許艷軍，張敏

（1.華晨新日汽車有限公司工藝部，江蘇 無錫 214104；2.北京北汽越野車研究院有限公司，北京 101300）

隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境問題日益嚴(yán)重，在“十三五”發(fā)展規(guī)劃政策落地以后，國家頒布的新環(huán)保法規(guī)對工業(yè)廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，以減輕大氣污染。新大氣排放標(biāo)準(zhǔn)的出臺對汽車制造業(yè)的影響極大。汽車制造過程中有沖壓、焊接、涂裝和總裝四大生產(chǎn)工藝，涂裝作為廢氣排放大戶，成為汽車制造過程中重點關(guān)注的對象[1]。如何減少生產(chǎn)中廢氣的排放以及對排放的廢氣進(jìn)行有效治理，是涂裝行業(yè)的重要課題。

目前，在工業(yè)上已獲得成功應(yīng)用的有機(jī)廢氣凈化方案有很多，汽車涂裝噴漆廢氣具有風(fēng)量大、VOC(volatile organic compound，即揮發(fā)性有機(jī)物)濃度低、廢氣組分復(fù)雜，且無回收價值的特點，多采用沸石轉(zhuǎn)輪濃縮后高溫燃燒，最終以水和CO2的形式排入大氣，做到潔凈處理[2]。

1 VOC及其危害

GB/T 38597-2020對VOC的定義是：參與大氣光化學(xué)反應(yīng)的有機(jī)化合物，或者根據(jù)有關(guān)規(guī)定確定的有機(jī)化合物。VOC以氣態(tài)形式排放，危害極大。在大氣環(huán)境中，VOC會發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)而破壞大氣中的臭氧層。部分VOC組分帶毒性，且具有脂溶性及滲透性，可通過呼吸以外的其他方式進(jìn)入人體，危害人體健康。另外，VOC也是形成PM2.5的關(guān)鍵前驅(qū)物之一。

2 汽車涂裝VOC治理

2.1 汽車涂裝中產(chǎn)生VOC的工序

汽車涂裝工藝種類較多(如圖1所示)，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生VOC的環(huán)節(jié)比較復(fù)雜，噴漆的所有工序中均有VOC排放[3]。

圖1 幾種常見的汽車噴漆工藝流程示意圖Figure 1 Schematic diagram of several common automobile painting processes

2.2 沸石轉(zhuǎn)輪廢氣處理工藝

汽車噴漆烘干工序產(chǎn)生的廢氣風(fēng)量較小，烘干過程中揮發(fā)的VOC濃度較高，適合采用直接高溫焚燒方式凈化處理。噴漆的其他工序(如噴漆、檢查、流平等)所產(chǎn)生的VOC具有風(fēng)量大、濃度較低的特點，直接焚燒處理的能耗非常高，需要濃縮處理后才能高溫焚燒[4]。沸石轉(zhuǎn)輪是目前已經(jīng)成熟應(yīng)用的濃縮設(shè)備，其詳細(xì)工藝流程如2圖所示。

圖2 沸石轉(zhuǎn)輪設(shè)備的工藝流程Figure 2 Process flow of zeolite rotator

低濃度的VOC噴漆廢氣通過四級過濾后被沸石轉(zhuǎn)輪吸附，經(jīng)轉(zhuǎn)輪吸附后的空氣達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，被直接排入大氣。沸石轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)至脫附區(qū)時經(jīng)高溫空氣反吹令VOC分子脫附，脫附后的氣體中VOC濃度很高，轉(zhuǎn)去焚燒爐高溫焚燒，最后分解成CO2和水后排放。

2.3 沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的主要設(shè)備

沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)主要分為沸石轉(zhuǎn)輪和高溫焚燒設(shè)備兩大塊。

2.3.1 沸石轉(zhuǎn)輪

沸石又稱沸石分子篩，是一種多微孔硅鋁酸鹽(或硅酸鹽)晶體，依靠物理作用(范德華力)把比其孔徑小的VOC分子吸附到孔腔的內(nèi)部。沸石可以根據(jù)VOC分子的大小、極性及VOC分子的飽和程度與沸點的不同，將不同種類的VOC分子分離開來。

轉(zhuǎn)輪是由疏水性沸石吸附介質(zhì)與陶瓷或玻璃纖維加工成波紋狀膜片，再卷制成蜂窩狀的圓筒形框架結(jié)構(gòu)而制成的，其中部安裝有旋轉(zhuǎn)軸承。轉(zhuǎn)輪的機(jī)械結(jié)構(gòu)上裝有由耐VOC腐蝕、耐高溫的材料制成的氣體密封墊。根據(jù)所在區(qū)域的功能，可以將轉(zhuǎn)輪分成不同大小的3個區(qū)域(如圖3所示)：吸附處理區(qū)占比83.3%，再生脫附區(qū)占比8.33%，冷卻區(qū)占比8.33%。通過沸石轉(zhuǎn)輪的吸附濃縮，能夠?qū)U氣中的VOC濃度提高10倍以上，吸附原理見圖4。

圖3 沸石轉(zhuǎn)輪分區(qū)示意圖Figure 3 Schematic diagram showing different zones of a zeolite rotator

圖4 VOC吸附(a)、脫附(b)示意圖Figure 4 Schematic diagrams showing the adsorption (a) and desorption (b) of VOC

2.3.2 高溫焚燒設(shè)備

汽車涂裝噴漆廢氣濃度較低、風(fēng)量大、成分復(fù)雜，不能直接燃燒凈化處理，通常借用輔助燃料(如天然氣)來實現(xiàn)燃燒。目前常用的熱力焚燒爐有RTO(regenerative thermal oxidizer，即蓄熱式氧化焚燒爐)和TNV(德語thermische nachverbrennung的縮寫，即回收式熱力焚燒系統(tǒng))2種。

RTO的構(gòu)造見圖5，其原理是在高溫下將廢氣中的VOC氧化成CO2和H2O，令廢氣得到凈化的同時將廢氣分解時所釋放出來的熱量存儲在陶瓷蓄熱體內(nèi)，可用來預(yù)熱后續(xù)進(jìn)入的有機(jī)廢氣，從而達(dá)到降低燃料消耗的目的。

圖5 旋轉(zhuǎn)RTO結(jié)構(gòu)示意圖Figure 5 Structural sketch of rotary RTO

TNV是利用天然氣或燃油直接燃燒加熱含有機(jī)溶劑的廢氣，在高溫作用下使 VOC氧化分解為 CO2和H2O。這是近年來興起的一種高溫焚燒設(shè)備，新建涂裝生產(chǎn)線大多采用該系統(tǒng)，TNV設(shè)備的構(gòu)造見圖6。

圖6 TNV結(jié)構(gòu)示意圖Figure 6 Structural sketch of TNV

2.4 沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的設(shè)計

2.4.1 除濕裝置

制作沸石轉(zhuǎn)輪時會對沸石分子篩進(jìn)行改性處理，將沸石結(jié)晶分子中的親水基團(tuán)除去，形成疏水性分子篩，從而降低水分子對轉(zhuǎn)輪凈化效率的影響。如圖7a所示，VOC廢氣的相對濕度超過80%后會影響到轉(zhuǎn)輪的凈化效率。另外，VOC廢氣的溫度變化也會對轉(zhuǎn)輪凈化效率帶來影響。如圖7b所示，當(dāng) VOC廢氣溫度超過35 °C時，沸石轉(zhuǎn)輪的凈化效率降至95%左右。所以，設(shè)計沸石轉(zhuǎn)輪設(shè)備時需考慮VOC廢氣溫濕度的變化對轉(zhuǎn)輪凈化效率的影響，以確保廢氣達(dá)標(biāo)排放。

圖7 進(jìn)氣濕度(a)和溫度(b)對沸石轉(zhuǎn)輪凈化效率的影響Figure 7 Effects of humidity (a) and temperature (b) of inlet gas on purification efficiency of zeolite rotator

目前溫濕度調(diào)控常用的方式為升溫除濕，即通過提升VOC廢氣的溫度來調(diào)整VOC廢氣的濕度。升溫則是將RTO焚燒后排放的煙氣送到廢氣混合箱，加熱待處理的廢氣，從而降低廢氣的相對濕度。設(shè)計時系統(tǒng)設(shè)置溫濕度在線檢測裝置且連接至PLC(可編程邏輯控制器)，在RTO排煙出口管路上安裝電動比例調(diào)節(jié)閥，根據(jù)溫濕度的檢測信號與PLC連鎖進(jìn)行比例調(diào)節(jié)，確保溫度和濕度在控制范圍內(nèi)。

2.4.2 過濾系統(tǒng)

汽車噴漆廢氣經(jīng)過文丘里設(shè)備處理后，絕大部分漆霧會被吸附，但仍有小部分漆霧顆粒會被廢氣帶走，被帶走的漆霧顆粒如不處理徹底，會粘附到轉(zhuǎn)輪表面堵塞轉(zhuǎn)輪，影響轉(zhuǎn)輪的吸附效率，令轉(zhuǎn)輪設(shè)備的使用壽命縮短。轉(zhuǎn)輪前的過濾裝置就像一道屏障，保護(hù)轉(zhuǎn)輪不受污染。

目前，轉(zhuǎn)輪過濾箱通常設(shè)置4道過濾，即“G4 + M5 + F7 + F9”，過濾等級設(shè)置見表1。各級過濾間設(shè)置壓力表，以便通過各級過濾間壓差更換過濾袋。另外，過濾箱在加工制作時框架的強(qiáng)度及框架之間的密封也需要考慮，否則在運行時會因為風(fēng)壓變大而導(dǎo)致框架變形，進(jìn)而引起漆霧泄漏，污染轉(zhuǎn)輪。

表1 過濾等級及過濾效率[5]Table 1 Filtration grade and filtration efficiency [5]

2.4.3 沸石轉(zhuǎn)輪

目前，沸石轉(zhuǎn)輪主要靠進(jìn)口。轉(zhuǎn)輪供應(yīng)商在設(shè)計轉(zhuǎn)輪時會根據(jù)油漆材料的組分來調(diào)整沸石轉(zhuǎn)輪的尺寸，以確保最終排放的廢氣達(dá)標(biāo)。選擇轉(zhuǎn)輪時，需考慮轉(zhuǎn)輪迎面風(fēng)速、濃縮比等參數(shù)。以某汽車廠的沸石轉(zhuǎn)輪項目為例，噴漆廢氣產(chǎn)生量Q= 160 000 m3/h，轉(zhuǎn)輪半徑R= 3 m、厚度δ= 0.5 m及吸附區(qū)占轉(zhuǎn)輪截面比其設(shè)計原理見圖8。

圖8 沸石轉(zhuǎn)輪設(shè)計時的相關(guān)計算Figure 8 Calculation for the design of zeolite rotator

為保證凈化效率，通過轉(zhuǎn)輪的迎面風(fēng)速通常不高于2 m/s，即v＜ 2 m/s。

轉(zhuǎn)輪凈化效率η按式(1)[6]計算。

式中ρin是轉(zhuǎn)輪進(jìn)口氣體污染物質(zhì)量濃度(單位：mg/m3)，ρout是轉(zhuǎn)輪出口氣體污染物質(zhì)量濃度(單位：mg/m3)，Qin是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(溫度273.15 K，氣壓101.325 kPa；后同)下轉(zhuǎn)輪進(jìn)口氣體流量(單位：m3/h)，Qout是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下轉(zhuǎn)輪出口氣體流量(單位：m3/h)。

轉(zhuǎn)輪濃縮倍率n按式(2)[6]計算。

式中Qds為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下轉(zhuǎn)輪脫附出口氣體流量(單位：m3/h)。

在面對不同分子量和不同沸點的有機(jī)物時，沸石的吸附效率會有差異，所以在選擇轉(zhuǎn)輪尺寸時需考慮吸附效果最差的VOC分子的吸附效率，以確保整個廢氣處理設(shè)備對所有VOC分子都處理達(dá)標(biāo)。

轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速通常在調(diào)試時不斷優(yōu)化，一般設(shè)定在1 ～ 6 r/h。當(dāng)迎面風(fēng)速增大時，需適當(dāng)提高轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速，最終以廢氣排放濃度達(dá)標(biāo)為目標(biāo)。沸石轉(zhuǎn)輪的脫附溫度一般設(shè)置在220 °C左右，溫度過高時系統(tǒng)消耗的能量增加，溫度過低則有脫附不凈的風(fēng)險。另外，設(shè)計轉(zhuǎn)輪時要設(shè)置壓力表，通過監(jiān)控各區(qū)段的壓差來判斷轉(zhuǎn)輪是否正常運行。

轉(zhuǎn)輪出廠時通常設(shè)置消防噴淋，在轉(zhuǎn)輪發(fā)生火災(zāi)事故時起到消防作用，減輕轉(zhuǎn)輪的損壞。

2.4.4 焚燒裝置

熱力焚燒裝置應(yīng)根據(jù)具體需求來選型。如新建項目，處理廢氣總量小，可選擇TNV，焚燒裝置后設(shè)置預(yù)熱回收設(shè)備，將焚燒后排放的尾氣作為預(yù)熱回收使用，從而降低設(shè)備運行綜合能耗。如改建項目，處理廢氣總量較大，可選擇RTO設(shè)備。目前，RTO和TNV的凈化效率均可達(dá)到99%左右，排放的廢氣滿足環(huán)保要求，其對比見表2。

表2 TNV和RTO焚燒裝置優(yōu)缺點對比Table 2 Comparison of advantages and disadvantages between TNV and RTO incinerators

2.4.5 其他設(shè)備

送排風(fēng)設(shè)備主要有風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥和風(fēng)管。

風(fēng)機(jī)在廢氣系統(tǒng)內(nèi)為廢氣循環(huán)提供風(fēng)壓，一般選用防爆的不銹鋼離心風(fēng)機(jī)，同時配備變頻電機(jī)，以便節(jié)約設(shè)備運行能耗。廢氣主風(fēng)機(jī)設(shè)定的位置通常在轉(zhuǎn)輪之后，可以避免廢氣中的漆霧污染風(fēng)機(jī)，又能使轉(zhuǎn)輪吸附區(qū)形成負(fù)壓，防止廢氣外逸。

風(fēng)閥可根據(jù)需求選擇氣動的或電動的，氣動風(fēng)閥較安全，電動風(fēng)閥更靈敏。

風(fēng)管因為長期暴露在室外且廢氣進(jìn)風(fēng)管濕度較大，更容易發(fā)生腐蝕，所以風(fēng)管板材及骨架使用不銹鋼。廢氣進(jìn)風(fēng)主管道最低點設(shè)置排水管及閥門，用以排出風(fēng)管內(nèi)的廢氣冷凝水。

3 結(jié)語

隨著國家環(huán)保法規(guī)要求的提高，汽車涂裝VOC廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格。在整車廠涂裝車間逐步升級改造的過程中正推廣使用沸石轉(zhuǎn)輪廢氣處理設(shè)備。然而沸石轉(zhuǎn)輪設(shè)備的運行過程會消耗大量天然氣和電能，增加了企業(yè)制造成本。下一步研究的方向是在滿足VOC排放達(dá)標(biāo)的前提下，提高設(shè)備運行安全性，延長設(shè)備使用壽命，提高運行效率，等等。