涂裝車間有機廢氣治理研究

前言
工業(yè)涂裝車間是工業(yè)產(chǎn)品制造業(yè)的耗能大戶和污染源。以汽車制造業(yè)為例，涂裝生產(chǎn)過程中的能耗占汽車生產(chǎn)總能耗的70%左右，同時涂裝車間生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的三廢也占到汽車生產(chǎn)過程中的85%以上，這里邊包含VOC（揮發(fā)性有機化合物），生產(chǎn)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(huán)境帶來嚴重的污染。在涂裝的三廢中以VOC的排量最大，最難處理，對環(huán)境的污染最為嚴重，越來越受到人們的重視。近年來伴隨著國家及地方性法規(guī)的不斷升級，各個科研機構及企業(yè)針對涂裝行業(yè)的VOC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(fā)展，使得VOC對環(huán)境的危害在逐步減少。
1、涂裝有機廢氣的來源
目前，汽車涂裝所用的涂料主要由樹脂、助劑、顏填料、溶劑組成，其中成膜物質主要包含樹脂、顏填料，溶劑主要起稀釋、混合、分散樹脂、顏填料的作用，使樹脂與顏填料充分混合、不凝聚，降低沉降速率。目前汽車涂料所使用溶劑的主要成份為苯、甲苯、乙苯、二甲苯、乙酸乙酯、乙酸丁酯等。涂料在噴涂、揮發(fā)、烘干過程中溶劑、助劑會逐漸揮發(fā)出來，形成有機廢氣（VOC）。在汽車涂裝過程中產(chǎn)生的有機廢氣主要有噴漆廢氣和烘干廢氣，隨著涂料的種類及涂裝方法的不同，揮發(fā)到空氣中的溶劑占涂料總用量的20%～80%。通過對汽車涂裝生產(chǎn)車間進行檢測發(fā)現(xiàn)，在涂裝車間內可檢測出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(huán)境中工作，會損害人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)嚴重影響作業(yè)人員的健康。
2、有機廢氣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(huán)境污染問題，各個地方在依照國家標準的基礎上均不同程度的頒布了針對涂裝行業(yè)的揮發(fā)性有機物排放控制標準，在標準內部對VOC最高允許排放濃度及排放總量均作出嚴格要求。通過標準的嚴格實施，促使相關企業(yè)對環(huán)保設施進行改造及技術升級，并促進行業(yè)的技術進步。目前涂裝行業(yè)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
活性炭吸附主要針對噴漆廢氣，利用活性炭比表面積（500～1700 m²/g）大，孔隙發(fā)達、表面官能團豐富和活性高、具有優(yōu)異的吸附性能等特點，能夠將有機溶劑蒸汽分子吸附在其表面，從而達到降低有機廢氣濃度的目的，是廢氣治理中應用最廣泛的方式。
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，并將廢氣降低至適當?shù)臏囟?，以保證活性炭不被堵塞，確保設備的安全性。預處理后的有機廢氣經(jīng)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(xiàn)凈化效果。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，當吸附飽和之后，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(jīng)檢測，目前常用的活性炭的最高吸附效率為87%，經(jīng)活性炭吸附后，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(yōu)點，適合應用在噴涂量較小，濃度低，有機廢氣成分較為簡單的噴涂環(huán)境中。
2.2UV光解
UV光解又稱光氧催化氧化法，空氣中的氧分子吸收UV紫外線光束所攜帶的高能量離子后，將氧分子分解成為游離態(tài)氧（即癢離子），因游離態(tài)氧及其不穩(wěn)定，很榮翻譯與氧分子結合后產(chǎn)生臭氧。有機廢氣中的苯類化合物在高能紫外線光束照射下，苯環(huán)分子中的C=C,C-H健在吸收能量后斷裂，與臭氧發(fā)生行反應，生成低分子化合物，如CO2、H2O等，從而達到降低有機廢氣濃度的目的。UV光解廢氣處理方式具有投資費用低、適用范圍廣、凈化效率高、操作簡單、設備運行穩(wěn)定、運行費用低等特點，主要應用在廢氣排放量較低、濃度較低的場合（如汽車補漆間）。
2.3低溫等離子法
低溫等離子法是利用等離子體內部產(chǎn)生富含極高化學活性的特點，使用高壓放電裝置在放電時產(chǎn)生高能電子和離子，將空氣中的氧分子進行分離，氧分子吸收能量后產(chǎn)生游離態(tài)的氧離子。有機廢氣中的苯，甲苯與游離氧基團發(fā)生反應，最終轉化為CO2和H2O等物質，從而達到凈化廢氣的目的。此種方法具有適用范圍廣，凈化效率高，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(fā)生爆炸，因而限制了其使用。
2.4吸附濃縮+催化燃燒法
“吸附+催化燃燒法”作為有機廢氣的處理方法分為吸附、脫附和催化燃燒三部分。有機廢氣通過吸附、脫附處理后，提高了濃度，通常會達到到1000 mg/m³以上，然后在催化劑的作用下，使有機廢氣中的碳氫化合物在特定的溫度下迅速氧化成CO2和H2O等物質，從而達到凈化空氣的目的。有機廢氣首先通過吸附床，使有機廢氣中的有害物質被吸附床吸附，吸附凈化后的潔凈空氣高空排放。當吸附床達到飽和后，采用80～100 ℃的氣體對吸附床進行反向脫附，將有機廢氣從吸附床中脫離出來，同時使吸附床重新具有活性繼續(xù)進行再次吸附處理。被脫附出來的高濃度有機廢氣在熱交換器的作用下預熱到200～400 ℃，后通過風機將其送入燃燒室，在催化劑床的作用下有機廢氣分子和混合氣體中的氧分子催化分解，在催化劑的表面迅速分解成CO2和H2O，并放出大量的熱，從而達到凈化有機廢氣的目的。此種方法適用于涂料、橡膠、塑料、樹脂加工等大風量，低濃度行業(yè)，能滿足地方環(huán)保法規(guī)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為沸石濃縮和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，然后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，然后通過引風機將脫附后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，達到凈化有機蒸汽的目的。
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后達到進化空氣的目的。沸石分子表面為固體骨架，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，孔徑大小較為均一。氣體分子經(jīng)過孔道時，會根據(jù)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(jīng)過孔道成為潔凈空氣，因此沸石轉輪也被稱為“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。沸石轉輪分為吸附區(qū)、脫附區(qū)和冷卻區(qū)，大風量低濃度的有機蒸汽經(jīng)過吸附區(qū)后，有機分子被吸附在分子篩的表面，當吸附到一定程度之后，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?yōu)楦邼舛?、低風量的廢氣。沸石轉輪具有如下特點：結構緊湊、體積??；單位體積吸附量大，系統(tǒng)總處理風量大；蜂窩結構空氣阻力小、系統(tǒng)壓力損失低，結構強度高、使用壽命長，能實現(xiàn)吸附，脫附的連續(xù)處理，適應大風量，連續(xù)作業(yè)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(tǒng)，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(fā)生氧化分解，達到氣體凈化目的的專業(yè)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(jié)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(qū)，5個排氣區(qū)，1個反向吹掃區(qū)，1個過渡區(qū)），用1套帶有驅動裝置的旋轉閥門調節(jié)氣流方向。來自生產(chǎn)過程中或沸石轉輪濃縮后的有機廢氣經(jīng)過進氣區(qū)熱陶瓷媒介床后被加熱，到達到爐膛后燃燒分解為CO2和H2O，高溫氣體在吹掃區(qū)對媒介床進行反向吹掃，將分解后的有機廢氣從排氣管排出，同時高溫氣體將另五個排氣區(qū)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(qū)循環(huán)切換，以達到連續(xù)運行的目的。
塔式RTO分為兩塔式和三塔式，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，陶瓷釋放熱量后溫度降低，而有機廢氣吸收熱量后升至較高溫度，之后進入燃燒室，在燃燒室中被高溫分解，被分解凈化后的高溫氣體離開燃燒室，進入蓄熱室2，釋放熱量溫度降低后排放，蓄熱室2的陶瓷在吸收高溫潔凈氣體釋放的熱量后，將熱量儲存起來將用于下個循環(huán)低溫有機廢氣加熱使用，蓄熱室3在這個循環(huán)中執(zhí)行吹掃功能。以上工作完成后，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(huán)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氧化分解成為無害的CO2和H2O經(jīng)高空排放。
經(jīng)沸石轉輪濃縮、焚燒處理后，有機廢氣中的苯系物、烷烴類有機物去除率可達到99％以上，廢氣排放符合國家及地方環(huán)保標準，熱交換效率可達到95％以上，是目前涂裝行業(yè)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(huán)境問題的重新認識，各個行業(yè)對揮發(fā)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準，進一步控制VOC的排放，從而促進涂裝行業(yè)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
由于涂裝行業(yè)的VOC來自于涂料，采用低揮發(fā)性涂料可有效降低VOC的排放量，近幾年各個涂裝供應商通過技術升級，逐步開發(fā)了高固含涂料（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(xiàn)場應用，此種方法是節(jié)能減排的有效措施。
為了適應排放標準的不斷升級各個涂料供應商也在積極開發(fā)水性涂料，用水替代有機溶劑，VOC的排放濃度可降低至20 mg/m³以內，目前涂料行業(yè)幾家實力較強的制造商PPG、巴斯夫等已成功開發(fā)出了水性涂料，并已在汽車涂裝廠成功應用，獲得了較好的效果[3]。同時針對涂裝車間內部所使用的焊縫膠、車底涂料、防銹蠟等材料，各個行業(yè)也在積極進行低排放研究，用無害化的水代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料中使用的DOP等有機溶劑，通過全過程的減排，實現(xiàn)真正意義上的綠色涂裝。
3.2新工藝
在通過材料降低VOC排放的同時，各個涂裝廠也在積極的通過工藝提升降低VOC排放量，通過噴涂方式的改革，將傳統(tǒng)的手工噴涂改為機器人靜電噴涂，同時通過開門、開蓋機器人的應用，實現(xiàn)整車機器人全自動噴涂，將油漆利用率提高由40%提高到75%-80%，有效降低單臺油漆使用量，以實現(xiàn)VOC減排60%以上。
在噴涂工藝上，將傳統(tǒng)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，涂料用量節(jié)省約20%，設備運行能耗降低約20%，VOC排放降低15%。
4、總結
近年來，各個行業(yè)通過不斷的努力，無論是噴涂材料、工藝，還是廢氣治理設備均取得了長足的發(fā)展，對節(jié)能減排做出了突出的貢獻。涂裝車間作為有機廢氣的重點產(chǎn)生單元，越來越受到行業(yè)的重視，所以在節(jié)能減排的道路上，作為涂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(xiàn)場管理等各個方面入手，降低污染物的排放量，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(huán)保措施，按照綠色工廠的標準進行設計、建設，以造福后代。
來源：現(xiàn)代涂料與涂裝