淺談涂裝車間VOCs廢氣處理工藝

吳士定，鄭小艷，趙 倩，邱一鳴

(中國聯合工程有限公司，浙江 杭州 310052)

隨著涂裝材料的發展和烘烤工藝的完善，涂裝技術更加先進的自動化、智能化、低能耗、低污染，但是其生產過程中還是會產生揮發性有機化合物VOCs廢氣，這些廢氣不容忽視，對環境的危害甚大。因此，對VOCs廢氣的凈化刻不容緩，急需合適的處理工藝來解決此難題。

揮發性有機化合物即VOC，是英文Volatite Organic Compounds的縮寫。我國涂料行業的VOC定義：在101.3 kPa標準人氣壓下，任何初沸點≤250 ℃的有機化合物[1]。由于在大多數有機廢氣中存在著各種刺激性的污染物質，因此，往往會造成人體中樞神經系統受到刺激，或是對人體皮膚表面黏膜產生影響。此外，大多數的有機廢氣都會表現出不同程度的毒性與刺激性，或是特殊氣味等，甚至會導致癌癥病發，或引發人體不適造成各種疾病，由此降低人體的免疫力[2]。

1 粉末涂裝車間VOCs廢氣處理工藝

1.1 VOCs廢氣處理的過濾處理工藝

噴粉車間VOCs廢氣含粉塵主要來自于車間投料作業時產生的粉塵、膩子粉、漆霧等。典型的油漆漆霧中不同粒徑大小油漆顆粒所占體積分數(粒度分布)如圖1所示。

圖1 漆霧中不同粒徑大小油漆顆粒所占的體積百分數Fig.1 Volume percentage of paint particles of different particle sizes in paint mist

通過粉塵粒度分布圖可以看出，大部分的漆霧顆粒介于 10～100 μm之間，也有相當比例的微粒介于3～10 μm之間。

涂裝車間生產過程中的廢氣含有漆霧、樹脂、粉塵、聚合性物質等固體顆粒物，這些物質無論是對活性碳還是沸石分子篩都會導致微孔堵塞，減少吸附表面積，造成吸附效率降低，因此需要前置過濾器，常采用漆霧過濾器+中高效過濾器。過濾材料采用多級中高級中高效過濾器組成，將氣體中0.5 μm以上的塵凈化率≥99%。

根據過濾器選用經驗：最末一級過濾器決定廢氣的粉塵濃度與粒徑，上游各級過濾器起到保護作用。上游過濾器保護下游過濾器以延長其使用壽命。根據過濾器等級分級表劃分，可每隔2～4級設置一級過濾器，因此在活性碳或分子篩轉輪前段設置三級過濾，過濾等級分別為G4、F7、F9。G4級粗效過濾采用抗斷裂的玻璃纖維過濾材料組成，纖維呈逐漸遞增結構，能保持外形不變，其過濾纖維利于儲存漆霧灰塵，漆霧平均捕捉率高達95%以上，耐溫80 ℃。材料上著附固定的防菌層，有色面為空氣進風面，不含硅，阻燃點符合德國工業標準 DIN4102 F1。設置G4漆霧過濾器的主要目的是要將噴房廢氣中帶出的漆霧去除。這一過程是一道廢氣過濾設備前置保護的關鍵工序，毫不夸張的說，漆霧是否有效去除，對活性碳或轉輪的正常運行起著決定性的作用。

F7、F9 中高效過濾濾材為有機合成纖維和微纖構成的無紡布，呈逐漸遞增纖維結構，故過濾性能極佳，平均捕捉效率高達99%以上。外框材質為優質鍍鋅鋼板或者鋁合金框。濾袋邊均采用超聲波方式熔合，具有良好之氣密性及結合強度，不產生漏氣或開裂。無生物活性的濾袋以確保微生物無法滋生，耐高溫達90 ℃，耐濕度強，可達到100%相對濕度的耐濕性。阻燃點符合德國工業標準DIN 53438 F1。設置F7空氣過濾器的主要目的是去除3 μm以上的雜質，設置F9亞高效空氣過濾器的目的是防止1 μm以上的顆粒進入活性碳或轉輪，否則會影響后續的吸附和脫附。

圖1 三級過濾Fig.1 Tertiary filtration

1.2 活性碳吸附催化凈化工藝

活性碳吸附催化凈化工藝是采用活性碳吸附、熱氣流脫附和催化燃燒三種組合工藝凈化有機廢氣。先將VOCs廢氣用活性炭吸附，當快達到飽和時停止吸附，然后用熱氣流將有機物從活性炭上脫附下來使活性炭再生；脫附下來的有機物已被濃縮(濃度較原來提高幾十倍)并送入催化燃燒室進行催化燃燒，從而轉化成CO2和H2O排出。當有機廢氣濃度達到2000 ppm以上時，有機廢氣在催化床可維持自然，不用外加熱，燃燒后的尾氣一部分排出大氣，大部分送往吸附床，用于活性炭的脫附再生。這樣可滿足燃燒和脫附所需熱能，達到節能的目的，再生后的活性炭可用于下次吸附。在脫附時，凈化操作可用另一個吸附床進行，既適合于連續操作，也適合于間斷操作。工藝流程示意如圖2所示。

圖2 活性碳吸附催化凈化工藝流程圖Fig.2 Flow chart of activated carbon adsorption catalytic purification process

該工藝中吸附箱箱體外殼采用厚度為2 mm的304鋼板制成，整體美觀，可采用抽屜式或裝填式結構，裝填方便、便于更換。每套箱體內設置吸附過濾活性碳層，活性碳選用煤質類、蜂窩狀活性碳，活性碳容重為400～450 kg/m3；通用規格為100 mm×100 mm×100 mm。

杭州某汽車集團有限公司采用4個活性碳箱并聯吸附的VOC廢氣處理系統工藝，其運行時PLC控制柜界面如圖3所示。

圖3 運行時PLC控制柜界面Fig.3 PLC control cabinet interface when running

1.3 沸石轉輪吸附濃縮、脫附+蓄熱氧化燃燒工藝

沸石轉輪一般是按照“吸附-脫附(再生)-冷卻-再吸附”原理運行[3]。VOCs氣體通過疏水性沸石濃縮轉輪后，能有效被吸附于沸石中，達到去除之目的，因此經過沸石凈化后的氣體可直接排入大氣；而沸石吸附的VOCs廢氣于脫附區中利用一小股加熱氣體將其脫出，形成高濃度、小風量廢氣，送入后端的廢氣氧化系統熱氧化處理，凈化后的廢氣可直接排放。

1.3.1 沸石轉輪吸附濃縮、脫附

大風量、低濃度的有機廢氣的燃燒或回收，不僅需要大規模的設備，而且會造成巨額運行成本。為了解決這一問題，可以使用沸石吸附濃縮的辦法將低濃度、大風量的廢氣轉換成高濃度、低風量的廢氣，以此來降低投資和運行成本，滿足廠家的低投入預算。

(1)沸石分子篩特性

①選擇性吸附

沸石分子篩中的孔道和孔穴直徑大小是確定的，正是沸石分子篩的這種特殊孔道結構，使得大分子物質不能夠進入沸石分子篩內部，只有分子直徑小于孔道直徑才能通過，這使得沸石具有了選型吸附性。另外，沸石分子篩的分子結構有著強烈的極性和靜電力，吸附性能大大提高。可根據不同的VOCs廢氣組分的性質，選定一種或幾種組合分子篩，最大程度的提高凈化效率和濃縮效率。沸石分子篩吸附容量大，單級吸附效率可達90～98%，在較高的溫度下仍然具有較強的吸附能力。

②高沸點物質

沸石分子篩成分是多微孔式硅酸鹽或硅鋁酸鹽晶體[4]，較高的硅鋁比值使得沸石分子篩具有較強的熱穩定性。沸石分子篩脫附再生溫度為180～220 ℃，使用中耐熱溫度可達350 ℃，而傳統活性碳吸附材料脫附再生溫度120～140 ℃，沸點高于140 ℃的VOCs對于活性碳而言即為高沸點物質。由于活性碳的易燃特性，活性碳吸附材料吸附了沸點高于140 ℃的VOCs后難以脫附再生，嚴重影響活性碳的吸附凈化能力。 針對沸點在40～220 ℃范圍的VOCs，沸石分子篩可正常吸附和脫附再生；針對沸點在220 ℃以上的VOCs，沸石分子篩吸附后可根據實際情況進行高溫再生(通常300 ℃)操作，將高沸點物質脫附，使沸石分子篩恢復吸附能力。

③無法處理物質

當廢氣中含有在分子篩轉輪上易發生聚合反應的烯烴類物質、有機硅氧烷、沸點超高260 ℃以上的大分子物質等，可能會對轉輪造成永久性損壞。詳見表1所示。

表1 轉輪無法處理的物質成分Table 1 Material components that the wheel cannot handle

(2)沸石轉輪吸附濃縮、脫附工藝過程

首先，沸石分子篩轉輪區分為吸附區(占83.3%)、脫附區(占8.3%)和冷卻區(占8.3%)[5]，各區域由耐熱、耐溶劑的密封材料分隔開來。沸石分子篩轉輪在各個功能區域內連續運轉。其次，廢氣通過前置的多級過濾器后，送至沸石分子篩轉輪的吸附區。在吸附區有機廢氣中VOCs被沸石分子篩吸附除去，有機廢氣被凈化后從沸石分子篩轉輪吸附區排出，直接排入煙囪達標排放。而后，吸附在分子篩轉輪中的VOCs，在脫附區經過熱風處理而被脫附、濃縮(5～20倍)。脫附后的小風量、高濃度廢氣進入后端的熱氧化設備凈化處理。最后，為保證高的吸附效率，需對高溫脫附后的轉輪進行冷卻。脫附再生后的沸石分子篩轉輪在冷卻區被冷卻。經過冷卻區的空氣，在經過加熱后作為再生空氣使用，達到節能的效果。詳見圖4。

圖4 沸石轉輪吸附濃縮工藝流程圖Fig.4 Flow chart of zeolite wheel adsorption and concentration process

1.3.2 蓄熱氧化燃燒(RTO)

有機廢氣的凈化的燃燒氧化法是基于廢氣中有機化合物可以燃燒氧化的特性，其目的是：通過燃燒氧化將廢氣中可以氧化的組分轉化為無害物質，在廢氣中含碳氫化合物的情況下，即轉化為CO2和H2O，并釋放出熱量，反應方程為：

CnHm+(n+m/4)O2800 ℃ nCO2+m/2H2O+熱量

蓄熱氧化燃燒(Regenerative Thermal Oxidizer，簡稱 RTO)是RTO爐體在進行廢氣處理之前，先將燃燒室、蓄熱床進行預熱，預熱完畢后，廢氣在風機的作用下，首先經預熱的蓄熱陶瓷體1進行熱交換，完成一次提溫后進入加熱區，在加熱區得到第二次提溫，此時廢氣溫度達到與催化劑反應的溫度要求后進入催化區域進行反應，生成二氧化碳與水排出并釋放熱能；處理后的潔凈氣體再經過蓄熱陶瓷體2進行蓄熱后由風機排出。經排風機進口測溫棒進行溫度檢測后達到設定溫度時，進行閥門切換由蓄熱陶瓷體2進入廢氣、再由蓄熱陶瓷體1排出，如此循環往復進行熱交換，從而節省廢氣升溫的燃料消耗，降低運行成本，熱回收效率高達95%。在中高濃度的條件下，RTO可以對外輸出余熱，通過蒸汽、熱風、熱水等形式加以利用，在滿足環保目標的同時，實現經濟效益。工藝流程圖如圖5所示。

圖5 三床式RTO工藝流程圖Fig.5 Three-bed RTO process flow chart

三床式RTO是常用的RTO布置方式，該設備在工作時，經過以下兩個過程。第一個過程為冷啟動預熱狀態；新鮮空氣直接進入RTO爐體進行預熱，間隔一定時間T后，進出氣閥門自動切換，氣體在A、B、C室之間變更流動方向。此過程操作排空可能滯留在RTO設備內部的殘留有機廢氣，以免在點火時發生危險。5～10 min后，通過PLC控制開啟燃燒系統，燃燒器系統開始自動點火，蓄熱陶瓷填充床的溫度逐漸升高，約 3 h左右后，陶瓷床頂部達到約800 ℃，中部達到約450 ℃，底部約100 ℃。此時，預熱過程結束。第二個過程為運行狀態：預熱過程結束后，RTO進入運行狀態，有機廢氣經過陶瓷蓄熱室A，被逐漸預熱到其自燃溫度，在燃燒室內發生氧化反應，生成CO2和H2O，再進入陶瓷蓄熱室B放熱，將熱量積蓄在陶瓷蓄熱室B，此時C床進行吹掃，A、B蓄熱室溫度在沿自上而下逐漸降低，A、B、C三床之間按照周期T進行切換，處理后的煙氣進入排放煙囪。三床式RTO的廢氣處理主要三個轉換程序，分別為：A進B出C吹掃、B進C出A吹掃、C進A出B吹掃，如表2所示。這三個轉換程序形成一個周期，周而復始的運行下去，即可滿足廢氣處理的要求又能節約運行成本。

表2 RTO蓄熱室工作狀態周期表Table 2 Periodic table of RTO regenerator operating status

圖6 PLC處理界面Fig.6 PLC processing interface

某公司粉末涂裝車間采用的兩路廢氣分別進行轉輪吸附，脫附后送入同一套RTO設備進行VOCs廢氣處理，PLC處理界面如圖6所示。

梅州某公司粉末涂裝車間廢氣風量較小，采用一套轉輪吸附，脫附后送入RTO設備進行VOCs廢氣處理，PLC處理界面如圖7所示。

圖7 PLC處理界面Fig.7 PLC processing interface

2 結 論

為了響應國家號召，確保實現碳達峰、碳中和的目標，推動我國綠色發展邁上新臺階，對涂裝企業的環保要求更加嚴格，因此對于涂裝車間VOCs廢氣的末端治理成為普遍要求。活性碳吸附+催化燃燒(CO)技術和沸石轉輪吸附+RTO技術工藝是涂裝行業高效治理VOCs廢氣治理的主流技術，也有部分采用光催化、生物分解等的工藝，隨著這些技術的應用人們對它們的優缺點越來越熟悉，各自均有各自的局限性。因此，對于處理涂裝車間這種低濃度、大風量的有機廢氣處理，還需研究更高效、更穩定、更節能的先進技術，降低企業的治理成本，已成為亟待解決的重要課題。