汽車(chē)涂裝線VOCs濃縮轉(zhuǎn)輪的脫附工藝選擇及運(yùn)營(yíng)成本分析

2012年，國(guó)家發(fā)布了《重點(diǎn)區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》，傳統(tǒng)的噴漆室排風(fēng)利用煙囪進(jìn)行高空排放已不能滿足環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。十三五期間，國(guó)家對(duì)大氣污染治理力度日益加大，國(guó)家、地方政府相繼發(fā)布多項(xiàng)環(huán)保法規(guī)，鼓勵(lì)、推薦企業(yè)采用合適的廢氣治理技術(shù)。本文結(jié)合某公司駕駛室和底盤(pán)噴漆兩條不同涂裝線選擇的VOC治理工藝，以及不同治理工藝對(duì)應(yīng)的運(yùn)營(yíng)成本，綜合對(duì)比分析，可以指導(dǎo)不同的汽車(chē)涂裝線對(duì)VOC治理工藝進(jìn)行選擇。
一、VOC來(lái)源分類(lèi)
以某公司涂裝線為例，按照VOC濃度、廢氣風(fēng)量、噴房形式等不同，采取不同的組合治理工藝。廢氣按照涂料種類(lèi)分為溶劑型高固廢氣和水性涂料廢氣；按照廢氣來(lái)源分為烘房廢氣和噴房廢氣；按照噴房類(lèi)型分為干式噴房廢氣和濕式噴房廢氣。不同的廢氣中VOC初始濃度不同，以雙班250d標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)能10萬(wàn)臺(tái)的噴漆線為例，廢氣中VOC初始濃度見(jiàn)表1。

由表1看出，不同來(lái)源產(chǎn)生的VOC初始濃度不同，采取的治理措施也不同。目前行業(yè)對(duì)于修補(bǔ)漆及輸調(diào)漆過(guò)程中產(chǎn)生的VOC濃度較低廢氣，一般直接采用活性炭吸附后排放；對(duì)于烘房產(chǎn)生的VOC，因溫度較高，不適合直接進(jìn)入沸石轉(zhuǎn)輪，采用回收式熱力焚燒系統(tǒng)（TNV）或蓄熱式氧化爐（RTO）高溫裂解后排放；噴房廢氣，VOC濃度較低，一般采用沸石轉(zhuǎn)輪進(jìn)行濃縮凈化，潔凈氣體達(dá)標(biāo)后排放，而轉(zhuǎn)輪濃縮廢氣進(jìn)入RTO或者TNV進(jìn)行820~860℃高溫裂解后排放。
上述三類(lèi)廢氣，補(bǔ)漆房和烘房廢氣處理工藝目前行業(yè)基本一致，本文不再詳細(xì)展開(kāi)分析。本文將針對(duì)噴房廢氣的處理工藝進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)合噴房形式綜合對(duì)比設(shè)備投資、運(yùn)營(yíng)成本等因素，確定最優(yōu)的處理工藝。
二、典型的VOC治理工藝
噴房按形式分為干式噴房和濕式噴房，干式噴房產(chǎn)生的VOC有機(jī)廢氣不需要除濕可以直接進(jìn)入沸石轉(zhuǎn)輪進(jìn)行濃縮，濕式噴房產(chǎn)生的VOC有機(jī)廢氣需要先進(jìn)行除濕，相對(duì)濕度降低至60%~80%，才能進(jìn)入廢氣轉(zhuǎn)輪。
涂料按類(lèi)型分為水性涂料和溶劑型涂料，其中水性涂料使用的噴房設(shè)有閃干室，閃干室廢氣也需要處理，可以直接進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，或者直接進(jìn)入RTO裂解，具體處理方式需要根據(jù)轉(zhuǎn)輪進(jìn)風(fēng)溫度要求進(jìn)行確定。
沸石轉(zhuǎn)輪脫附方案分為冷卻風(fēng)脫附和新風(fēng)脫附，根據(jù)廢氣是否需要除濕確定脫附風(fēng)的方式。
以某公司一條雙班250d標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)能10萬(wàn)臺(tái)的駕駛室噴漆線為例，采用水性涂料、機(jī)器人噴涂、干式噴房、循環(huán)風(fēng)，噴漆廢氣來(lái)源有色漆噴房、清漆噴房、閃干室，生產(chǎn)線參數(shù)見(jiàn)表2和表3。

從表3看出，噴房與閃干室混合廢氣輸入轉(zhuǎn)輪前的初始VOC濃度為430mg/m³，但轉(zhuǎn)輪對(duì)于進(jìn)入的廢氣有溫度要求，一般要求溫度≤40℃，溫度過(guò)高會(huì)影響轉(zhuǎn)輪的吸附效率。因此需要核算混合廢氣的溫濕度，以便確定閃干室廢氣的去向。
2.1閃干室廢氣去向
需要核算閃干室與噴房廢氣混合后的溫度能否滿足轉(zhuǎn)輪入口溫度要求。仍以該公司駕駛室線為例，閃干室廢氣溫度為80℃，與色漆、清漆噴房廢氣混合后溫度見(jiàn)表4。

從表4看出，噴房和閃干室廢氣混合后的溫度是34℃，滿足轉(zhuǎn)輪進(jìn)口溫度要求，可以混合入轉(zhuǎn)輪。
2.2轉(zhuǎn)輪脫附風(fēng)的選擇
轉(zhuǎn)輪脫附風(fēng)有兩種來(lái)源，一是新風(fēng)，二是冷卻風(fēng)。根據(jù)噴房形式不同，結(jié)合運(yùn)營(yíng)成本進(jìn)行核算。
2.2.1干式噴房脫附風(fēng)選擇
對(duì)于干式噴房，廢氣進(jìn)轉(zhuǎn)輪前不需要除濕，可以采用部分轉(zhuǎn)輪入口的初始廢氣用于對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行冷卻，冷卻后再經(jīng)換熱器換熱，達(dá)到脫附溫度后對(duì)轉(zhuǎn)輪濃縮的廢氣進(jìn)行脫附。即干式噴房轉(zhuǎn)輪脫附風(fēng)采用轉(zhuǎn)輪冷卻風(fēng)。
2.2.2濕式噴房脫附風(fēng)選擇
對(duì)于濕式噴房，因廢氣進(jìn)入轉(zhuǎn)輪前經(jīng)過(guò)文丘里等漆霧捕集設(shè)備，濕度基本達(dá)到90%以上，超過(guò)轉(zhuǎn)輪入口濕度要求，必須進(jìn)行除濕。以該公司底盤(pán)噴漆線濕式噴房為例，冷卻風(fēng)對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行冷卻后，又回到了轉(zhuǎn)輪入口前端的混風(fēng)箱，利用其冷卻后的溫度，與初始廢氣進(jìn)行混合，進(jìn)行除濕。
轉(zhuǎn)輪冷卻風(fēng)回到前段混風(fēng)箱進(jìn)行除濕，轉(zhuǎn)輪脫附風(fēng)采用新風(fēng)。經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)輪的風(fēng)分為兩路，第一路為潔凈風(fēng)直接排放，第二路為冷卻風(fēng)回到轉(zhuǎn)輪前端混風(fēng)箱除濕，再與廢氣混合后重新進(jìn)入轉(zhuǎn)輪。脫附風(fēng)則采用系統(tǒng)外新風(fēng)，配獨(dú)立新風(fēng)風(fēng)機(jī)。新風(fēng)首先與RTO排放煙氣進(jìn)行預(yù)換熱，再經(jīng)過(guò)直燃爐直接加熱至脫附溫度180~220℃，然后進(jìn)入轉(zhuǎn)輪進(jìn)行脫附。
2.2.3兩種脫附風(fēng)方案對(duì)比
（1）運(yùn)行能耗對(duì)比。
不論是冷卻風(fēng)脫附還是新風(fēng)脫附，都需要將冷卻風(fēng)或者新風(fēng)升溫至轉(zhuǎn)輪需要的脫附溫度，這個(gè)升溫過(guò)程需要消耗天然氣，下面就兩種方案升溫需要的天然氣量進(jìn)行對(duì)比，以10000m³/h風(fēng)量為基準(zhǔn)，分析能耗情況。
空氣升溫消耗熱量按式（1）計(jì)算。
Q=C×Vk×Δt        式（1）
其中，Q—單位時(shí)間消耗熱量，kJ/h；C—空氣比熱容，0~200℃時(shí)，C≈1.30kJ•m-3•℃-1；Vk—風(fēng)量，m3/h；Δt—溫差，℃。
空氣升溫消耗熱量折合天然氣量按式（2）計(jì)算。
Vg=Q/qg式（2）
其中，Vg—天然氣耗量，m³；qg—天然氣低位發(fā)熱量，國(guó)內(nèi)天然氣因成分不同，而熱值不同，為33494~40193kJ/m³，此處以青島天然氣低位熱值36739kJ/m³計(jì)算。
對(duì)于干式噴房，采用冷卻風(fēng)脫附，不同品牌的轉(zhuǎn)輪脫附風(fēng)溫度不同，西部技研轉(zhuǎn)輪冷卻風(fēng)出口溫度為140℃，蒙特轉(zhuǎn)輪脫附風(fēng)出口溫度為80℃，對(duì)冷卻風(fēng)進(jìn)行升溫至轉(zhuǎn)輪脫附需要的溫度，西部技研轉(zhuǎn)輪脫附溫度為220℃，蒙特轉(zhuǎn)輪為180℃，升溫溫差為80~100℃，取100℃溫差。按式（1）和（2）計(jì)算，需要消耗天然氣35m³/h。
對(duì)于濕式噴房，采用新風(fēng)脫附，新風(fēng)平均溫度20℃，首先與RTO排煙（100~120℃）進(jìn)行換熱，換熱后溫度約為70℃，升溫至180~220℃，溫差為110~150℃，取最大溫差150℃。按式（1）和（2）計(jì)算，需要消耗天然氣53m³/h。
兩種脫附風(fēng)方案，天然氣耗量相差18m³/h，按照天然氣單價(jià)3.5元/m3，每年運(yùn)行4000h（250d，16h/d）計(jì)算，年運(yùn)行費(fèi)用相差25萬(wàn)元/a。運(yùn)行能耗對(duì)比結(jié)論：每10000m³/h的濃縮廢氣，新風(fēng)脫附方案比冷卻風(fēng)脫附方案每年多花費(fèi)運(yùn)行能耗25萬(wàn)元，即冷卻風(fēng)脫附方案運(yùn)行成本更經(jīng)濟(jì)。
（2）轉(zhuǎn)輪更換成本對(duì)比。
采用冷卻風(fēng)脫附方案，因冷卻風(fēng)實(shí)際是初始的廢氣，含有未處理的VOC，對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行脫附時(shí)，廢氣中的VOC直接接觸轉(zhuǎn)輪，其中大相對(duì)分子質(zhì)量的物質(zhì)容易堵塞轉(zhuǎn)輪，降低轉(zhuǎn)輪壽命。采用新風(fēng)脫附方案，脫附風(fēng)是潔凈的新鮮空氣，對(duì)轉(zhuǎn)輪不會(huì)造成影響，可以延長(zhǎng)轉(zhuǎn)輪的使用壽命。根據(jù)該公司的實(shí)際使用情況對(duì)比，采用新風(fēng)脫附方案，轉(zhuǎn)輪可延長(zhǎng)3a使用壽命，由原4a延長(zhǎng)為7a，單個(gè)轉(zhuǎn)輪采購(gòu)安裝費(fèi)用約130萬(wàn)元，折合節(jié)省14萬(wàn)元/a，即新風(fēng)脫附方案轉(zhuǎn)輪運(yùn)行維護(hù)成本更低。
（3）系統(tǒng)安全運(yùn)行對(duì)比。
若采用冷卻風(fēng)脫附方案，脫附風(fēng)是含有VOC的初始廢氣，需經(jīng)過(guò)高溫?fù)Q熱器進(jìn)行換熱；因長(zhǎng)期使用，VOC堆積在高溫?fù)Q熱器管壁外側(cè)，而前端的漆霧捕集設(shè)施捕集效率很難達(dá)到100%，必然會(huì)有細(xì)小的漆霧累積在換熱器管壁上；換熱器管直接與860℃的RTO爐膛相連接，當(dāng)沒(méi)有有效的措施進(jìn)行清理和保潔時(shí)，若爐膛超溫或者換熱器管壁出現(xiàn)裂紋，則會(huì)有安全隱患。
而采用新風(fēng)脫附方案，則無(wú)安全隱患。即新風(fēng)脫附方案運(yùn)行更安全。
三、VOC治理工藝選擇
目前，行業(yè)VOC治理工藝規(guī)劃過(guò)程，主要有兩處不同，一是閃干室廢氣直接進(jìn)入轉(zhuǎn)輪還是進(jìn)入RTO，主要取決于混合風(fēng)的溫度；二是脫附風(fēng)采用冷卻風(fēng)還是新風(fēng)，這取決于運(yùn)營(yíng)成本和安全等因素。
綜合上述對(duì)比分析，考慮運(yùn)營(yíng)能耗、設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用、安全運(yùn)行等因素，企業(yè)在選擇工藝方案時(shí)，需要綜合對(duì)比選擇。以單個(gè)轉(zhuǎn)輪為例進(jìn)行能耗和維護(hù)成本的綜合對(duì)比，能耗對(duì)比見(jiàn)表5，設(shè)備維護(hù)費(fèi)用對(duì)比見(jiàn)表6。

從表5和表6可以看出，從運(yùn)行成本上對(duì)比，每10000m³/h風(fēng)量，冷卻風(fēng)脫附方案較新風(fēng)脫附方案節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本11萬(wàn)元/a，即冷卻風(fēng)脫附方案更節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本。而從系統(tǒng)安全性上看，新風(fēng)脫附方案沒(méi)有安全隱患。
四、總結(jié)
綜上，VOC治理工藝路徑規(guī)劃，主要考慮以下兩點(diǎn)：
一是閃干室廢氣的路徑規(guī)劃。閃干室廢氣量一般較大，在20000m³/h以上，直接進(jìn)入RTO會(huì)增加設(shè)備投資和運(yùn)行成本。若閃干室與噴房混合廢氣的溫度能滿足轉(zhuǎn)輪進(jìn)口溫度要求，則閃干室廢氣首選方案是直接與噴房廢氣混合，進(jìn)入轉(zhuǎn)輪進(jìn)行凈化濃縮。
二是轉(zhuǎn)輪脫附方案規(guī)劃。如果采用干式噴房，不需要除濕，則采用冷卻風(fēng)脫附成本更低；如果采用濕式噴房，需要進(jìn)行除濕，綜合考慮運(yùn)營(yíng)成本和安全性，采用新風(fēng)脫附，運(yùn)營(yíng)更安全。二者運(yùn)營(yíng)成本相差約11萬(wàn)元/a，采用冷卻風(fēng)脫附工藝更節(jié)省。
企業(yè)在選擇VOC處理工藝時(shí)，可從企業(yè)自身關(guān)注點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)生產(chǎn)線實(shí)際情況，綜合考慮初始廢氣VOC濃度、漆霧捕集設(shè)備的捕集效率、設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)成本、安全隱患等因素，選擇合理的工藝方案。
來(lái)源：環(huán)保技術(shù)