涂布工藝進排氣管道設計及廢氣治理工程實例分析

邢俊濤 周秉武

上海閔欣環保設備工程有限公司（上海 201109）

涂布工藝已被眾多行業廣泛采納，例如印刷、包裝及電池制造等[1-3]。在涂布工藝中，涂布機負責將膠水、涂料或墨水均勻地涂覆在基材表面，這樣既可以提升產品的美觀度，又可以保護產品并賦予其特殊功能。然而，這個過程可能帶來嚴重的環境污染。在生產過程中，涂布工藝會使用諸如膠水、乙酸乙酯、油墨、丁酮、正丙酯、甲苯等揮發性有機物[4]。鑒于法規正在嚴格控制揮發性有機物（VOCs）的排放濃度，這些污染物必須經過深度處理以滿足環境保護法規的嚴格要求。因此，涂布工業的發展正面臨著工藝能耗和環境保護的雙重挑戰。

本研究以實際工程項目為例，對企業進排氣管道設計、治理設施建設及運行情況進行了全面評估。通過加強涉VOCs 生產車間和工序廢氣進排氣及熱能回收的系統化管理，采取封閉式、連續化、自動化技術，高效的工藝與處理設備等，顯著降低了工藝過程中的無組織排放和能源消耗。此外，對涂布進排氣管道及廢氣治理進行了綜合分析，實現了VOCs 的集中高效處理。最終，該方案帶來了可觀的經濟效益、環境效益和社會效益。

1 工程概況

該企業車間配置了一條涂布生產線，涵蓋膠水室、兩個涂布頭、兩個預涂烘箱和8 個烘箱。主要生產特種功能膠帶、裝飾膜、用途標識等產品。在生產過程中，涉及稀釋、密煉/開煉、涂布、固化、面層涂膠、復合、烘干、背膠、貼合等相關工藝環節。其中，涂布、固化、復合等環節會產生有機廢氣（含甲苯、二甲苯、乙酸乙酯、丁酮、庚烷、異丙醇），這些廢氣主要來自干式復合及涂布工藝，廢氣中有機物的質量濃度為500～2 500 mg/m3，因此需要采用蓄熱式直接焚燒爐（RTO）進行處理[5-6]。

涂布生產過程中的工藝進排風系統涉及多個環節，包括工藝新風、排廢風、熱交換風、涂布頭新風與排風及膠水間排風。這些環節都是涂布生產的核心部分，與末端RTO 形成聯動系統。

圖1 為基本的進排氣工藝圖，簡要地描繪了涂布進排氣工藝、涂布熱能回收工藝及RTO 熱能回收工藝等基本的工藝邏輯。

圖1 涂布進排氣工藝邏輯簡圖

2 涂布工藝進風系統

涂布工藝的進氣環節需要確保供給的空氣能夠均勻地分布在基材表面，以保證涂料或墨水均勻分布。同時，進氣管道的設計需要考慮空氣流量、氣壓和溫度等因素，以滿足涂布機生產工藝的需求。

根據涂布工藝要求，涂布線烘箱換熱器需要使用干凈清潔的新風進行加熱，新風需經過初效和中效過濾后再進入烘箱的高效處理系統。

2.1 1#、2#烘箱工藝進風要求

在烘箱的前1～2 節，溶劑會迅速揮發，膠水處于流動狀態。為了使新風能夠快速均勻地進入每節烘箱，每節烘箱的進風量應保持在4 000～6 000 m3/h。

烘箱3～4 節的可燃氣體爆炸下限（LEL）檢測儀檢測到廢氣中有機物濃度較小時，將通過自動調節閥進行調節，使3～4 節烘箱的排廢風回饋至1～2 節使用。涂布線5～8 節烘箱的部分排風將通過防爆排風風機供給1～2 節烘箱的燃燒器作為新風使用。當5～8 節烘箱的排風量過大時，需要5～8 節烘箱自動通過LEL 檢測排出，而不進入1～2 節烘箱的新風補風系統。

2.2 3#、4#烘箱工藝進風要求

在烘箱的前3～4 節，溶劑處于均勻揮發階段，膠水開始進入固化狀態。在此階段，新風需要具有大且均勻的熱量以滿足膠水固化的需求。每節烘箱的進風量為3 000～5 000 m3/h。

當涂布線烘箱的5～8 節排風經LEL 檢測，顯示有機物濃度較低時，可以通過防爆排風風機和風管向3～4 節燃燒器供應新風。然而，如果5～8 節烘箱的排風量在輸送至3～4 節換熱器時過大，需要確保5～8 節烘箱自動通過LEL 檢測并排出，而不進入3～4 節烘箱的新風補風系統。

2.3 5#—8#烘箱工藝進風要求

第5～8 節烘箱處于膠水固化狀態，溶劑含量較低并已基本揮發完全。然而，某些膠水較厚的部位，仍需慢速揮發，需要提供熱量大且風速平穩的空氣。每節烘箱的進風量為3 000～5 000 m3/h。

烘箱第8 節的排廢風經過內循環后，一般可用作供給第7 節燃燒器的新風。同樣地，烘箱第7 節、第6 節、第5 節的排廢風經過內循環后一般可分別用作供給第6 節、第5 節、第4 節燃燒器的新風。當任一節烘箱的排風量大于供給烘箱的進風量時，風管會自動排出排風，而不回補風系統。

3 涂布工藝排風系統

涂布工藝的排氣管主要用于排放涂布過程中產生的廢氣，包括有機廢氣、漆霧等。為確保安全，廢氣經過收集后需排至廢氣RTO 處理系統，因此需要合理設置排風風量以匹配涂布工藝的需求。

3.1 預涂烘箱1#、2#及烘箱1#—4# 排廢氣往RTO 的處理要求

（1）預涂烘箱第1～2 節和烘箱第1～2 節接入RTO，每節約4 000 m3/h的廢氣全排后進入RTO 系統處理，此處的VOCs 氣體濃度大、風速快，出現渦流、湍流的可能性大，因此需要控制流量，廢氣溫度在70～120 ℃之間。

（2）第3～4 節烘箱，每節的廢氣量約為2 500 m3/h，廢氣溫度為80～160 ℃，一部分排廢往RTO，另一部分給第1～2 節烘箱供熱；根據涂布線LEL 檢測結果來判斷廢氣是否需要全部進入RTO。

（3）當管道溫度達到90 ℃以上時，應采用不銹鋼管道焊接。若管道溫度在90 ℃以下，可以采用鍍鋅管焊接的形式。

3.2 烘箱5#—8#排廢氣要求

（1）5～8 節烘箱，每節工藝廢氣約為2 000 m3/h，溫度為100～170 ℃，采用304 不銹鋼管道。

（2）5～8 節烘箱的工藝排氣管道。第5 節、第6節、第7 節和第8 節烘箱廢氣，將作為前一節燃燒器的新風源。如果某一節烘箱的排風量大于供給烘箱的進風量，該部分多余的廢氣將通過風管自動排出，而不會進入補風系統。

涂布線5～8 節烘箱的部分排風通過風管進入涂布線1～4 節烘箱的熱交換器，添加排風風機，然后供給1～4 節的燃燒器作為新風使用，用于1～4 號烘箱的部分補風。當5～8 節烘箱的排風量大于1～4 節烘箱的新風進風量時，需要5～8 節烘箱自動通過LEL檢測并排出。

3.3 涂布頭排廢氣往RTO 的處理要求

涂布生產線有微凹涂布頭與刮刀涂布頭排風，總風量為4 000 m3/h，但兩個涂布頭不同時使用。因此，在制造排風管時，在開啟某一個涂布頭進行排廢時，另一個涂布頭排廢關閉；每個涂布頭配置防爆風機抽風，否則涂布頭的氣味無法排出。

4 廢氣處理系統

涂布工藝所產生的廢氣通過RTO 燃燒裝置進行有效處理，同時，對燃燒過程中的余熱進行回收再利用，既解決了廢氣排放問題，又實現了能源的節約，處理效率高達99.5%以上。

4.1 RTO 特點

根據工藝情況，工藝上溶劑蒸汽（甲苯、二甲苯、乙酸乙酯等）約50～150 kg/h，溫度為60～80 ℃，RTO系統整體設計風量為35 000 m3/h，熱效率不低于95%，燃燒溫度為750～950 ℃，爐體表面溫度不高于環境溫度+25 ℃。

4.2 工藝及涂布線設備情況

涂布線工藝及設備情況分別如表1，表2 所示。

表1 工藝情況

表2 涂布線設備情況

4.3 燃燒系統

燃料為天燃氣，其熱值為8.5 MJ/m3；采用點火成功率高和運行穩定的燃燒器，采用比例控制閥實現燃料的無極控制；采用火焰控制器及帶自檢功能的火焰探測器；燃氣管路配置高低壓開關和雙控制閥；安全聯鎖包括天然氣的高低壓報警、助燃壓力報警、點火失敗報警、熄火報警等。

4.4 燃燒室

應確保燃燒時間達到1.0 s 以上以達到有效的廢氣處理效率。燃燒室殼體內部應安裝足夠厚的保溫棉以減少熱損失，保溫棉應具有1 200 ℃以上的耐溫能力。

應配備高溫熱電偶，用于監測和控制爐膛溫度。每組熱電偶均為雙支，并具有1 200 ℃的耐溫能力，以確保精確的溫度測量和控制。

4.5 蓄熱陶瓷

RTO 選用防堵型蓄熱陶瓷，耐溫達到1 100 ℃以上，熱膨脹系數（20～1 000）℃是（2.5～4.5）×10-6，熱熔為750～1 100 J/kg·K，冷壓強度達到4 120 kg/cm2以上，陶瓷保證蓄熱效果達到95%以上。RTO 進出口安裝壓差表，檢測陶瓷的壓力情況并在中控顯示。

4.6 廢氣分配閥

閥體需確保在長期高溫環境中保持結構不變形。廢氣入口前端設置防火閥，防止管道回火，嚴格控制RTO 系統入口廢氣濃度不超過可燃組分爆炸下限；在系統前端一定距離處安裝LEL 檢測儀，并與廢氣閥、新風閥、緊急排放閥和高溫旁通閥聯動。

4.7 系統風機

主風機將生產車間來的廢氣送入RTO。風機為碳鋼材質，內部防爆結構，含減振器和底座，其進出口安裝軟連接。主風機與馬達采用直接驅動方式，可實現無級變頻調節，主風機運行信號與RTO 進口壓力變送器進行關聯控制。

4.8 RTO 煙囪

煙囪高度超過20 m，需配備爬梯；避雷針超過1 m；對煙囪設置在線檢測平臺和檢測孔，以便于環保監測。

4.9 硅粉清潔

膠水中硅離子在高溫有氧的環境下氧化生成二氧化硅粉末，會在RTO 蓄熱體中積累。每隔一段時間需要對上述部位進行清理，具體措施為：RTO 進、排氣口設置壓差檢測儀，壓力失常時提示操作人員進行清理；RTO 清理時，使用高壓水自上至下沖洗以有效清理蓄熱體中的硅粉，并在爐體底部設置排水口排水。

5 熱能回收系統

5.1 烘箱余熱回收技術要求

第3～4 節烘箱的廢氣總量約為5 000 m3/h，廢氣溫度為80～160 ℃，可以用于給第1～2 節烘箱供熱。二者調節的原理是基于涂布線LEL 檢測儀的測定來判斷廢氣是否需要全部進入RTO。

涂布線烘箱的熱能排出后，可向前一節供應使用，其對應關系為：8-7，7-6，6-5，5-4，4-3，3-2，2-1。調節原理是基于LEL 檢測儀的測定結果，若余量多則迅速排入，若余量少則補充新風。此外，還可以調節排氣流量，在保證高效烘干的同時，合理控制回風比例，實現排風濃度和氣流的最優化，從而達到降低加熱能耗、排風減風增濃的目的。

5.2 RTO 余熱回收技術要求

RTO 的余熱回收過程可以通過RTO 余熱換熱器進行，未被用盡的余熱將進入車間的熟化室，并利用熟化室空調的換熱系統。這樣能確保處理的空氣純凈，無雜質和天然氣殘留。這些管道需要進行保溫處理，所使用的保溫材料由防火A 級巖棉制成，以確保包裹后的溫度不高于室溫（25 ℃）。

6 自動與安全控制系統

6.1 自動控制系統

主控系統、觸摸屏和可編程邏輯控制器（PLC）應相互獨立，且應分別設置常用按鍵和觸摸屏。在具體設計時，應考慮以下幾個方面：采用穩定可靠的系統架構，確保穩定性和可用性；選擇性能穩定、質量可靠的硬件設備，以確保正常運行；具備手動和自動兩種運行方式，以滿足不同生產線的需求；設置常用位置停機操作，方便用戶對設備進行維護和調試；設置急停操作，以便快速停止設備運行；通過觸摸屏顯示故障信息，并記錄故障，方便查詢和排除故障；配備三色報警指示燈，以指示運行狀態和故障情況。

6.2 安全控制系統

在具體設計安全控制系統時，應考慮以下幾個方面：RTO 加熱系統符合國際安全標準，配備火焰檢測器，能快速關閉燃氣，點火管路采用雙電磁閥；實時監測爐膛溫度，并設置有雙熱電偶對其監測結果進行判斷；系統開機流程設置有掃膛過程，用于清掃爐膛內殘留的有機廢氣和燃料，避免點火時發生爆閃；爐膛到煙囪中間有高溫旁通閥，當超溫時，高溫旁通閥會自動打開以釋放過多的熱量，保護爐膛；系統在廢氣入口處設置有緊急排放閥，可在RTO 故障或者維護停機的時候緊急排放；在爐體進出風口設置有壓差變送器，來觀測蓄熱陶瓷的工作情況，檢測是否堵塞或者破損；RTO 系統在廢氣進爐膛前設置有泄爆口，以釋放高壓，減少損失；電控系統具有過載保護、短路保護、斷相保護、接地保護、電源防雷保護功能等。

7 結論與建議

對涂布工藝進排氣管道及廢氣治理進行分析，涵蓋進排氣管道設計、廢氣治理、熱能回收、自動與安全控制等方面，旨在提高涂布工藝的環保性、生產效率和產品質量。在進行涂布工藝的進排氣管道設計和廢氣治理時，充分考慮生產工藝的需求和實際情況。有機廢氣經處理產生的熱能，不僅能維持RTO 自身的正常運行，還可以回收多余的熱能作為涂布設備干燥的能源。

另外，后期系統的運行也是關鍵，建議注重以下幾個方面：（1）完善生產管理。強化生產過程中的環境保護意識，加強對員工的培訓和教育，使其認識到環保的重要性。（2）加強設備維護和檢修。定期對設備進行檢查和維護，提高設備的穩定性和可靠性。（3）增強與相關方的溝通與合作。積極與設備供應商、技術研發機構等進行交流與合作，共同研發更加環保、高效的涂布工藝技術和設備。