造船行業(yè)有機(jī)廢氣治理技術(shù)自控系統(tǒng)應(yīng)用分析

張亞龍，柴靈芝，丁旭杰

（青島華世潔環(huán)保科技有限公司，山東 青島 264400）

隨著國家對環(huán)保要求的日趨嚴(yán)格，各地方的行業(yè)廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)也陸續(xù)發(fā)布，山東省于2018 年4 月發(fā)布了《揮發(fā)性有機(jī)物排放標(biāo)準(zhǔn) 第5 部分：表面涂裝行業(yè)》（DB37/2801.5—2018），鐵路、船舶、航空航天和其他運(yùn)輸設(shè)備制造業(yè)的排放標(biāo)準(zhǔn)為：揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）≤70mg/m3、苯≤0.5mg/m3、甲苯≤5.0mg/m3、二甲苯≤15mg/m3。為滿足國家及地方環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，某船舶重工公司需要升級(jí)改造現(xiàn)有有機(jī)廢氣治理設(shè)備。針對涂裝車間噴漆室有機(jī)廢氣風(fēng)量大、濃度波動(dòng)范圍大、直接排放污染環(huán)境、原有活性炭吸附裝置不能有效處理等問題，改造工程采用了適用于處理大風(fēng)量、濃度波動(dòng)范圍大的有機(jī)廢氣的沸石分子篩轉(zhuǎn)輪吸附濃縮+催化氧化工藝。涂裝車間每個(gè)車間的廢氣風(fēng)量達(dá)80 000m3/h，兩個(gè)噴涂車間的廢氣風(fēng)量共計(jì)160 000m3/h，廢氣處理前車間VOCs 最大排放濃度為1600mg/m3，廢氣處理后車間VOCs 排放濃度在20mg/m3以內(nèi)。固化工段廢氣處理前VOCs 最大濃度為200mg/m3，固化工段廢氣處理后VOCs 排放濃度在8mg/m3以內(nèi)，滿足山東省地方標(biāo)準(zhǔn)。

本文針對該工程項(xiàng)目廢氣濃度波動(dòng)范圍大及固化時(shí)間長、能耗高等特點(diǎn)，制定了完善的自控程序，在達(dá)到排放要求的同時(shí)降低了低濃度固化工段設(shè)備的運(yùn)行能耗，保障了高濃度噴涂工段設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)效益。

1 工況調(diào)研

1.1 VOCs 廢氣濃度分析

1.1.1 船體噴漆工序

每間噴漆車間每天油漆用量平均約為2800L，溶劑用量約為310L。涂裝作業(yè)一般是在20∶00—24∶00進(jìn)行底漆統(tǒng)噴，此時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)最大工況，噴漆時(shí)長為4—5h，然后進(jìn)入漆膜固化階段，時(shí)長為8—10h。次日上午至中午會(huì)進(jìn)行第二次噴漆，屬翻噴、補(bǔ)噴作業(yè)，涂裝面積會(huì)略有減少，因漆膜厚度變薄，油漆和溶劑用量會(huì)減少，噴漆時(shí)長約為2h，漆膜固化時(shí)長為4—6h。

晚班最大作業(yè)量：涂裝面積為3000—3500m2的統(tǒng)噴分段有2 個(gè)，噴漆工位有4 人，時(shí)長為6—7h，總噴涂面積為6000—7000m2，油漆用量約為2300L，溶劑用量約250L。按照每天噴漆6h，可以計(jì)算出廢氣平均濃度為460mg/m3。

晚班一般作業(yè)量：涂裝面積為2000—3000m2的統(tǒng)噴分段有2 個(gè)，噴漆工位有3—4 人，時(shí)長約為4h，總噴涂面積為4000—6000m2，油漆用量約為1500L，溶劑用量約為200L，廢氣平均濃度為477mg/m3。

白班一般作業(yè)量：涂裝面積為2000m2的翻板油漆分段有2 個(gè)，總噴涂面積為1000—1500m2，油漆用量為400—600L，溶劑用量40—60L，廢氣平均濃度為352mg/m3。

每天最大油漆用量約為2800L，溶劑用量約為310L，可計(jì)算出一天廢氣平均濃度為398mg/m3，現(xiàn)場實(shí)際檢測廢氣最大排放濃度為1600mg/m3。

1.1.2 船體固化工序

固化階段的廢氣排放濃度隨著時(shí)間的推移而逐步減小，即從噴漆段的平均濃度398mg/m3降低至32.9mg/m3，甚至更低。

1.2 工況特點(diǎn)分析

船體噴漆工序：車間廢氣排放濃度高，廢氣治理設(shè)備減排負(fù)荷高；工段持續(xù)時(shí)間短，通常不超過7h；催化氧化爐（CO）運(yùn)行溫度高，催化劑存在超出耐溫溫度風(fēng)險(xiǎn)。

船體固化工序：車間廢氣排放濃度低，廢氣治理設(shè)備減排負(fù)荷低；CO 運(yùn)行溫度低，熱源電加熱持續(xù)滿負(fù)荷運(yùn)行，運(yùn)行能耗高。

2 工況現(xiàn)狀分析

2.1 沸石分子篩轉(zhuǎn)輪吸附濃縮+催化氧化工藝特性及原理

廢氣末端凈化技術(shù)設(shè)備主要采用沸石分子篩轉(zhuǎn)輪濃縮+催化氧化工藝，利用沸石比表面積大，以及不同溫度條件下范德華力不同的基本原理進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)。當(dāng)處在低溫條件時(shí)，廢氣通過沸石分子篩轉(zhuǎn)輪，VOCs 分子被吸附在其表面，經(jīng)過吸附的氣體可直接排放，吸附VOCs 分子的沸石轉(zhuǎn)輪進(jìn)入高溫脫附區(qū)，利用小風(fēng)量的高溫廢氣將吸附的VOCs 分子脫附出來，形成高濃度廢氣，送入后端的廢氣氧化系統(tǒng)進(jìn)行催化氧化處理，處理后達(dá)標(biāo)排放。

沸石分子篩轉(zhuǎn)輪吸附濃縮+催化氧化設(shè)備工作原理見圖1。

圖1 沸石分子篩轉(zhuǎn)輪吸附濃縮+催化氧化設(shè)備工作原理圖

2.1.1 VOCs 前端收集系統(tǒng)

車間VOCs 排風(fēng)口不變，新增風(fēng)量調(diào)節(jié)閥門，采用“總風(fēng)量+定靜壓控制法”的方式來控制原有車間的排風(fēng)量和匯總后的排風(fēng)量，以保證排風(fēng)穩(wěn)定、濃度可控。

2.1.2 多級(jí)顆粒物過濾系統(tǒng)

取樣檢測車間排放廢氣中含有的固體顆粒物濃度，分子篩對廢氣中的顆粒物濃度及粒徑有嚴(yán)格要求，因此應(yīng)在沸石轉(zhuǎn)輪前設(shè)置過濾器。具體為：在收集管道風(fēng)口配置可快速更換且成本低的漆霧過濾器，在轉(zhuǎn)輪前配置多級(jí)成套的中高效過濾器，過濾器對氣體中0.5μm 以上的粉塵的凈化率≥99%。

2.1.3 沸石分子篩轉(zhuǎn)輪濃縮單元

廢氣經(jīng)過濾后進(jìn)入沸石轉(zhuǎn)輪完成吸附過程。沸石轉(zhuǎn)輪分成三個(gè)區(qū)域：（1）吸附區(qū)域：占整個(gè)面積的5/6，有機(jī)氣體被吸附在蜂窩沸石中，潔凈氣體被排出；（2）脫附區(qū)域：占轉(zhuǎn)輪面積的1/12，利用高溫?zé)犸L(fēng)將分子篩微孔中的VOCs 揮發(fā)出來；（3）冷卻區(qū)域：占轉(zhuǎn)輪面積的1/12，將廢氣進(jìn)行冷卻，冷卻后的廢氣通過與換熱器換熱至200℃后進(jìn)入脫附區(qū)域，形成脫附氣體，然后進(jìn)入CO 的催化燃燒單元進(jìn)行處理。

2.1.4 催化氧化單元

經(jīng)過分子篩轉(zhuǎn)輪吸附—脫附—濃縮的高濃度VOCs，通過催化氧化分解成二氧化碳（CO2）和水，最終達(dá)標(biāo)排放。同時(shí)，催化氧化分解產(chǎn)生的熱量可降低系統(tǒng)熱能消耗量，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定的濃度范圍，催化氧化釋放的熱量不僅能滿足CO 催化氧化單元自身運(yùn)行需求，還能提供系統(tǒng)脫附預(yù)熱所需的換熱熱量。

2.2 運(yùn)行方案分析

調(diào)整車間噴漆節(jié)拍，一個(gè)噴漆房噴漆時(shí)，另外一個(gè)噴漆房固化，保證了廢氣排放濃度的相對穩(wěn)定及末端廢氣治理設(shè)備的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，控制廢氣治理設(shè)備入口濃度峰值不超過1300mg/m3。通過圖2 中排放濃度曲線，計(jì)算出一天的廢氣平均濃度約為395mg/m3，此數(shù)值和核算的平均濃度（398mg/m3）基本吻合，運(yùn)行模式可行。

圖2 調(diào)整生產(chǎn)后噴房濃度變化曲線圖

3 運(yùn)行問題分析

3.1 船體噴漆工序

車間噴涂產(chǎn)生的VOCs 濃度高，導(dǎo)致了轉(zhuǎn)輪濃縮廢氣濃度高，進(jìn)而使催化氧化分解過程產(chǎn)生的熱量超過系統(tǒng)運(yùn)行所需熱量，富余的熱量大部分蓄積在催化劑的陶瓷基材和蓄熱陶瓷上，少部分通過換熱器預(yù)熱濃縮后的廢氣，并且隨著預(yù)熱溫度的累積增加，最終會(huì)達(dá)到并超過催化劑耐受溫度，導(dǎo)致催化劑存在失活損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 船體固化工序

轉(zhuǎn)輪脫附廢氣濃度低，VOCs 氧化分解釋放的熱量不足以支持系統(tǒng)運(yùn)行所需熱量，熱源電加熱需滿負(fù)荷運(yùn)行，運(yùn)行能耗高。

4 解決技術(shù)方案

4.1 前端收集系統(tǒng)濃度削峰

（1）在兩個(gè)噴漆房側(cè)面增加多個(gè)收集口及調(diào)節(jié)型閥門，收集原理見圖3，廢氣經(jīng)過閥門后進(jìn)入?yún)R總管道，通過廢氣匯總管道分配至兩套廢氣治理設(shè)備，從而達(dá)到兩個(gè)噴房混風(fēng)后濃度削峰的目的。

圖3 前端收集系統(tǒng)

（2）兩個(gè)噴漆房工作節(jié)拍不一致，一個(gè)在噴漆，另一個(gè)在固化。調(diào)節(jié)兩個(gè)噴漆房的抽風(fēng)量，同時(shí)根據(jù)入口濃度利用新風(fēng)進(jìn)行稀釋，風(fēng)量匯總后平均分配至兩套轉(zhuǎn)輪。兩套轉(zhuǎn)輪各自配置相應(yīng)的濃度檢測、溫壓調(diào)節(jié)、顆粒物預(yù)處理等工序。

4.2 不同生產(chǎn)模式設(shè)置保證運(yùn)行穩(wěn)定

生產(chǎn)模式設(shè)置為以下4 種：1#、2#車間同時(shí)噴漆；1#車間噴漆，2#車間固化；2#車間噴漆，1#車間固化；1#、2#車間同時(shí)固化。

通過選擇以上模式來匹配不同控制參數(shù)達(dá)到以下目標(biāo)：

（1）通過調(diào)整兩個(gè)噴房前端閥門開度，同步調(diào)整兩套設(shè)備的吸附風(fēng)機(jī)頻率、入口負(fù)壓來實(shí)現(xiàn)進(jìn)入兩套設(shè)備的廢氣濃度相對均衡，從而保證運(yùn)行穩(wěn)定。

（2）利用入口濃度儀監(jiān)測廢氣濃度，調(diào)整吸口新風(fēng)調(diào)節(jié)閥開度，稀釋入口廢氣濃度在可控范圍內(nèi)，并根據(jù)廢氣濃度分段調(diào)節(jié)沸石分子篩轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速，使不同廢氣濃度都能達(dá)到最佳吸附脫附效果，從而保證系統(tǒng)的高處理效率。

（3）通過入口濃度儀調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)輪脫附風(fēng)機(jī)頻率進(jìn)而調(diào)節(jié)脫附風(fēng)量，以達(dá)到最佳脫附效果。

（4）CO 入口新風(fēng)閥根據(jù)CO 入口爆炸下限（LEL）濃度儀監(jiān)測值分段設(shè)定開度，稀釋轉(zhuǎn)輪脫附廢氣濃度，以降低及控制進(jìn)入蓄熱式催化氧化爐的廢氣濃度在安全值內(nèi)，進(jìn)而保證CO 運(yùn)行安全及穩(wěn)定。

4.3 不同工況及濃度下的節(jié)能控制

4.3.1 高濃度噴漆模式下的節(jié)能控制

根據(jù)入口濃度調(diào)節(jié)不同的風(fēng)機(jī)頻率及風(fēng)量，以達(dá)到運(yùn)行中控制風(fēng)量同時(shí)降低電機(jī)及電加熱能耗的目的。

4.3.2 固化模式下的節(jié)能控制

（1）監(jiān)測到入口低濃度持續(xù)一定時(shí)間以上時(shí)，使系統(tǒng)進(jìn)入節(jié)能模式，吸附風(fēng)機(jī)、脫附風(fēng)機(jī)按照最低設(shè)定值運(yùn)轉(zhuǎn)。

（2）設(shè)置間歇脫附模式，CO 系統(tǒng)停止，沸石分子篩轉(zhuǎn)輪靜態(tài)吸附，吸附風(fēng)機(jī)保持低頻率進(jìn)行，根據(jù)吸附入口濃度累加計(jì)算吸附量，當(dāng)吸附量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，CO 系統(tǒng)啟動(dòng)預(yù)熱，開始轉(zhuǎn)輪脫附，脫附2 圈后，CO 系統(tǒng)停止，繼續(xù)靜態(tài)吸附，循環(huán)往復(fù)，以達(dá)到最佳節(jié)能效果。

每天運(yùn)行能耗情況見圖4。

圖4 每天運(yùn)行能耗情況

5 結(jié)語

依靠可編程控制器（PLC）設(shè)定不同工況下程序的自控切換功能并設(shè)置異常聯(lián)鎖處置安全程序，解決了造船行業(yè)廢氣濃度波動(dòng)大、VOCs 治理系統(tǒng)運(yùn)行能耗高等問題，實(shí)現(xiàn)了不同濃度、不同生產(chǎn)模式的平穩(wěn)切換和系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，處理效果可穩(wěn)定達(dá)到排放要求且能耗達(dá)到理想水平。