船舶外場噴涂移動式VOCs吸附收集裝置方案研究

＊戴健 王月 孫有君 陳浩 欒詠梅

（1.招商局重工（深圳）有限公司 廣東 518067 2.大連船舶重工集團有限公司 遼寧 116006）

隨著經濟的發展，我國工業涂裝市場發展迅猛，使得我國環境空氣質量面臨嚴峻挑戰，大氣中的揮發性有機物（Volatile Organic Compounds，VOCs）作為一種關鍵的前體物有著十分重要的作用，VOCs與氮氧化物在光照條件下通過光化學反應生成O3從而形成光化學煙霧污染[1-2]。

涂裝過程中使用大量的涂料、稀釋劑、清洗劑和膠粘劑等有機溶劑，排放出大量的有機廢氣，使之成為VOCs的主要排放來源傳播之一[3-4]。

1.船舶涂裝現狀

船舶涂裝不同于其他行業的涂裝，其具備船舶分段大，處理風量大，有機廢氣濃度低，涂裝區域分散等特點[5]。

船舶涂裝目前主要分為兩種方式，一種是船舶制造過程中在涂裝房內進行涂裝作業，有專門的有機廢氣處理系統對VOCs氣體進行處理后排放進大氣，屬于“有組織”排放。一種是對船舶維修時在船塢、船臺等外場進行涂裝作業，其產生的有機廢氣直接排放到大氣中，屬于“無組織”排放。而對其有機廢氣的處理也基本處于空白階段。

2020年全球新建船舶所用的船舶涂料市場份額占比46%，修繕船涂料市場占比54%。近幾年，由于全球宏觀經濟下行、新船訂單需求萎縮等因素導致新建船舶涂料市場下降，而修繕船涂料市場發展較快。因此對“無組織”排放的有機廢氣進行處理已經刻不容緩。

2.無組織排放收集方案

(1)方案設想

無組織排放的有機廢氣處理難度較大，那么可以通過一些手段將無組織排放變為有組織或類有組織排放，再將收集到的有機廢氣進行處理即可。

根據船舶外場噴涂露天涂裝作業無組織排放現狀，需進行露天涂裝作業VOCs收集與處理，露天作業主要的噴漆移動設施為高空作業車，故設計時可以將收集系統安裝在高空作業車平臺上，通過柔性管路連接吸附與處理系統進行VOCs的收集與處理[6-8]。

(2)工作原理

直接通過底部進行廢氣的采集和實時漆霧的收集，集氣罩面部及以上區域使用玻璃板密封并在頂部安裝風幕機，風幕機豎直向下吹風，將噴涂區域與操作區域進行隔離，除了能防止油漆漆霧飛濺到操作者身上與臉部，減少了漆霧對身體傷害，同時也防止風幕對噴漆造成干擾，影響涂裝的質量。整個集氣罩利用上下電動氣缸進行伸縮，方便進行實際噴漆和位置移動操作，機動性更強，通過四個氣缸伸縮調節，在一定程度上可以適當偏移一定角度，盡最大可能性正對和貼近噴漆表面，增加了集氣的效率，整體除必要的框架外，全部使用透明材料，保證施工過程中光線與亮度，方便噴漆過程中的質量監測。

為保證施工的便捷性，優先預設一個整體平移按鈕和四個自動微調按鈕，保證了使用過程中集氣罩操作的施工效率。

表1 集氣罩參數

圖1 集氣罩

(3)仿真模擬

在實際噴漆收集過程，噴漆運動比較復雜，噴漆過程涉及射流，破裂以及碰撞模型，噴漆到噴漆表面過程屬于反彈粘附模型，整個油漆與船體進行噴射粘附后反彈，并被底部的吸附風口吸入移動式VOCs吸附處理裝置，因整個收集流體運動模型比較復雜，為了精確進行收集率計算，使用有限元分析軟件Fluent進行建模分析模擬。

仿真采用高壓無氣噴槍進行噴漆，噴槍距離噴漆表面距離為300mm，出口壓力為15MPa，噴涂流量為1.4L/min，噴射后的實際粘附后的反彈流量系數為0.45，風量10000m3/h。根據有限元分析模擬油漆噴涂反彈后在空氣負壓的流動路徑，其中大部分顆粒聚集在吸附口的下端，模擬計算漆霧收集效率大約為58%。

3.廢氣處理方案

(1)方案設想

根據船舶外場噴涂作業的現狀，需要進行處理的有機廢氣處理設備需要具備可移動性，可耐候性，高安全性和操作簡便等特點，因此可采用移動式的活性炭吸附+高溫脫附/催化燃燒方式的一體機設備對有機廢氣進行處理。

(2)工作原理

采用活性炭吸附+高溫脫附/催化燃燒系統操作原理是先集中收集廢氣處理過程產生的VOCs，待PLC系統提出飽和警告時，將移動式收集裝置拖到脫附中心進行集中脫附和催化燃燒[9]，整體裝置參數如下表：

表2 活性炭吸附裝置參數表

圖2 移動式VOCs處理裝置工作示意圖

主要考慮高空作業車與移動式VOCs處理裝置進行搭配使用，在工作過程VOCs吸附裝置臨時放置在平板車上，噴漆過程中，高空作業車攜帶集氣罩帶著柔性管路進行移動實時吸附噴漆過程中產生的VOCs，集氣方式采取局部采集方式，柔性管路長度可伸縮，一般每次噴漆只需要移動一次VOCs處理裝置，實現噴漆同步吸附噴漆所產生的VOCs，采集完成后，利用牽引車將吸附裝置移到脫附中心利用脫附裝置進行集中脫附和排放。

圖3 活性炭吸附+高溫脫附/催化燃燒原理與工藝說明流程圖

①吸附模塊介紹。吸附模塊包含二級過濾器與蜂窩活性炭吸附系統，油漆漆霧預先經過二級過濾系統，將顆粒濃度降低至活性炭處理濃度，經過二級過濾裝置以后，通過吸附閥門進入蜂窩活性炭吸附裝置，活性炭采用兩層蜂窩活性炭進行吸附，有機廢氣處理機組分別在設備進、出口處配置兩臺PID濃度檢測系統，檢測設備的進口和出口的有機廢氣濃度，并通過檢測的濃度數據經過PLC軟件計算吸附箱體內蜂窩活性炭吸附程度，在每個吸附箱體內配置溫度傳感器對箱體內的溫度進行監控和CO2消防裝置，用于預防可能的蜂窩活性炭著火的情況，確保設備安全穩定。

圖4 吸附模塊

②二級過濾裝置。主風機將集氣罩的有機廢氣引入一級、二級干式漆霧過濾裝置，殘留的漆霧、粉塵和有機廢氣在穿過兩級干式漆霧過濾裝置時，其中固體顆粒物被過濾裝置中的中高效無紡布過濾干凈。當漆霧棉吸附固體顆粒物達到飽和時，通過干式漆霧過濾裝置的壓差計顯示內外差壓，便可知曉漆霧過濾棉是否需要更換。

③蜂窩活性炭吸附。經過兩級干式漆霧過濾裝置濾清顆粒物后的有機廢氣進入裝有蜂窩活性炭的吸附濃縮裝置中，利用高比表面積活性炭的微孔吸附能力來吸附廢氣中的有害苯系物（苯、甲苯、二甲苯）及其他烴類、酮類等有機廢氣，實現有機廢氣與空氣分離，吸附凈化后的潔凈空氣經排氣筒高空排入大氣。蜂窩活性炭吸附到一定程度后，其吸附性能便會降低，在此狀態下的狀態稱為吸附飽和，蜂窩活性炭吸附效率≥95%。

綜上所述，移動式VOCs吸附處理效率≥95%。

④脫附+催化燃燒模塊介紹。裝置分吸附和脫附兩個模塊，全部采用模塊化設計，在實際使用過程中實現簡單管路連接后就可以直接使用，采用一體式設計，運輸使用方便，脫附裝置是一套完整的脫附與催化燃燒系統，主要包含一級換熱器，二級換熱加熱器以及催化燃燒裝置，集中將吸附裝置活性炭中的VOCs進行脫附和催化然后處理，最終完成脫附和達標排放。

脫附時，關閉上下二個進出閥門，由加熱器、脫附風機及脫附床形成一個小循環，進行循環加熱，加熱到120℃時，有機物已經進行脫附。關閉小循環，打開新空氣閥，將廢氣送入催化燃燒室，進行繼續加熱，使氣體加熱到250～300℃催化燃燒，催化燃燒后的氣體進入煙囪排放。

為了節省能源，利用催化燃燒后的熱量，在催化燃燒室部分，設置熱管熱交換器，使新風進入時，先經過熱交換器預熱，作為脫附氣體，此時電加熱器可以不用或減少功率。提高熱能利用率，減少加熱電能。

⑤熱空氣脫附。蜂窩活性炭吸附飽和后需對其進行脫附再生，使其重新恢復吸附功能，本裝置采用熱空氣脫附，并在裝置內配備催化燃燒裝置和換熱加熱裝置。

當蜂窩活性炭將要接近吸附飽和狀態時，啟動脫附風機與電加熱器，對其中一個吸附單元進行預加熱，將該吸附單元中的蜂窩活性炭加熱到脫附溫度（120～150℃）；預熱結束后開始循環脫附流程。潔凈脫附新風經過二級換熱加熱裝置后達到脫附溫度進入吸附箱，通過均勻送風管道均勻地提升蜂窩活性炭床層溫度，活性炭吸附能力隨溫度升高而大幅下降，同時有機溶劑分子受熱獲取能量后增強分子熱運動，當床層溫度達到某類溶劑沸點時，有機溶劑分子脫離活性炭微孔吸附力束縛進入潔凈脫附空氣流中。大量的有機溶劑分子脫離吸附介質進入潔凈脫附空氣，使潔凈脫附空氣成為小風量高濃度的有機廢氣，該濃縮脫附廢氣通過脫附風機送入到催化燃燒裝置內進行催化[10-11]。

⑥催化燃燒。催化前啟動催化燃燒裝置的電加熱器及熱循環風機，使催化劑加熱達到催化工作溫度（250～300℃）后停止預熱流程；濃縮脫附廢氣經過一級換熱裝置進行一次升溫，再進入催化燃燒裝置中的電加熱器進行二次升溫，將其溫度控制在催化氧化反應溫度區間，在鉑、鈀貴金屬催化劑作用下氧化反應活化能大幅降低，有機溶劑分子被氧化分解為二氧化碳與水蒸汽，此過程稱為無焰催化氧化燃燒；氧化凈化后的熱空氣進入一級換熱裝置中對脫附濃縮廢氣進行一次預熱，再進入二級換熱加熱裝置中對脫附新風進行一次預熱，充分回收催化氧化反應熱能后排入吸附箱廢氣進氣總管，使其未能完全反應的有機物再次被吸附凈化。

⑦濃度及溫度控制。在有機廢氣處理機組內安裝多套溫度傳感器，時刻掌握各個脫附單元的進、出溫度及催化燃燒的進、出口溫度來監測整個機組的運行狀況。保證整套機組達到的脫附和催化燃燒過程的溫度要求。

⑧安全控制。通過在有機廢氣設備機組內氣動閥門的感應開關來閥門的切換是否到位，保證預熱、脫附燃燒過程正常運行，機組配置一臺可燃氣體報警裝置，安裝于二級換熱加熱裝置循環風部位，檢測對吸附箱體預加熱脫附時的VOC體積分數，檢測值為體積爆炸極限的下限的0%～100%，體積分數超過爆炸下限值25%后報警，此時打開進風管新風閥，提早進行脫附，在催化燃燒裝置內配置溫度傳感器，當內部溫度到達600℃時，關閉電加熱器，并打開閥門，將裝置內的廢氣經過排氣筒直接排入大氣。

圖5 有機廢氣設備機組

4.實際應用

根據上述的各個系統效率情況，參數如下：

表3 各個系統效率參數表

考慮到在實際進行涂裝作業時，廢氣的收集和處理會受到風力、風向、光照、溫度、濕度和作業強度等各種因素的影響，因此設備的整體效率會根據作業的工況不同而有所變化，因此還需進行進一步深度化的研究。