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塗裝車間有機廢氣治理研究

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发表时间:2020-11-30 10:31作者:有機廢氣治理來源:深圳市友健科技

工業塗裝車間是工業産品制造業的耗能大戶和汙染源。以汽車制造業爲例,塗裝生産過程中的能耗占汽車生産總能耗的70%左右,同時塗裝車間生産過程中産生的三廢也占到汽車生産過程中的85%以上,這裏邊包含VOC(揮發性有機化合物),生産廢水,固體廢棄物等。這些物質若不進行必要的無害化處理,而肆意排放,將必然對環境帶來嚴重的汙染。在塗裝的三廢中以VOC的排量最大,最難處理,對環境的汙染最爲嚴重,越來越受到人們的重視。近年來伴隨著國家及地方性法規的不斷升級,各個科研機構及企業針對塗裝行業的VOC廢氣治理方案也在不斷的進步與完善,通過設備及工藝的提升,處理效果取得了長足的發展,使得VOC對環境的危害在逐步減少。


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有機廢氣治理



1塗裝有機廢氣的來源

目前,汽車塗裝所用的塗料主要由樹脂、助劑、顔填料、溶劑組成,其中成膜物質主要包含樹脂、顔填料,溶劑主要起稀釋、混合、分散樹脂、顔填料的作用,使樹脂與顔填料充分混合、不凝聚,降低沈降速率。目前汽車塗料所使用溶劑的主要成份爲苯、甲苯、乙苯、二甲苯、乙酸乙酯、乙酸丁酯等。塗料在噴塗、揮發、烘幹過程中溶劑、助劑會逐漸揮發出來,形成有機廢氣(VOC)。在汽車塗裝過程中産生的有機廢氣主要有噴漆廢氣和烘幹廢氣,隨著塗料的種類及塗裝方法的不同,揮發到空氣中的溶劑占塗料總用量的20%~80%。通過對汽車塗裝生産車間進行檢測發現,在塗裝車間內可檢測出15種有機物。這些有機廢氣排放到大氣中,在一定條件下通過光化學反應,對臭氧層造成嚴重破壞,影響大氣質量,同時若長期在含有高濃幅度有機廢氣環境中工作,會損害人的中樞神經系統嚴重影響作業人員的健康。


2有機廢氣處理目前的主要處理方法

近幾年,從國家到地方,均越來越重視環境汙染問題,各個地方在依照國家標准的基礎上均不同程度的頒布了針對塗裝行業的揮發性有機物排放控制標准,在標准內部對VOC最高允許排放濃度及排放總量均作出嚴格要求。通過標准的嚴格實施,促使相關企業對環保設施進行改造及技術升級,並促進行業的技術進步。目前塗裝行業針對有機廢氣比較常用的處理方式有以下幾種。

2.1活性炭吸附

活性炭吸附主要针对喷漆廢氣,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,从而达到降低有机廢氣浓度的目的,是廢氣治理中应用最广泛的方式。

目前,在常用的活性炭吸附裝置中一般會設置過濾器和冷卻器,對廢氣進行預處理,從而除去有機廢氣中的漆霧和水份,並將廢氣降低至適當的溫度,以保證活性炭不被堵塞,確保設備的安全性。預處理後的有機廢氣經過活性炭吸附床,廢氣中的有機物分子會填充在活性炭表面的的孔穴中被吸附在表面,從達到有機廢氣分離的目的,實現淨化效果。由于活性炭吸附屬于物理去除法,活性炭的吸附效率會隨著吸附量的增加進行衰減,當吸附飽和之後,活性炭的孔隙會被有機分子堵塞,從而喪失吸附作用,這時就需要對活性炭進行更換或者脫附處理,使之重新具備吸附效果。經檢測,目前常用的活性炭的最高吸附效率爲87%,經活性炭吸附後,有機廢氣的濃度可降低30%~50%。此方法具有設備簡單、投資小、處理量大等優點,適合應用在噴塗量較小,濃度低,有機廢氣成分較爲簡單的噴塗環境中。

2.2UV光解

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。有机廢氣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,从而达到降低有机廢氣浓度的目的。UV光解廢氣處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,主要应用在廢氣排放量较低、浓度较低的场合(如汽车补漆间)。

2.3低溫等離子法

低溫等離子法是利用等離子體內部産生富含極高化學活性的特點,使用高壓放電裝置在放電時産生高能電子和離子,將空氣中的氧分子進行分離,氧分子吸收能量後産生遊離態的氧離子。有機廢氣中的苯,甲苯與遊離氧基團發生反應,最終轉化爲CO2和H2O等物質,從而達到淨化廢氣的目的。此種方法具有適用範圍廣,淨化效率高,設備占地面積小的特點,適用于其他方法較難處理的有機廢氣體;但由于采用高壓放電裝置,在含水、含塵、有機廢氣濃度較高的密閉空間易發生爆炸,因而限制了其使用。

2.4吸附濃縮+催化燃燒法

“吸附+催化燃烧法”作为有机廢氣的處理方法分为吸附、脱附和催化燃烧三部分。有机廢氣通过吸附、脱附處理后,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,使有机廢氣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。有机廢氣首先通过吸附床,使有机廢氣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,将有机廢氣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處理。被脱附出来的高浓度有机廢氣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廢氣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,从而达到净化有机廢氣的目的。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。

2.5沸石轉輪濃縮加焚燒

沸石轉輪濃縮加焚燒主要分爲沸石濃縮和RTO焚燒兩部分,首先是通過沸石轉輪吸附大風量噴漆室廢氣中的低濃度VOC,然後采用小風量高溫氣體將吸附在沸石轉輪上的VOC脫附出來,形成小風量高濃度的VOC氣流,然後通過引風機將脫附後的高濃度有機蒸汽送到RTO,有機蒸汽中的苯系物、烷烴類分子在RTO內被高溫氧化成CO2和H2O,達到淨化有機蒸汽的目的。

2.5.1沸石轉輪

沸石轉輪濃縮吸附是利用沸石分子具有晶體、多孔的結構特征,將有機廢氣分子和空氣分子選擇性吸附後達到進化空氣的目的。沸石分子表面爲固體骨架,各個孔穴之間由孔道相互連接,氣體分子可由孔道穿過,由于孔穴的結晶特性,使得分子篩的孔道分布均勻,孔徑大小較爲均一。氣體分子經過孔道時,會根據晶體內部孔徑的大小對分子進行選擇性吸附,較大的分子被吸附在晶體表面,小分子經過孔道成爲潔淨空氣,因此沸石轉輪也被稱爲“分子篩”。沸石“分子篩”具有很大的比表面積,這些表面積主要在晶穴內部,外表面積僅占總表面積的1%左右,因此具有極強的吸附功能,能夠有效吸附烴類和烷烴類等較小的極性較強的VOC類有機物分子。沸石轉輪分爲吸附區、脫附區和冷卻區,大風量低濃度的有機蒸汽經過吸附區後,有機分子被吸附在分子篩的表面,當吸附到一定程度之後,用小風量的高溫氣體進行反向吹掃,將有機分子從分子篩中脫離出來,同時用部分低濃度的有機蒸汽對分子篩進行降溫,通過以上步驟將有機蒸汽濃縮、分離,將大風量低濃度的有機蒸汽轉變爲高濃度、低風量的廢氣。沸石轉輪具有如下特點:結構緊湊、體積小;單位體積吸附量大,系統總處理風量大;蜂窩結構空氣阻力小、系統壓力損失低,結構強度高、使用壽命長,能實現吸附,脫附的連續處理,適應大風量,連續作業場所。

2.5.2廢氣焚燒設備(RTO)

廢氣焚燒爐,是利用輔助燃料系統,把可燃的有害氣體的溫度提高到反應溫度,從而使有害氣體分子發生氧化分解,達到氣體淨化目的的專業設備。廢氣焚燒爐按熱量回收方式的不同分直燃式廢氣焚燒爐(TNV)和蓄熱式廢氣焚燒爐(RTO),從節省能源的角度考慮,多采用蓄熱式廢氣焚燒爐。

蓄熱式廢氣焚燒爐有旋轉式和塔式之分,旋轉式RTO主體結構由燃燒室、陶瓷填料床和旋轉閥等組成,整個燃燒室被分成12個截面(5個進氣區,5個排氣區,1個反向吹掃區,1個過渡區),用1套帶有驅動裝置的旋轉閥門調節氣流方向。來自生産過程中或沸石轉輪濃縮後的有機廢氣經過進氣區熱陶瓷媒介床後被加熱,到達到爐膛後燃燒分解爲CO2和H2O,高溫氣體在吹掃區對媒介床進行反向吹掃,將分解後的有機廢氣從排氣管排出,同時高溫氣體將另五個排氣區熱交換媒介床加熱,使陶瓷蓄熱體及爐膛維持在750℃。在旋轉切換閥的作用下,陶瓷媒介床的各個區循環切換,以達到連續運行的目的。

塔式RTO分爲兩塔式和三塔式,三塔式RTO采用三個獨立的燃燒室,低溫有機廢氣在引風機的作用下進入蓄熱室1的陶瓷介質層,陶瓷釋放熱量後溫度降低,而有機廢氣吸收熱量後升至較高溫度,之後進入燃燒室,在燃燒室中被高溫分解,被分解淨化後的高溫氣體離開燃燒室,進入蓄熱室2,釋放熱量溫度降低後排放,蓄熱室2的陶瓷在吸收高溫潔淨氣體釋放的熱量後,將熱量儲存起來將用于下個循環低溫有機廢氣加熱使用,蓄熱室3在這個循環中執行吹掃功能。以上工作完成後,蓄熱室的進氣與出氣閥門進行一次切換,蓄熱室2進氣,蓄熱室3出氣,蓄熱室1吹掃,再下個循環則是蓄熱室3進氣,蓄熱室1出氣,蓄熱室2吹掃,如此不斷地交替進行,各個蓄熱室獨立運行。通過直接燃燒方式將廢氣加熱升溫至750~850℃,使其中的VOC氧化分解成爲無害的CO2和H2O經高空排放。

经沸石转轮浓缩、焚烧處理后,有机廢氣中的苯系物、烷烃类有机物去除率可达到99%以上,廢氣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廢氣處理方式。


3減少有機廢氣的方案


隨著近幾年國家及各個地方對環境問題的重新認識,各個行業對揮發性有機物排放的關注上升到了新的高度,各個地方頒布新的地方標准,進一步控制VOC的排放,從而促進塗裝行業從材料及施工工藝方面進行的技術改革。


3.1新材料的應用

由于塗裝行業的VOC來自于塗料,采用低揮發性塗料可有效降低VOC的排放量,近幾年各個塗裝供應商通過技術升級,逐步開發了高固含塗料(施工固體份在60%左右),將溶劑的使用量降低30%,VOC的排放量可降低35%-40%,目前已得到現場應用,此種方法是節能減排的有效措施。

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。


3.2新工藝

在通過材料降低VOC排放的同時,各個塗裝廠也在積極的通過工藝提升降低VOC排放量,通過噴塗方式的改革,將傳統的手工噴塗改爲機器人靜電噴塗,同時通過開門、開蓋機器人的應用,實現整車機器人全自動噴塗,將油漆利用率提高由40%提高到75%-80%,有效降低單台油漆使用量,以實現VOC減排60%以上。

在噴塗工藝上,將傳統的3C2B逐漸過渡到3C1B,再到水性漆的B1B2,通過水性漆B1B2工藝的實施,塗料用量節省約20%,設備運行能耗降低約20%,VOC排放降低15%。


4結語

近年來,各個行業通過不斷的努力,無論是噴塗材料、工藝,還是廢氣治理設備均取得了長足的發展,對節能減排做出了突出的貢獻。塗裝車間作爲有機廢氣的重點産生單元,越來越受到行業的重視,所以在節能減排的道路上,作爲塗裝工藝技術人員應該挖掘各方面的潛力從材料、工藝技術、設備、現場管理等各個方面入手,降低汙染物的排放量,努力營造綠色車間。同時工廠在設計之初,就應該充分考慮環保措施,按照綠色工廠的標准進行設計、建設,以造福後代。


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