大型除塵設(shè)備制造中涂裝廢氣收集與凈化系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

文_孫立 柴志龍 張培良 潔華控股股份有限公司

本文以某大型袋式除塵設(shè)備噴涂車間為對象，針對噴涂有機(jī)廢氣收集難度大，廢氣顆粒物含量高，有機(jī)物濃度低但波動較大，成分復(fù)雜等問題，設(shè)計了有機(jī)廢氣收集和凈化系統(tǒng)，解決了生產(chǎn)中環(huán)保的問題，也可為同類項目提供參考借鑒。

1 廢氣收集系統(tǒng)的設(shè)計

本項目噴漆車間長76m，寬24m，高12m，調(diào)漆、噴涂和晾干三個生產(chǎn)工藝都在此區(qū)域內(nèi)完成，產(chǎn)生的廢氣由車間內(nèi)布設(shè)的通風(fēng)管網(wǎng)收集至凈化裝置。原有廢氣收集系統(tǒng)存在的主要問題：①收集風(fēng)量已達(dá)120000m3/h，但由于噴漆車間體積過大，每小時換氣次數(shù)僅有5.5次。②由于行車的移動需求，車間原頂棚高達(dá)12m且未做到完全密封，存在廢氣從車間頂部換氣扇向外逃逸的情況。③系統(tǒng)風(fēng)量偏大，導(dǎo)致后續(xù)凈化設(shè)備的占地、造價和運(yùn)行費(fèi)用均過高。

本次設(shè)計主要思路是在不影響噴涂生產(chǎn)操作的前提下，減少噴涂車間的空間體積，在合理的換氣次數(shù)條件下降低系統(tǒng)風(fēng)量。由于工件尺寸的原因，車間平面占地面積不好調(diào)整，因此設(shè)計了伸縮式移動頂棚，如圖1所示。頂棚標(biāo)高3.5m，采用輕質(zhì)骨架和PVC薄膜，由電動機(jī)控制移動伸縮，在兩端設(shè)計有PVC材質(zhì)的掛簾。工件進(jìn)出仍由屋頂行車操作，打開掛簾，伸縮屋頂即可實現(xiàn)。這樣噴漆區(qū)域的體積變?yōu)殚L76m，寬24m，高3.5m的獨(dú)立區(qū)域。根據(jù)噴涂車間整體密閉換風(fēng)每小時換氣不少于8次的基本要求，收集系統(tǒng)的風(fēng)量減小至60000m3/h，實際換氣次數(shù)為9.4次/h，噴涂廢氣的收集率不低于90%。

圖1 伸縮式移動頂棚

2 廢氣凈化系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 流程簡介

本項目有機(jī)廢氣屬于常溫、大風(fēng)量、低濃度類型，噴涂作業(yè)時廢氣中存在大量揮發(fā)性有機(jī)物和漆霧顆粒，晾干時主要以低濃度的揮發(fā)性有機(jī)物為主。廢氣治理目標(biāo)是達(dá)到《工業(yè)涂裝工序大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB33/2146-2018）的要求，主要特征污染物非甲烷總烴（NMHC）≤60mg/m3。本項目設(shè)計干式過濾預(yù)除塵+蜂窩活性炭吸附+蓄熱式催化氧化燃燒（RCO）凈化處理工藝，詳見圖2所示，設(shè)備參數(shù)詳見表1。

圖2 凈化工藝流程圖

表1 主要設(shè)備清單

2.2 主要設(shè)備設(shè)計

2.2.1 干式過濾預(yù)除塵模塊

噴涂廢氣中含有漆霧、粉塵及粘性物質(zhì)，需在廢氣進(jìn)入活性炭吸附床前去除。由于業(yè)主沒有工業(yè)廢水的排放指標(biāo)，本項目設(shè)計干式過濾器，采用G4級初效過濾器+F7級中效袋式過濾器兩級精密過濾方式，可實現(xiàn)對1～3μm的顆粒塵埃捕集。F7級中效袋式過濾器的產(chǎn)品參數(shù)顯示，在過濾器截面風(fēng)速小于0.4 m/s時都可取得理想的效果。從降低系統(tǒng)運(yùn)行阻力節(jié)約能耗和減少換袋維護(hù)次數(shù)的角度出發(fā)，過濾器截面風(fēng)速設(shè)計為0.14m/s。當(dāng)設(shè)備運(yùn)行阻力對比新裝上升達(dá)到800Pa時，需更換過濾介質(zhì)。

2.2.2 活性炭吸脫附模塊

利用活性炭的吸附特性把低濃度大風(fēng)量廢氣中的有機(jī)物吸附到活性炭中，凈化后的廢氣直接排放。隨著運(yùn)行時間的推移，活性炭吸附能力漸趨飽和，需要對活性炭進(jìn)行解吸脫附。本項目活性炭吸附床共6箱，工作時5個炭箱處于吸附狀態(tài)，1個炭箱處于解吸脫附狀態(tài)，各炭箱逐一脫附連續(xù)運(yùn)行。

本項目選用防水型蜂窩活性炭，單塊尺寸為100mm（長）×100mm（寬）×100mm（高），碘吸附值為800mg/g，孔數(shù)為150目，堆積密度為0.5t/m3。吸附劑的用量根據(jù)廢氣處理量、污染物濃度和吸附劑的動態(tài)吸附量確定，采用蜂窩活性炭時，氣體流速宜低于1.2m/s。本項目設(shè)計時考慮工程可靠性，每個炭箱安裝活性炭5.6m3，共裝填活性炭33.6m3，實際運(yùn)行時處于吸附狀態(tài)的活性炭為28m3，炭箱中氣體流速為0.5m/s。

本項目脫附所需的高溫氣體工質(zhì)來源于催化燃燒爐。研究表明，對處理噴涂廢氣的活性炭，控制脫附溫度在90～140℃之間，脫附時間6h以上時都可取得良好的解吸效果，區(qū)別在于高溫時脫附時間短，脫附后氣流中有機(jī)物的峰值濃度高。在保證廢氣排放穩(wěn)定達(dá)標(biāo)和脫附后氣流中有機(jī)物濃度小于其爆炸下限25%的條件下，本項目設(shè)計脫附溫度為90℃，脫附時長為8h，之后冷卻2～4h，完成后炭箱溫度降低至45℃以下。

2.2.3 蓄熱式催化燃燒（RCO）爐

催化燃燒法是利用催化劑作用使有機(jī)物能在較低的溫度（250～350℃），快速（0.1～0.2s）氧化轉(zhuǎn)化為無毒的H2O和CO2。本項目焚燒爐中裝填有陶瓷蓄熱體，當(dāng)廢氣中有機(jī)廢氣濃度達(dá)到1000mg/m3以上時，通過分解放熱效應(yīng)，有機(jī)廢氣在催化床可維持反應(yīng)溫度，不用額外加熱。一般須先啟動輔助電加熱器，約2h后可達(dá)到熱平衡，關(guān)閉輔助電加熱裝置，系統(tǒng)靠廢氣中的有機(jī)溶劑做燃料維持運(yùn)轉(zhuǎn)。燃燒后的尾氣一部份通過煙囪排出，大部份送往炭箱，用于活性炭的脫附再生。

本項目RCO爐為三箱式結(jié)構(gòu)，設(shè)計處理能力為10000m3/h，工藝流程詳見圖3。運(yùn)行時通過閥門啟閉保持兩箱處于工作狀態(tài)，一箱處于清洗狀態(tài)，循環(huán)交替。催化風(fēng)機(jī)為變頻控制，可根據(jù)實際脫附需要和系統(tǒng)熱平衡來調(diào)節(jié)運(yùn)行風(fēng)量。催化燃燒裝置的設(shè)計空速宜大于10000h-1，但不應(yīng)高于40000h-1。本項目三個燃燒室共裝填1.2m3蜂窩式鉑基貴金屬催化劑，處于運(yùn)行狀態(tài)的催化劑為0.8m3，設(shè)計空速為12500h-1。催化劑的Pt含量為500g/m3，孔數(shù)為200目。燃燒室共裝填陶瓷蓄熱材料6m3，設(shè)置管式輔助電加熱器72kW。

圖3 三箱式蓄熱式催化燃燒爐流程圖

2.3 控制系統(tǒng)和安全措施

系統(tǒng)采用PLC控制，由觸摸屏操控和展示運(yùn)行狀態(tài)。整個系統(tǒng)24h連續(xù)自動化運(yùn)行，無需人工操作。由于存在燃燒系統(tǒng)和火災(zāi)風(fēng)險，一般安排4h一次的人工巡檢，檢查系統(tǒng)是否處于正常運(yùn)行的狀態(tài)和處理報警及故障信息。同時，本項目配有遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)，主要報警信息（如超溫和排放超標(biāo)）可自動推送給設(shè)備運(yùn)維人員。

系統(tǒng)的主要安全措施設(shè)置如下：

①活性炭箱的主要風(fēng)險來自于脫附工況時的異常升溫，為保證安全，防范火災(zāi)，設(shè)定炭箱二級超溫報警及處置機(jī)制。當(dāng)炭箱溫度超過120℃時，系統(tǒng)發(fā)出聲光警報，關(guān)閉該箱體的脫附進(jìn)風(fēng)閥，開啟系統(tǒng)中的冷卻風(fēng)機(jī)和該箱體的冷卻進(jìn)風(fēng)閥，使箱體從脫附工況切換為冷卻工況。如炭箱溫度超過160℃時，該箱體安裝的噴淋閥會自動打開，使用來自廠區(qū)消防管網(wǎng)的水對活性炭直接噴淋冷卻。

②蓄熱式催化燃燒（RCO）爐的主要風(fēng)險來自于催化燃燒過程中的異常高溫，由于從炭箱中解析出的有機(jī)廢氣濃度存在前高后低的波動，燃燒溫度在一個脫附周期中也呈現(xiàn)快速升高見頂后緩慢回落的趨勢，如圖4所示。為防止火災(zāi)隱患和催化劑的燒損，設(shè)定燃燒系統(tǒng)二級超溫報警及處置機(jī)制。當(dāng)爐溫超過450℃時，系統(tǒng)啟動聲光警報，開啟進(jìn)氣稀釋閥，降低進(jìn)入燃燒系統(tǒng)的有機(jī)物濃度。如爐溫升高超過600℃時，開啟旁通閥，使燃燒爐從系統(tǒng)中短路出來。同時為避免極端爆燃事故的損害，在RCO爐體和進(jìn)出風(fēng)管上安裝有泄爆閥和阻火器。

圖4 催化燃燒溫度隨脫附時間變化曲線

3 調(diào)試與運(yùn)行

3.1 處理效果

本項目經(jīng)過168h試運(yùn)行后，由第三方監(jiān)測機(jī)構(gòu)進(jìn)行了測試。檢測報告顯示系統(tǒng)入口NMHC濃度為605mg/m3，排放口NMHC濃度為40.5mg/m3，有機(jī)物整體去處效率大于90%，污染物排放值達(dá)到并優(yōu)于《工業(yè)涂裝工序大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB33/2146-2018）的要求。

3.2 試運(yùn)行問題及處理

活性炭炭箱吸附工況非正常升溫，吸附效率下降。經(jīng)反復(fù)觀察，明確是由于切換閥門密閉不嚴(yán)產(chǎn)生漏風(fēng)所致。由于閥門質(zhì)量及施工安裝原因，運(yùn)行中會出現(xiàn)個別閥門雖然執(zhí)行器反饋正常，但實際閥門存在泄露。當(dāng)某個活性炭箱處于脫附工況時，如該箱的吸附進(jìn)氣閥門沒有關(guān)閉到位，會使高溫的脫附廢氣通過該閥門泄露至其它處于吸附狀態(tài)的活性炭箱中，引起其他吸附炭箱運(yùn)行溫度上升，降低吸附效率進(jìn)而引起排放超標(biāo)。此問題后續(xù)通過對閥門逐一檢查調(diào)整后解決。

催化爐運(yùn)行超溫。這種情況主要發(fā)生在距離催化爐位置較近的2只炭箱上，雖然系統(tǒng)會自動打開稀釋閥降低爐溫，但超溫頻繁發(fā)生需處理。距離催化爐近的活性炭箱由于管路短，熱量損失小，在系統(tǒng)催化運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)一設(shè)置的條件下，其脫附工況活性炭升溫速度相對更快，短時間內(nèi)有機(jī)物釋放濃度高。后期通過在控制系統(tǒng)中對遠(yuǎn)、近不同活性炭箱的催化風(fēng)機(jī)頻率進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置的方式解決了此問題。

4 結(jié)語

針對大型除塵設(shè)備生產(chǎn)制造中，工件尺寸大造型多樣帶來的噴涂廢氣收集難題，設(shè)計了電動伸縮式薄膜屋頂，對所收集到的噴涂廢氣凈化采用了干式過濾除塵-活性炭吸附-蓄熱式催化燃燒法凈化處理工藝，有機(jī)廢氣的收集率和凈化效果都可達(dá)到環(huán)保要求，同時減少了系統(tǒng)處理風(fēng)量；節(jié)約了運(yùn)行費(fèi)用。本項目的成功實施為同類大型非標(biāo)件加工制造企業(yè)有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)設(shè)計提供了可以借鑒的思路和措施。