涂装车间有机废气治理研究

工业涂装车间是工业产品制造业的耗能大户和污染源。以汽车制造业为例,涂装生产过程中的能耗占汽车生产总能耗的70%左右,同时涂装车间生产过程中产生的三废也占到汽车生产过程中的85%以上,这里边包含VOC(挥发性有机化合物),生产废水,固体废弃物等。这些物质若不进行必要的无害化处理,而肆意排放,将必然对环境带来严重的污染。在涂装的三废中以VOC的排量最大,最难处理,对环境的污染最为严重,越来越受到人们的重视。近年来伴随着国家及地方性法规的不断升级,各个科研机构及企业针对涂装行业的方案也在不断的进步与完善,通过设备及工艺的提升,处理效果取得了长足的发展,使得VOC对环境的危害在逐步减少。

目前,汽车涂装所用的涂料主要由树脂、助剂、颜填料、溶剂组成,其中成膜物质主要包含树脂、颜填料,溶剂主要起稀释、混合、分散树脂、颜填料的作用,使树脂与颜填料充分混合、不凝聚,降低沉降速率。目前汽车涂料所使用溶剂的主要成份为苯、甲苯、乙苯、二甲苯、乙酸乙酯、乙酸丁酯等。涂料在喷涂、挥发、烘干过程中溶剂、助剂会逐渐挥发出来,形成有机废气(VOC)。在汽车涂装过程中产生的有机废气主要有和烘干废气,随着涂料的种类及涂装方法的不同,挥发到空气中的溶剂占涂料总用量的20%~80%。通过对汽车涂装生产车间进行检测发现,在涂装车间内可检测出15种有机物。这些有机废气排放到大气中,在一定条件下通过光化学反应,对臭氧层造成严重破坏,影响大气质量,同时若长期在含有高浓幅度有机废气环境中工作,会损害人的中枢神经系统严重影响作业人员的健康。

近几年,从国家到地方,均越来越重视环境污染问题,各个地方在依照国家标准的基础上均不同程度的颁布了针对涂装行业的挥发性有机物排放控制标准,在标准内部对VOC最高允许排放浓度及排放总量均作出严格要求。通过标准的严格实施,促使相关企业对环保设施进行改造及技术升级,并促进行业的技术进步。目前涂装行业针对有机废气比较常用的处理方式有以下几种。

活性炭吸附主要针对喷漆废气,利用活性炭比表面积(500~1700 m/g)大,孔隙发达、表面官能团丰富和活性高、具有优异的吸附性能等特点,能够将有机溶剂蒸汽分子吸附在其表面,从而达到降低有机废气浓度的目的,是废气治理中应用最广泛的方式。

目前,在常用的活性炭吸附装置中一般会设置过滤器和冷却器,对废气进行预处理,从而除去有机废气中的漆雾和水份,并将废气降低至适当的温度,以保证活性炭不被堵塞,确保设备的安全性。预处理后的有机废气经过活性炭吸附床,废气中的有机物分子会填充在活性炭表面的的孔穴中被吸附在表面,从达到有机废气分离的目的,实现净化效果。由于活性炭吸附属于物理去除法,活性炭的吸附效率会随着吸附量的增加进行衰减,当吸附饱和之后,活性炭的孔隙会被有机分子堵塞,从而丧失吸附作用,这时就需要对活性炭进行更换或者脱附处理,使之重新具备吸附效果。经检测,目前常用的活性炭的最高吸附效率为87%,经活性炭吸附后,有机废气的浓度可降低30%~50%。此方法具有设备简单、投资小、处理量大等优点,适合应用在喷涂量较小,浓度低,有机废气成分较为简单的喷涂环境中。

UV光解又称光氧催化氧化法,空气中的氧分子吸收UV紫外线光束所携带的高能量离子后,将氧分子分解成为游离态氧(即痒离子),因游离态氧及其不稳定,很荣翻译与氧分子结合后产生臭氧。有机废气中的苯类化合物在高能紫外线光束照射下,苯环分子中的C=C,C-H健在吸收能量后断裂,与臭氧发生行反应,生成低分子化合物,如CO2、H2O等,从而达到降低有机废气浓度的目的。UV光解废气处理方式具有投资费用低、适用范围广、净化效率高、操作简单、设备运行稳定、运行费用低等特点,主要应用在废气排放量较低、浓度较低的场合(如汽车补漆间)。

低温等离子法是利用等离子体内部产生富含极高化学活性的特点,使用高压放电装置在放电时产生高能电子和离子,将空气中的氧分子进行分离,氧分子吸收能量后产生游离态的氧离子。有机废气中的苯,甲苯与游离氧基团发生反应,最终转化为CO2和H2O等物质,从而达到净化废气的目的。此种方法具有适用范围广,净化效率高,设备占地面积小的特点,适用于其他方法较难处理的有机废气体;但由于采用高压放电装置,在含水、含尘、有机废气浓度较高的密闭空间易发生爆炸,因而限制了其使用。

“吸附+催化燃烧法”作为有机废气的处理方法分为吸附、脱附和催化燃烧三部分。有机废气通过吸附、脱附处理后,提高了浓度,通常会达到到1000 mg/m以上,然后在催化剂的作用下,使有机废气中的碳氢化合物在特定的温度下迅速氧化成CO2和H2O等物质,从而达到净化空气的目的。有机废气首先通过吸附床,使有机废气中的有害物质被吸附床吸附,吸附净化后的洁净空气高空排放。当吸附床达到饱和后,采用80~100 ℃的气体对吸附床进行反向脱附,将有机废气从吸附床中脱离出来,同时使吸附床重新具有活性继续进行再次吸附处理。被脱附出来的高浓度有机废气在热交换器的作用下预热到200~400 ℃,后通过风机将其送入燃烧室,在催化剂床的作用下有机废气分子和混合气体中的氧分子催化分解,在催化剂的表面迅速分解成CO2和H2O,并放出大量的热,从而达到净化有机废气的目的。此种方法适用于涂料、橡胶、塑料、树脂加工等大风量,低浓度行业,能满足地方环保法规要求。

沸石转轮浓缩加焚烧主要分为沸石浓缩和RTO焚烧两部分,首先是通过沸石转轮吸附大风量喷漆室废气中的低浓度VOC,然后采用小风量高温气体将吸附在沸石转轮上的VOC脱附出来,形成小风量高浓度的VOC气流,然后通过引风机将脱附后的高浓度有机蒸汽送到RTO,有机蒸汽中的苯系物、烷烃类分子在RTO内被高温氧化成CO2和H2O,达到净化有机蒸汽的目的。

沸石转轮浓缩吸附是利用沸石分子具有晶体、多孔的结构特征,将有机废气分子和空气分子选择性吸附后达到进化空气的目的。沸石分子表面为固体骨架,各个孔穴之间由孔道相互连接,气体分子可由孔道穿过,由于孔穴的结晶特性,使得分子筛的孔道分布均匀,孔径大小较为均一。气体分子经过孔道时,会根据晶体内部孔径的大小对分子进行选择性吸附,较大的分子被吸附在晶体表面,小分子经过孔道成为洁净空气,因此沸石转轮也被称为“分子筛”。沸石“分子筛”具有很大的比表面积,这些表面积主要在晶穴内部,外表面积仅占总表面积的1%左右,因此具有极强的吸附功能,能够有效吸附烃类和烷烃类等较小的极性较强的VOC类有机物分子。沸石转轮分为吸附区、脱附区和冷却区,大风量低浓度的有机蒸汽经过吸附区后,有机分子被吸附在分子筛的表面,当吸附到一定程度之后,用小风量的高温气体进行反向吹扫,将有机分子从分子筛中脱离出来,同时用部分低浓度的有机蒸汽对分子筛进行降温,通过以上步骤将有机蒸汽浓缩、分离,将大风量低浓度的有机蒸汽转变为高浓度、低风量的废气。沸石转轮具有如下特点:结构紧凑、体积小;单位体积吸附量大,系统总处理风量大;蜂窝结构空气阻力小、系统压力损失低,结构强度高、使用寿命长,能实现吸附,脱附的连续处理,适应大风量,连续作业场所。

废气焚烧炉,是利用辅助燃料系统,把可燃的有害气体的温度提高到反应温度,从而使有害气体分子发生氧化分解,达到气体净化目的的专业设备。废气焚烧炉按热量回收方式的不同分直燃式废气焚烧炉(TNV)和蓄热式废气焚烧炉(RTO),从节省能源的角度考虑,多采用蓄热式废气焚烧炉。

蓄热式废气焚烧炉有旋转式和塔式之分,旋转式RTO主体结构由燃烧室、陶瓷填料床和旋转阀等组成,整个燃烧室被分成12个截面(5个进气区,5个排气区,1个反向吹扫区,1个过渡区),用1套带有驱动装置的旋转阀门调节气流方向。来自生产过程中或沸石转轮浓缩后的有机废气经过进气区热陶瓷媒介床后被加热,到达到炉膛后燃烧分解为CO2和H2O,高温气体在吹扫区对媒介床进行反向吹扫,将分解后的有机废气从排气管排出,同时高温气体将另五个排气区热交换媒介床加热,使陶瓷蓄热体及炉膛维持在750℃。在旋转切换阀的作用下,陶瓷媒介床的各个区循环切换,以达到连续运行的目的。

塔式RTO分为两塔式和三塔式,三塔式RTO采用三个独立的燃烧室,低温有机废气在引风机的作用下进入蓄热室1的陶瓷介质层,陶瓷释放热量后温度降低,而有机废气吸收热量后升至较高温度,之后进入燃烧室,在燃烧室中被高温分解,被分解净化后的高温气体离开燃烧室,进入蓄热室2,释放热量温度降低后排放,蓄热室2的陶瓷在吸收高温洁净气体释放的热量后,将热量储存起来将用于下个循环低温有机废气加热使用,蓄热室3在这个循环中执行吹扫功能。以上工作完成后,蓄热室的进气与出气阀门进行一次切换,蓄热室2进气,蓄热室3出气,蓄热室1吹扫,再下个循环则是蓄热室3进气,蓄热室1出气,蓄热室2吹扫,如此不断地交替进行,各个蓄热室独立运行。通过直接燃烧方式将废气加热升温至750~850℃,使其中的VOC氧化分解成为无害的CO2和H2O经高空排放。

经沸石转轮浓缩、焚烧处理后,有机废气中的苯系物、烷烃类有机物去除率可达到99%以上,废气排放符合国家及地方环保标准,热交换效率可达到95%以上,是目前涂装行业最理想的废气处理方式。

随着近几年国家及各个地方对环境问题的重新认识,各个行业对挥发性有机物排放的关注上升到了新的高度,各个地方颁布新的地方标准,进一步控制VOC的排放,从而促进涂装行业从材料及施工工艺方面进行的技术改革。

由于涂装行业的VOC来自于涂料,采用低挥发性涂料可有效降低VOC的排放量,近几年各个涂装供应商通过技术升级,逐步开发了高固含涂料(施工固体份在60%左右),将溶剂的使用量降低30%,VOC的排放量可降低35%-40%,目前已得到现场应用,此种方法是节能减排的有效措施。

为了适应排放标准的不断升级各个涂料供应商也在积极开发水性涂料,用水替代有机溶剂,VOC的排放浓度废气处理可降低至20 mg/m以内,目前涂料行业几家实力较强的制造商PPG、巴斯夫等已成功开发出了水性涂料,并已在汽车涂装厂成功应用,获得了较好的效果[3]。同时针对涂装车间内部所使用的焊缝胶、车底涂料、防锈蜡等材料,各个行业也在积极进行低排放研究,用无害化的水代替传统材料中使用的DOP等有机溶剂,通过全过程的减排,实现真正意义上的绿色涂装。

在通过材料降低VOC排放的同时,各个涂装厂也在积极的通过工艺提升降低VOC排放量,通过喷涂方式的改革,将传统的手工喷涂改为机器人静电喷涂,同时通过开门、开盖机器人的应用,实现整车机器人全自动喷涂,将油漆利用率提高由40%提高到75%-80%,有效降低单台油漆使用量,以实现VOC减排60%以上。

在喷涂工艺上,将传统的3C2B逐渐过渡到3C1B,再到水性漆的B1B2,通过水性漆B1B2工艺的实施,涂料用量节省约20%,设备运行能耗降低约20%,VOC排放降低15%。

近年来,各个行业通过不断的努力,无论是喷涂材料、工艺,还是废气治理设备均取得了长足的发展,对节能减排做出了突出的贡献。涂装车间作为有机废气的重点产生单元,越来越受到行业的重视,所以在节能减排的道路上,作为涂装工艺技术人员应该挖掘各方面的潜力从材料、工艺技术、设备、现场管理等各个方面入手,降低污染物的排放量,努力营造绿色车间。同时工厂在设计之初,就应该充分考虑环保措施,按照绿色工厂的标准进行设计、建设,以造福后代。

为规范挥发性有机物治理设施运行管理,提升挥发性有机物治理技术水平,上海生态环境局组织编制了《挥发性有机物治理设施运行管理技术规范(试行)》。