來源:《汽車實(shí)用技術(shù)》 作者:潘辰
摘要：在汽車涂裝生產(chǎn)線中，廢氣主要產(chǎn)生于烘干室、噴漆室及晾干室區(qū)域。汽車涂裝廢氣成分復(fù)雜，種類繁多。目前采用較多的治理技術(shù)主要有：直接燃燒法、催化燃燒法、液體吸附法、活性炭吸附法等。在大量的實(shí)踐應(yīng)用中以上方法均存在處理效果不好、使用安全性不高等問題。近年來，汽車涂裝廢氣開始采用沸石濃縮轉(zhuǎn)輪配合蓄熱式焚燒爐的方法治理。文章主要探討介紹沸石濃縮轉(zhuǎn)輪技術(shù)在汽車涂裝廢氣治理上的應(yīng)用。
前言
VOCs是揮發(fā)性有機(jī)化合物的總稱，主要是指在正常狀態(tài)下蒸氣壓大于0.1mmHg、沸點(diǎn)低于260℃的揮發(fā)性有機(jī)化合物，其廣泛存在于石化、汽車噴涂、印刷等領(lǐng)域，其中化工涂料占絕大部分。VOCs中含有大量致癌物質(zhì)如：甲苯、二甲苯、對-二氯苯、乙苯、苯乙烯、甲醛、乙醛等。VOCs在太陽光和熱的作用下能與大氣中NOx等經(jīng)過復(fù)雜的化學(xué)、光化學(xué)作用，形成光化學(xué)煙霧，是灰霾源的主要來源。
VOCs的控制和治理，將會成為未來環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向，繼PM2.5之后,VOC將成為下一階段大氣污染防治部門強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)。主要有以下措施：
(1)環(huán)保重點(diǎn)城市開展VOCs監(jiān)測，并逐步在全國推廣;
(2)嚴(yán)格控制工業(yè)VOCs排放。重點(diǎn)加強(qiáng)石化行業(yè)生產(chǎn)過程排放控制，推進(jìn)燃料油和有機(jī)溶劑輸配及儲存過程的油氣回收，減少泄露;
(3)鼓勵溶劑和涂料使用類企業(yè)使用水性、低毒或低揮發(fā)性的有機(jī)溶劑;
(4)建設(shè)有機(jī)廢氣回收利用與治理設(shè)施，完善有機(jī)廢氣收集和處理系統(tǒng)。
1汽車涂裝業(yè)VOCs現(xiàn)狀
汽車涂裝是汽車制造過程中“三廢”較多的環(huán)節(jié);涂料中含有VOCs，但不釋放VOC;涂料在涂裝過程中，70%的VOCs將揮發(fā);一條大型的車身涂裝線每年排放的氣體污染物總量可能高達(dá)數(shù)百噸。目前汽車涂裝主要排氣點(diǎn)如下：
(1)噴漆室廢氣
勞動安全衛(wèi)生法規(guī)定，涂裝工廠噴漆室的風(fēng)速度應(yīng)控制在0.25～0.35m/s的范圍，排出廢氣為噴漆揮發(fā)的有機(jī)溶劑，主要成分為甲苯、二甲苯等，還含有少量未處理完全的漆霧，危害物質(zhì)為微量的苯、甲苯和二甲苯。其中二甲苯在廢氣中含量較高，對眼睛及上呼吸道有刺激作用，高濃度時(shí)對中樞神經(jīng)系統(tǒng)有麻醉作用;同時(shí)二甲苯在大氣中主要通過光解進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化速度慢，滯留大氣時(shí)間相對較長，所以涂裝車間通常以二甲苯排放濃度和排放速率作為對環(huán)境影響的主要依據(jù)。
(2)晾干間廢氣
中涂、面漆的濕漆膜在晾干過程中有機(jī)溶劑進(jìn)行揮發(fā)，為防止晾干間的有機(jī)溶劑聚集發(fā)生爆炸事故，晾干間應(yīng)進(jìn)行送排風(fēng)，風(fēng)速一般控制在0.2m/s左右，排風(fēng)廢氣的成份與噴漆室排風(fēng)廢氣的成份相近，但沒有漆霧，有機(jī)廢氣的總濃度比噴漆室廢氣偏大，通常與噴漆室排風(fēng)混合后集中處理。調(diào)漆間、廢水處理間也有類似晾干間的有機(jī)廢氣排放。
(3)烘干室廢氣
電泳涂料與中涂面漆烘干均有廢氣排出，烘干廢氣的成分包含有機(jī)溶劑、樹脂固化、熱分解生成物等成份。電泳烘干廢氣中的總有機(jī)物濃度一般在500～1000mg/m3，中涂面漆烘干廢氣的主要組成為有機(jī)溶劑，烘干廢氣中總有機(jī)物濃度一般在2500mg/m3左右，都超過了CB16297-1996《大氣污染綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的廢氣濃度限值要求，必須處理達(dá)標(biāo)后才能排放。電泳涂料烘干廢氣的有機(jī)物濃度雖然比面漆烘干廢氣低一些，但其惡臭物質(zhì)，如甲乙酮肟的濃度更大，嗅覺更易察覺，更應(yīng)該進(jìn)行處理。
2沸石濃縮轉(zhuǎn)輪處理汽車涂裝VOCs技術(shù)
2.1沸石的概念
沸石是一種多孔性骨架型硅鋁酸鹽，選擇吸附、高效吸附，可作為離子交換劑、吸附分離劑、催化劑;內(nèi)部的孔穴對大小不同的分子可進(jìn)行選擇性吸附，通過改性得到新型的人造沸石，新型復(fù)合材料由于較高的空隙率、好的化學(xué)穩(wěn)定性，可調(diào)的孔結(jié)構(gòu)和高的比表面積(介孔壁上附有微孔)，大為提高了吸附VOC的能力。沸石在介孔孔壁上存在微孔結(jié)構(gòu)，微孔對低濃度甲苯顯示出了良好的吸附性能，這是因?yàn)榉惺目讖礁?，在有序的介孔壁上附有微孔，這些結(jié)構(gòu)上的差異使沸石的傳質(zhì)阻力非常小，從穿透點(diǎn)到吸附飽和之間的時(shí)間要短，吸附速率更快。沸石的比表面積為1126m2/g，平均孔徑更大，介孔壁上附有微孔，因此傳質(zhì)阻力小，吸附有機(jī)物速率更快，微孔和介孔共存的特點(diǎn)，平均孔徑大，對大分子和高濃度的VOCs具有更好的吸附能力。
2.2沸石的制備
將6g三嵌段共聚物P123溶于225mL1.6mol?L-1的鹽酸溶液中,攪拌至溶解，將溶液轉(zhuǎn)入40℃水浴中，600r?min-1下攪拌10min后逐滴加入13.8mL正硅酸乙酯(TEOS)，滴定完成后，繼續(xù)攪拌24h，移入聚四氟乙烯內(nèi)襯的晶化釜，100℃晶化24h后，冷卻、抽濾、洗滌、烘干，以2℃?min-1的速率升至500℃，在該溫度下焙燒5h去除模板劑，得到沸石。結(jié)構(gòu)中含有大約20%的水分，因水分會受熱而失去，溫度降低而再吸收，使得它在水中煮沸時(shí)會冒泡泡，故以希臘語“ZEO”(沸騰)和“l(fā)itos”(石頭)命名稱為Zeolite(沸石)。1立方微米的這種“超級旅館”內(nèi)竟有100萬個“房間”!的這些房間能根據(jù)“旅客”(分子和離子)的性別、高矮、胖瘦、嗜好的不同自動開門或擋駕，絕對不會讓“胖子”到“瘦子”的房間去，也不會使高個子與矮個子同住一室。根據(jù)沸石的這一特性，人們用它來篩選分子，獲得很好的效果。這對在工業(yè)廢液中回收銅、鉛、鎘、鎳、鉬等金屬微粒具有特別重要的意義。
2.3沸石與活性炭吸附的比較
活性炭成本較低，但存在壽命短、不穩(wěn)定、受水氣影響大、難脫附高沸點(diǎn)有機(jī)物、熱氣流再生過程中易發(fā)生火災(zāi)等缺點(diǎn)。
沸石具有均勻微孔，其孔徑與一般有機(jī)分子大小相當(dāng)，具有耐高溫、不可燃、良好的熱穩(wěn)定性和水熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。
2.4沸石吸附的后續(xù)處理
涂裝廢氣采用沸石轉(zhuǎn)輪吸附+蓄熱式燃燒方式，配用蓄熱式焚化爐更高效、節(jié)能。蓄熱式焚化爐(RTO)：廢氣經(jīng)過一級換熱器至460～500℃，如此可減少焚化爐之燃料消耗量，直燃式焚化爐一般操作溫度約為730～760℃，利用高溫將VOC廢氣燃燒反應(yīng)成CO2及H2O轉(zhuǎn)輪為蜂窩狀結(jié)構(gòu)，參見圖2。轉(zhuǎn)輪吸附材料是可以吸附有機(jī)溶劑的疏水性分子篩。
轉(zhuǎn)輪被分為3個區(qū)域即處理區(qū)、冷卻區(qū)和再生區(qū)，轉(zhuǎn)輪在一個電機(jī)帶動下旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度1-6轉(zhuǎn)/小時(shí)。轉(zhuǎn)輪為蜂窩狀結(jié)構(gòu)，參見上圖圖2。轉(zhuǎn)輪吸附材料是可以吸附有機(jī)溶劑的疏水性分子篩。轉(zhuǎn)輪被分為3個區(qū)域即處理區(qū)、冷卻區(qū)和再生區(qū)，轉(zhuǎn)輪在一個電機(jī)帶動下旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度1-6轉(zhuǎn)/小時(shí)。含有機(jī)溶劑的氣體從處理區(qū)流過后變成相對干凈的空氣，其有機(jī)溶劑含量可降至50mg/m3以下，達(dá)到國家環(huán)保排放要求。部分含有機(jī)溶劑的空氣在再生風(fēng)機(jī)的作用下從冷卻區(qū)流過后，被再生加熱器加熱到180℃左右，然后流過轉(zhuǎn)輪的再生區(qū)。當(dāng)再生空氣流過轉(zhuǎn)輪時(shí)，吸附在轉(zhuǎn)輪上的有機(jī)溶劑在高溫作用下被脫附出來，同時(shí)被再生空氣帶走。轉(zhuǎn)輪工作時(shí)，再生空氣與處理空氣的比例在1/3～1/10之間，再生空氣中有機(jī)溶劑的濃度可達(dá)到處理前濃度的10倍。
2.5沸石脫附及換熱
蓄熱式焚化爐對經(jīng)轉(zhuǎn)輪脫附出來的VOCs進(jìn)行高溫732℃裂解，裂解后的成分與O2反應(yīng)，生成二氧化碳和水蒸汽換熱系統(tǒng)：氧化爐出來的氣體與脫附后的氣體進(jìn)行熱交換，以使將進(jìn)入氧化爐的氣體溫度達(dá)到合適溫度，從而減少氧化爐燃燒燃料。將換熱后的熱空氣回收后通入到轉(zhuǎn)輪的脫附區(qū)域，利用疏水型沸石的高溫脫附性能，將吸附在沸石里面的小分子VOCs顆粒與沸石分開，并與熱空氣一起進(jìn)入下一個環(huán)節(jié)的過程。
3設(shè)備參數(shù)對去除效率的影響
(1)廢氣的溫、濕度：控制進(jìn)流溫度低于40℃、相對濕度小于80%以下;
(2)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速：每小時(shí)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速3至4.5圈之間(隨進(jìn)流VOC濃度值略變);
(3)濃縮倍率：增加濃縮倍率將使得系統(tǒng)去除效率隨之降低，但卻可使得后端焚化設(shè)備減少燃料使用;
(4)脫附溫度：足夠之脫附溫度有助于脫附程序之進(jìn)行，但過高之脫附溫度將可能使得轉(zhuǎn)輪基材之余熱無法于冷卻區(qū)有效降溫，以致于吸附區(qū)時(shí)轉(zhuǎn)輪輪體仍處高溫狀態(tài)、不利于吸附程序進(jìn)行。
4沸石濃縮轉(zhuǎn)輪技術(shù)進(jìn)展
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)較完善的有瑞典Munters公司和日本西部技研公司。瑞典Munters產(chǎn)品以某汽車廠涂裝生產(chǎn)線煙氣流量為20000Nm/h3,排煙溫度為200℃的1臺電泳烘干爐為改造案例，在其煙氣排煙管末端改造安裝余熱回收系統(tǒng)，將煙溫降至110℃排放，回收的余熱將70℃的工藝回水加熱至90℃,用于前處理槽液加熱。項(xiàng)目實(shí)施后既能減輕環(huán)境污染，滿足企業(yè)生產(chǎn)工藝要求，又達(dá)到節(jié)約燃料的目標(biāo)。
4.1設(shè)計(jì)方案
該汽車廠涂裝車間一樓設(shè)置有蒸汽站，蒸汽通過板式換熱器加熱熱水，熱水通過循環(huán)水泵送至前處理各槽體對槽液進(jìn)行加熱，換熱后的水再送至板式換熱器與蒸汽進(jìn)行換熱，熱水的送水溫度約為90℃，回水溫度約為70℃。具體工藝流程如圖2所示：
為回收余熱，節(jié)約蒸汽用量，在電泳烘干爐高溫排煙管末端設(shè)置一臺與之匹配的復(fù)合管式余熱回收系統(tǒng)，將烘干爐所排放的高溫?zé)煔饨抵?10℃左右進(jìn)行排放。
在原回水管路上新增循環(huán)水泵，通過水泵將回水送入余熱回收系統(tǒng)內(nèi)，與烘干爐排放的高溫?zé)煔膺M(jìn)行換熱后進(jìn)入原回水管路，通過原循環(huán)泵將加熱后的熱水送至槽體加熱槽液。電泳烘干爐余熱回收系統(tǒng)工藝流程如圖3所示：
4.2設(shè)計(jì)參數(shù)
余熱回收系統(tǒng)的管式換熱器采用復(fù)合管技術(shù)，材質(zhì)全部采用304不銹鋼，換熱形式為氣液換熱。設(shè)計(jì)煙氣阻力200pa左右，煙氣接口尺寸與原烘干爐相一致。余熱回收系統(tǒng)外形尺寸根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行非標(biāo)設(shè)計(jì)。
4.3經(jīng)濟(jì)效益分析
4.3.1回收熱量的計(jì)算
已知煙氣溫度t1=200℃，煙氣流量V=20000Nm3/h，經(jīng)過余熱回收系統(tǒng)后降至t2=110℃，則每小時(shí)回收熱量Q可依據(jù)公式：Q=C.ρ.V.Δt
式中：Q為每小時(shí)回收的熱量，單位kcal/h;
Δt為煙氣溫差，單位℃;
V為煙氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流量，單位為Nm3/h;
C為煙氣定壓比熱容，單位是kcal/kg﹒℃;
Ρ為煙氣密度，單位是kg/Nm3;
計(jì)算得Q≈75萬kcal/h。
4.3.2加熱熱水量
已知熱水進(jìn)水溫度t1=70℃，出水溫度t2=90℃，余熱利用率按85%，則可加熱熱水質(zhì)量：
G=Q.0.85/[C(t2-t1)]
式中：G為熱水量，單位為t/h:
Q為每小時(shí)回收的熱量，單位kcal/h;
C為水的比熱容，單位是kcal/kg﹒℃;
t1和t2為進(jìn)出口水溫
計(jì)算得G≈26t/h
4.4經(jīng)濟(jì)效益分析
余熱回收系統(tǒng)每小時(shí)可回收熱量Q2=Q*85%=75*0.85=63.75萬kcal/h，節(jié)約大量蒸汽，降低生產(chǎn)成本，具體詳見下表所示：
5結(jié)束語
根據(jù)工程實(shí)例表明，安裝煙氣余熱回收系統(tǒng)，可以提高生產(chǎn)線熱效率，降低總體能耗，回收余熱也越大，節(jié)約能源越多。如果在實(shí)際生產(chǎn)中能夠確保余熱利用率，不僅可取得客觀的經(jīng)濟(jì)效益，而且相應(yīng)國家節(jié)能減排政策，為社會環(huán)境保護(hù)做出貢獻(xiàn)。
