VOCs濃縮焚燒技術(shù)在噴房廢氣凈化處理中的應(yīng)用

揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)從物理角度定義就是：在101．325kPa標(biāo)準(zhǔn)壓力下，任何初沸點(diǎn)低于或等于250°C的有機(jī)化合物，是臭氧和PM2．5形成的重要前體物，而臭氧和PM2．5作為環(huán)境污染的主要危險(xiǎn)物質(zhì)，必須得到有效控制。為了打贏(yíng)藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)，國(guó)家環(huán)保部和各地方政府陸續(xù)出臺(tái)了一系列環(huán)保法規(guī)，其中北京、上海、廣東、天津、山東、江蘇、重慶和遼寧等省市已經(jīng)頒布或即將頒布針對(duì)汽車(chē)制造業(yè)VOCs排放限制的地方標(biāo)準(zhǔn)。一旦油漆車(chē)間的VOCs出現(xiàn)排放不達(dá)標(biāo)的情況，需要采取相應(yīng)的減排控制措施甚至停產(chǎn)。
一、噴房廢氣處理方案
1.1常用的廢氣處理方法介紹
油漆車(chē)間對(duì)VOC的控制方法有很多，可以通過(guò)選用低VOC含量的油漆材料新工藝從源頭減量，也可以在噴涂過(guò)程提升機(jī)器人的上漆率減少油漆使用，也可以從吸附焚燒的辦法從排放末端對(duì)VOC實(shí)現(xiàn)減量控制。幾類(lèi)常用的末端VOC凈化處理方法使用范圍詳見(jiàn)下圖l，可以得知適合噴房廢氣的處理方法主要有兩種：一是通過(guò)焚燒將VOCs轉(zhuǎn)化為CO2和H2O；另一類(lèi)是吸附吸收法，主要有活性炭吸附和沸石轉(zhuǎn)輪吸附等等。
關(guān)于吸附床載體的選擇，活性炭吸附效率高，但是受水氣影響大導(dǎo)致使用壽命短，且使用和再生過(guò)程存在一定的安全隱患；而沸石轉(zhuǎn)輪為疏水結(jié)構(gòu)，耐高溫且不可燃，在維護(hù)和保養(yǎng)良好的前提下，可以在線(xiàn)循環(huán)使用從而具備58年較長(zhǎng)壽命周期的可能。關(guān)于直燃式氧化爐(T0)和蓄熱式氧化爐(RT0)的選擇，常規(guī)的三室RT0處理效率高，但是占地面積大，使用過(guò)程中可能存在蓄熱陶瓷結(jié)晶堵塞的風(fēng)險(xiǎn)；而T0更適合小風(fēng)量的廢氣處理，性能可靠穩(wěn)定，再結(jié)合余熱回收系統(tǒng)的使用，能效比可以得到有利提升。

所以針對(duì)噴房VOCs濃度<300mg／m3，風(fēng)量>100，000m3／h的情況，采用沸石轉(zhuǎn)輪吸附+直燃式氧化的方式更加高效節(jié)能。
1.2 VOC濃縮焚燒處理系統(tǒng)介紹
1.2.1沸石吸附原理說(shuō)明
沸石轉(zhuǎn)輪的基材由蜂窩狀的陶瓷纖維片組成，而作為吸附介質(zhì)的疏水性沸石采用特殊的燒結(jié)工藝覆蓋在基材表面；VOC物質(zhì)在這些基材上的吸附和解析過(guò)程基本上遵守倫納德．瓊斯(Lennard．Jorms)作用力原理(原理示意圖詳見(jiàn)下圖2)。

從上圖可以看出，當(dāng)兩個(gè)分子之間的間距在一定和距離時(shí)，兩者之間的相互吸引力最大。利用這個(gè)原理設(shè)計(jì)沸石內(nèi)部特殊的空隙結(jié)構(gòu)，確保當(dāng)廢氣中VOC分子通過(guò)沸石表面時(shí)被最大的吸引力吸附捕捉，當(dāng)220℃的脫附氣體將能量傳到給VOC分子時(shí)，便會(huì)掙脫倫納德．瓊斯作用力的束縛隨著解析氣體進(jìn)入焚燒氧化爐，在氧化爐高溫下發(fā)生裂解反應(yīng)。
1.2.2系統(tǒng)流程示意圖介紹
把原先直排的大風(fēng)量低濃度噴房廢氣，首先經(jīng)過(guò)過(guò)濾后引入到沸石轉(zhuǎn)輪(KPR)上進(jìn)行吸附并分離，沸石吸附轉(zhuǎn)輪上被劃分為三個(gè)相互隔離的分區(qū)：吸附處理區(qū)，脫附區(qū)，冷卻區(qū)；大部分廢氣通過(guò)轉(zhuǎn)輪吸附區(qū)時(shí)VOC物質(zhì)被捕捉，得以?xún)艋?；小部分廢氣通過(guò)冷卻區(qū)后被引入到換熱器進(jìn)行升溫，然后到脫附區(qū)將轉(zhuǎn)輪上的VOC解析出來(lái)，一起進(jìn)入直燃熱氧化爐(1Io)里焚燒得以?xún)艋?；兩路氣體最后混合后通過(guò)煙囪排出，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。VOC濃縮焚燒處理系統(tǒng)的流程詳見(jiàn)下圖3。

二、 VOC濃縮焚燒處理系統(tǒng)組成介紹
VOC濃縮焚燒處理系統(tǒng)的主要組成包括：過(guò)濾單元、沸石轉(zhuǎn)輪模組，廢氣主風(fēng)機(jī)、氧化焚燒爐、廢氣風(fēng)管、消防安全系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等，下面就主要系統(tǒng)做分別介紹：
2.1沸石轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1.1技術(shù)方案設(shè)計(jì)
目前沸石轉(zhuǎn)輪主要依靠進(jìn)口，世界范圍內(nèi)沸石技術(shù)較完善的有日本西部技研公司(Seibu Giken)和美國(guó)的蒙特公司(Munters)等等。根據(jù)前面介紹的原理，轉(zhuǎn)輪供應(yīng)商一般會(huì)依據(jù)油漆材料里面的組成來(lái)調(diào)整沸石轉(zhuǎn)輪的配方；同時(shí)整個(gè)廢氣處理的過(guò)程必須遵循VOC物料守恒原理和能量守恒原理。下圖4為某清漆噴房廢氣的技術(shù)方案，為了滿(mǎn)足VOC排放控制的法規(guī)，必須確保最終排放的廢氣達(dá)標(biāo)排放，且進(jìn)出口的處理效率不得低于90％。

2.1.2設(shè)備參數(shù)的設(shè)定
(1)進(jìn)風(fēng)的溫濕度：控制進(jìn)氣溫度低于40"C、相對(duì)濕度小于95％以下；當(dāng)廢氣來(lái)自濕式文丘里時(shí)，為了控制濕度可以通過(guò)混合一部分氧化爐出來(lái)的高溫凈化氣體來(lái)降低相對(duì)濕度。
(2)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速和迎面風(fēng)速：一般迎面風(fēng)速不宜超過(guò)2m／s，轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速范圍一般為2-5圈/h；當(dāng)迎面風(fēng)速增大時(shí)，需要適當(dāng)提高轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速，兩者之間的配合最終以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試為準(zhǔn)，主要是控制最終廢氣排放濃度為控制指標(biāo)。
(3)脫附氣體和解析后氣體溫度：正常的脫附氣體溫度控制在220℃范圍左右，當(dāng)超過(guò)這個(gè)溫度時(shí)系統(tǒng)能耗增加的同時(shí)，導(dǎo)致冷卻區(qū)余溫偏高不利于后續(xù)吸附；一般會(huì)根據(jù)轉(zhuǎn)輪壓差大小用300"C的高溫脫附氣體對(duì)殘留在沸石轉(zhuǎn)輪的VOC物質(zhì)定期進(jìn)行反吹洗，以保證沸石轉(zhuǎn)輪處于相對(duì)平衡穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。
(4)沸石轉(zhuǎn)輪壓差控制：我們一般通過(guò)監(jiān)控的壓差情況來(lái)預(yù)防判斷沸石轉(zhuǎn)輪是否處于正常運(yùn)行，但轉(zhuǎn)輪并不是通過(guò)設(shè)計(jì)可靠的隔離結(jié)構(gòu)來(lái)明確區(qū)分三個(gè)分區(qū)，為了防止三個(gè)分區(qū)之間竄流，一般主要時(shí)精確設(shè)計(jì)沸石轉(zhuǎn)輪前后的壓差值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。以下面的示意圖5為例：

從上圖可以看出，當(dāng)P4處于所有風(fēng)管風(fēng)壓最小位置時(shí)，確保了所有廢氣最終都是流向出口段；且解析段進(jìn)出口壓差較脫附段、冷卻段的壓差為最小時(shí)，確保了脫附段和冷卻段溢流處的廢氣都能流進(jìn)解析段出口，從而保證整個(gè)轉(zhuǎn)輪的廢氣密封性。
2.2過(guò)濾單元的選型
常規(guī)干式噴房廢氣過(guò)濾方案為：F7過(guò)濾袋+F9過(guò)濾袋，而濕式文丘里噴房為了攔截逃逸出的漆霧和漆渣，過(guò)濾配置需要加強(qiáng)為：G4無(wú)紡布／F5過(guò)濾袋+F7過(guò)濾袋+F9過(guò)濾袋，但是在長(zhǎng)時(shí)間的高濕度環(huán)境下，通過(guò)靜電吸附方式的F9過(guò)濾袋容易快速失去過(guò)濾攔截功能。而一旦較小粒徑的漆霧顆粒穿過(guò)過(guò)濾袋進(jìn)入沸石轉(zhuǎn)輪，就有可能黏附在沸石內(nèi)部造成沸石轉(zhuǎn)輪堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證出的優(yōu)化方案為：G4／F5自撐開(kāi)過(guò)濾袋+F7過(guò)濾盒+F9過(guò)濾盒，改進(jìn)后的過(guò)濾袋更換周期和轉(zhuǎn)輪前的雜質(zhì)顆粒數(shù)量都得到了明顯改善。下表6為某過(guò)濾單元配置優(yōu)化前后的效果對(duì)比：

從上圖可以看出，改進(jìn)后的過(guò)濾袋更換周期較改進(jìn)前：F5更換周期從0．5月／每次延長(zhǎng)到3月／每次，F(xiàn)7更換周期從1月／每次延長(zhǎng)到4月，每次，F(xiàn)9更換周期從3月／每次延長(zhǎng)到4月／每次；另外通過(guò)手持式顆粒計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，廢氣中雜質(zhì)顆粒從入口的110，000個(gè)／m3過(guò)濾攔截到9500個(gè)／m3，攔截漆霧效果顯著。
2.3供風(fēng)系統(tǒng)的功能介紹
供風(fēng)系統(tǒng)主要有：廢氣主風(fēng)機(jī)，風(fēng)閥及風(fēng)管等組成。
2.3.1廢氣主風(fēng)機(jī)的選型
廢氣主風(fēng)機(jī)主要為廢氣在系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)提供風(fēng)壓，一般選用防爆的不銹鋼防銹離心風(fēng)機(jī)。配備變頻器便于節(jié)能運(yùn)行，并與風(fēng)壓傳感器進(jìn)行連鎖調(diào)節(jié)風(fēng)管內(nèi)風(fēng)平衡；并根據(jù)需要對(duì)風(fēng)機(jī)和電機(jī)配備震動(dòng)和軸溫傳感器監(jiān)測(cè)運(yùn)行噪音和相關(guān)部件工作狀態(tài)，便于日常進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)保養(yǎng)。關(guān)于風(fēng)機(jī)位置的選擇，一般優(yōu)先放置在沸石轉(zhuǎn)輪之后，有利于在沸石轉(zhuǎn)輪之后形成負(fù)壓防止廢氣外溢；而當(dāng)風(fēng)機(jī)位于沸石轉(zhuǎn)輪之前時(shí)，一旦沸石轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)堵塞會(huì)導(dǎo)致含異味外溢到環(huán)境中。優(yōu)化后的布置詳見(jiàn)如下圖7：

2.3.2風(fēng)閥的選型和要求
在廢氣風(fēng)管中，我們會(huì)根據(jù)不同的需要選用不同型號(hào)的風(fēng)閥，具體設(shè)計(jì)范例詳見(jiàn)下表1：

2.4氧化焚燒爐的功能介紹
直燃式氧化爐的組成主要包括：氧化焚燒爐，天然氣模組，廢氣進(jìn)風(fēng)機(jī)和點(diǎn)火控制系統(tǒng)等。從沸石轉(zhuǎn)輪解析出來(lái)的高濃度廢氣首先進(jìn)入直燃式氧化爐被余熱，然后在天然氣的燃燒室內(nèi)被高溫裂解氧化。為了保證充分處理VOC物質(zhì)，廢氣在直燃式氧化爐內(nèi)停留時(shí)間不得低于1s，爐膛內(nèi)焚燒溫度不得低于710度。經(jīng)高溫裂解后的廢氣中CO濃度要求低于50mg／m3，NOx低于100mg／m3。衡量直燃式氧化焚燒爐性能指標(biāo)有：其凈化效率不得低于99％，其熱利用率不得低于75％。
2.5消防安全系統(tǒng)的介紹
經(jīng)過(guò)噴房排放的VOC廢氣屬于易燃易爆類(lèi)物質(zhì)，經(jīng)過(guò)的區(qū)域都屬于防火防爆控制區(qū)域，相關(guān)電氣元件選型需要防爆安全認(rèn)證，并在涉及區(qū)域內(nèi)根據(jù)需要配備必要的消防安全設(shè)施。
2.5.1消防噴淋系統(tǒng)
當(dāng)VOC濃縮焚燒系統(tǒng)布置于車(chē)間外時(shí)，根據(jù)需要在廢氣風(fēng)管和過(guò)濾單元內(nèi)配置消防噴淋設(shè)施，也包括所在的鋼平臺(tái)頂部或者屋頂區(qū)域。
當(dāng)閉式消防噴淋系統(tǒng)處于車(chē)間外部時(shí)，在冬天零度以下環(huán)境中容易發(fā)生噴淋頭被凍壞的情況，為此優(yōu)化使用一種閉式噴淋頭+干式報(bào)警閥相結(jié)合的配置方案，未有火情時(shí)，管道中充滿(mǎn)壓縮空氣，干式報(bào)警閥通過(guò)閉鎖隔瓣及空氣碟的構(gòu)件構(gòu)成了一個(gè)機(jī)械式的密封裝置，將閥體上腔及管道中的壓縮空氣和下腔進(jìn)水完全分開(kāi)，使閥瓣保持在關(guān)閉狀態(tài)。為了防止壓縮空氣泄露引發(fā)誤報(bào)警，往往會(huì)配備一個(gè)儲(chǔ)氣罐。其報(bào)警響應(yīng)示意如下圖8：

2.5.2其他消防設(shè)施
(1)直燃氧化爐一般配備天然氣供應(yīng)模組，并配備可燃?xì)怏w探頭，并與天然氣管道的快速切斷閥實(shí)現(xiàn)信號(hào)連鎖。
(2)針對(duì)電控間的消防，需要配備煙感探頭和一定滅火器設(shè)施，便于火災(zāi)突發(fā)的處置。
(3)廢氣焚燒系統(tǒng)入口廢氣管路安裝LEL濃度監(jiān)測(cè)和報(bào)警連鎖裝置。
(4)含有VOC物質(zhì)的廢氣風(fēng)管在穿越防火分區(qū)的墻面時(shí)，需要配備防火閥以防止火災(zāi)發(fā)生時(shí)險(xiǎn)情的蔓延。
(5)由于VOC處理設(shè)備與噴房生產(chǎn)節(jié)奏保持一致，所以需要將其報(bào)警信號(hào)與噴房相關(guān)設(shè)備控制柜實(shí)現(xiàn)信號(hào)連鎖，并配備聲光報(bào)警裝置和應(yīng)急疏散指示系統(tǒng)便于人員撤離安全。
2.6電氣控制系統(tǒng)的介紹
出于安全設(shè)計(jì)的需要，系統(tǒng)在生產(chǎn)過(guò)程中的開(kāi)關(guān)機(jī)程序過(guò)程中耗時(shí)累計(jì)長(zhǎng)達(dá)4個(gè)小時(shí)以上，一旦出現(xiàn)意外故障，整個(gè)重啟過(guò)程仍然較為繁瑣。所以在電氣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中需要充分考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，冗余能力等等。
(1)為了防止非安全鏈的誤報(bào)警引發(fā)的系統(tǒng)緊急停機(jī)情況發(fā)生，對(duì)各種報(bào)警信號(hào)進(jìn)行分類(lèi)，識(shí)別嚴(yán)重程度，優(yōu)化電氣程序并制定PFMEA設(shè)備跟蹤表。
(2)為了防止電網(wǎng)波動(dòng)引發(fā)的系統(tǒng)緊急停機(jī)情況發(fā)生，對(duì)主要設(shè)備(例如氧化焚燒爐)的低壓控制回路配備電壓暫降補(bǔ)償器，對(duì)于大功率電機(jī)變頻器優(yōu)化選型來(lái)提高抵抗電壓波動(dòng)的能力。
(3)為了防止變頻器因?yàn)橐馔夤收蠈?dǎo)致的長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，通過(guò)優(yōu)化功率規(guī)格，設(shè)置備用變頻器實(shí)現(xiàn)快速切換的策略來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)的應(yīng)急響應(yīng)能力。
(4)為了防止氣動(dòng)風(fēng)閥的提升馬達(dá)卡死失效，外置一套電磁閥用于控制氣源，可以讓系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)功能；在缸體上加一套位置反饋開(kāi)關(guān)，減少因氣壓波動(dòng)造成的閥門(mén)位置丟失故障。
三、總結(jié)
隨著全國(guó)各地環(huán)保政策的趨嚴(yán)，各種廢氣治理設(shè)施的陸續(xù)開(kāi)工和運(yùn)行成為普遍。VOC濃縮焚燒技術(shù)作為汽車(chē)涂裝行業(yè)高效治理廢氣VOC的主流技術(shù)，對(duì)它優(yōu)缺點(diǎn)的掌握將越來(lái)越熟練。同時(shí)作為VOC末端的治理技術(shù)，也有其高能耗運(yùn)行的局限性；作為未來(lái)可持續(xù)發(fā)展的突破方向，需要從排污源頭、排放過(guò)程等多個(gè)角度齊抓共管，協(xié)同發(fā)展，才能為社會(huì)創(chuàng)造更多的價(jià)值。
來(lái)源：北極星VOCs在線(xiàn)