汽車涂裝中沸石轉(zhuǎn)輪廢氣處理設(shè)備的設(shè)計(jì)

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(duì)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(tái)對(duì)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(diǎn)關(guān)注的對(duì)象[1]。如何減少生產(chǎn)中廢氣的排放以及對(duì)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(jià)值的特點(diǎn)，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(duì)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(huì)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(diǎn)，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(jí)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(shí)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(diǎn)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(gè)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(shí)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(shí)將廢氣分解時(shí)所釋放出來的熱量存儲(chǔ)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(jì)

2.4.1 除濕裝置

制作沸石轉(zhuǎn)輪時(shí)會(huì)對(duì)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(duì)轉(zhuǎn)輪凈化效率的影響。如圖7a所示，VOC廢氣的相對(duì)濕度超過80%后會(huì)影響到轉(zhuǎn)輪的凈化效率。另外，VOC廢氣的溫度變化也會(huì)對(duì)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(shí)，沸石轉(zhuǎn)輪的凈化效率降至95%左右。所以，設(shè)計(jì)沸石轉(zhuǎn)輪設(shè)備時(shí)需考慮VOC廢氣溫濕度的變化對(duì)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(duì)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(duì)濕度。設(shè)計(jì)時(shí)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(dòng)比例調(diào)節(jié)閥，根據(jù)溫濕度的檢測信號(hào)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(huì)被吸附，但仍有小部分漆霧顆粒會(huì)被廢氣帶走，被帶走的漆霧顆粒如不處理徹底，會(huì)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(jí)設(shè)置見表1。各級(jí)過濾間設(shè)置壓力表，以便通過各級(jí)過濾間壓差更換過濾袋。另外，過濾箱在加工制作時(shí)框架的強(qiáng)度及框架之間的密封也需要考慮，否則在運(yùn)行時(shí)會(huì)因?yàn)轱L(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(jí)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(jì)轉(zhuǎn)輪時(shí)會(huì)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(shí)，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(xiàng)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(jì)原理見圖8。

圖8 沸石轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)時(shí)的相關(guān)計(jì)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(jì)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(jì)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(duì)不同分子量和不同沸點(diǎn)的有機(jī)物時(shí)，沸石的吸附效率會(huì)有差異，所以在選擇轉(zhuǎn)輪尺寸時(shí)需考慮吸附效果最差的VOC分子的吸附效率，以確保整個(gè)廢氣處理設(shè)備對(duì)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(shí)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(shí)，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(shí)系統(tǒng)消耗的能量增加，溫度過低則有脫附不凈的風(fēng)險(xiǎn)。另外，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)輪時(shí)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(yùn)行。

轉(zhuǎn)輪出廠時(shí)通常設(shè)置消防噴淋，在轉(zhuǎn)輪發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)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(xiàng)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(yùn)行綜合能耗。如改建項(xiàng)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(duì)比見表2。

表2 TNV和RTO焚燒裝置優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)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(shí)配備變頻電機(jī)，以便節(jié)約設(shè)備運(yùn)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(dòng)的或電動(dòng)的，氣動(dòng)風(fēng)閥較安全，電動(dòng)風(fēng)閥更靈敏。

風(fēng)管因?yàn)殚L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(diǎn)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(jí)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(yùn)行過程會(huì)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(yùn)行安全性，延長設(shè)備使用壽命，提高運(yùn)行效率，等等。