較高的吸附率，而且活性炭纖維脫附和再生的能耗低、纏繞芯氣流阻力小、風機功率小，因此在運行中活性炭纖維有機廢氣凈化回收裝置的氣耗和電耗均較低，但這些新產品尚未在船舶分段涂裝領域大面積使用。沸石吸脫附技術是近年由日本和美國引進的新技術，成本較高；隨著國家對環保投入力度的增大，越來越多的船舶企業對產品進行國產化改造，成本逐漸降低。在新環保政策下，活性炭吸附技術與沸石吸脫附技術均應進行優化改進，以盡可能降低成本、提高效率。

3 組合處理設備工藝路線

由上海中船臨港船舶裝備有限公司研制的沸石轉輪+催化燃燒組合處理設備應用于中船澄西船舶裝備有限公司，其工藝路線如下：高風量、含VOCs的廢氣先經預處理過濾去除廢氣中的粉塵、顆粒物等雜質后進入沸石轉輪吸附區，廢氣中的VOCs經沸石吸附凈化后大部分潔凈空氣經風機通過排氣筒達標排放；小風量的被加熱空氣經脫附風機通過沸石轉輪脫附區，將沸石轉輪吸附的廢氣脫附為質量濃度高的廢氣進入催化燃燒裝置，經催化燃燒后轉化為CO2和H2O等達到環保排放標準的高溫混合氣體，高溫混合氣體再經換熱器換熱降溫后經排氣筒達標排放。該組合處理設備的節能設計在于：將廢氣催化燃燒反應產生的大量熱能進行回收利用，一部分熱量用于加熱脫附風，一部分熱量用于催化燃燒的反應熱量；在進入催化燃燒裝置的廢氣中的VOCs質量濃度達600 mg/m3以上時，可實現自身熱量平衡，催化燃燒產生的熱量足以滿足后續VOCs催化燃燒需求，無須外界加熱補充熱源。

4 組合處理設備處理效果

在沸石轉輪+催化燃燒組合處理設備投入使用后，對其處理效率進行實時監測，監測標的為非甲烷總烴。某天同一排放口的組合處理設備進出口實時監測情況如圖5所示。

圖5 組合處理設備進出口實時非甲烷總烴質量濃度

由實時監測情況分析可知：經處理后的廢氣質量濃度遠低于《大氣污染物綜合排放標準：GB 16297-1996》規定的有組織排放限值，并完全滿足江蘇省2021年5月發布的《大氣污染物綜合排放標準：DB 32/4042-2021》規定的非甲烷總烴60 mg/m3有組織排放限值。為進一步分析處理效率，對組合處理設備15個工作日的VOCs處理數據進行提取，如表3所示。

由表3可知：組合處理設備的處理效率均值達98.07%，而船舶企業舊處理設備的處理效率基本在60.00%，組合處理設備的處理效率大幅提升，完全可滿足新環保要求。但是，設備成本較高，初始投資為500萬元。

5 結 語

船舶分段涂裝VOCs有組織排放治理僅靠單一技術無法滿足新排放標準要求，必須將多種技術組合使用。組合處理設備的處理效率完全可滿足新環保要求，但運行成本較高，在一些小型船舶企業中全面推廣存在困難，因此應根據不同情況，盡快建立科學的VOCs利用運行模式，研究開發效率高、成本低的新技術和新裝備，讓廣大船舶企業用得起，才能全面降低船舶分段涂裝的VOCs有組織排放。

表3 組合處理設備15個工作日的VOCs處理數據