文章介紹了涂裝噴漆室有機(jī)廢氣VOC的幾種常見治理技術(shù)，對(duì)比了濃縮+焚燒清潔凈化理論的兩種路線，并詳細(xì)介紹了沸石濃縮吸附VOC的機(jī)理，同時(shí)對(duì)后續(xù)兩種常用的有機(jī)廢氣焚燒處理方式進(jìn)行了比較。
1前言
隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步與科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在人們?cè)絹碓疥P(guān)心我們賴以生存的地球。近兩年，汽車整車廠周圍的居民投訴量與日俱增，國(guó)家出臺(tái)了新環(huán)保法、大氣保護(hù)法等，部分地區(qū)地方標(biāo)準(zhǔn)相繼出臺(tái)，環(huán)境保護(hù)已然提升到了國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略層面的新高度。
為支撐國(guó)家重點(diǎn)區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃，我司作為環(huán)保急先鋒，立即著手對(duì)汽車整車涂裝車間有機(jī)廢氣VOC進(jìn)行治理。有機(jī)污染物種類繁多，特性各異，因此相應(yīng)采用的治理方法也各不相同，常用的有：冷凝法、吸收法、燃燒法、催化法、吸附法等。涂裝生產(chǎn)線噴漆室排放氣體主要為烴類、醇類、酯類、丙二醇類、二甲苯等物質(zhì)等。
針對(duì)汽車涂裝噴漆室有機(jī)廢氣污染物物理特性，且具有低濃度、大風(fēng)量、易燃燒的特點(diǎn)，采取先濃縮+焚燒的清潔凈化技術(shù)，將VOC氣體轉(zhuǎn)換為二氧化碳(CO2)和水(H2O)，從而實(shí)實(shí)在在降低VOC排放量，以保護(hù)我們賴以生存的大氣環(huán)保。
2濃縮+焚燒技術(shù)的選擇
根據(jù)濃縮+焚燒技術(shù)清潔凈化理論，目前可供選擇的方式主要有活性碳+催化燃燒法和沸石濃縮轉(zhuǎn)輪+高溫焚燒法兩種。
2.1活性碳吸附+催化燃燒法原理
含有機(jī)物的廢氣經(jīng)風(fēng)機(jī)的作用，經(jīng)過漆霧過濾器再經(jīng)過活性炭吸附層，有機(jī)物質(zhì)被活性炭特有的作用力截留在其內(nèi)部，潔凈氣體排出;經(jīng)過一段時(shí)間后，活性炭達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，停止吸附，此時(shí)有機(jī)物已被濃縮在活性炭?jī)?nèi)。催化凈化裝置內(nèi)設(shè)加熱室，啟動(dòng)加熱裝置，進(jìn)入內(nèi)部循環(huán)，當(dāng)熱氣源達(dá)到有機(jī)物的沸點(diǎn)時(shí)，有機(jī)物從活性炭?jī)?nèi)脫附出來，進(jìn)入催化室進(jìn)行催化分解成CO2和H2O，同時(shí)釋放出能量。
利用釋放出的能量再進(jìn)入吸附床脫附時(shí)，此時(shí)加熱裝置完全停止工作，有機(jī)廢氣在催化燃燒室內(nèi)維持自燃，尾氣再生，循環(huán)進(jìn)行，直至有機(jī)物完全從活性炭?jī)?nèi)部分離，至催化室分解。活性炭得到了再生，有機(jī)物得到催化分解處理,理論設(shè)計(jì)處理效率約為90%。流程圖見圖1。
圖1活性碳吸附+催化燃燒法流程圖
2.2沸石濃縮轉(zhuǎn)輪+焚燒法原理
沸石濃縮轉(zhuǎn)輪+高溫焚燒法采用沸石轉(zhuǎn)輪將大風(fēng)量，低濃度廢氣轉(zhuǎn)化為高濃度低風(fēng)量氣體，從而能選擇較小的焚燒爐對(duì)高濃度有機(jī)廢氣進(jìn)行焚燒。在低溫條件下，有機(jī)廢氣通過沸石轉(zhuǎn)盤，有機(jī)物被吸附在沸石轉(zhuǎn)盤上，分出一部分氣流量(約1/20)進(jìn)入冷卻區(qū)，冷卻區(qū)氣體進(jìn)入換熱器被加溫到180℃到200℃，然后高溫氣體反向回到沸石轉(zhuǎn)盤，將有機(jī)物脫附下來，濃度可做到原來的25倍以上。
在700℃-800℃溫度下，將濃縮后的有機(jī)廢氣裂解為清潔的CO2和H2O，從而到達(dá)無害化排放。廢氣通過提升閥被提升到燃燒室進(jìn)行燃燒，有機(jī)物處理效率99%以上。
圖2沸石濃縮轉(zhuǎn)輪+高溫焚燒法流程圖
2.3兩種方式的比較
涂裝生產(chǎn)線面漆噴漆室排風(fēng)量大、濃度低，場(chǎng)地狹窄，采用吸附法處理存在諸多問題，實(shí)施的可行性極低，以100萬m3/h風(fēng)量為例，主要對(duì)比見表1。
表1兩種方式比較
目前，國(guó)內(nèi)主要是電子、集裝箱、汽配、化工等一些小型高濃度，低風(fēng)量(排風(fēng)量一般在25萬m3以下)，對(duì)噴涂車間噴涂風(fēng)場(chǎng)要求不高，在環(huán)保要求嚴(yán)格的地域采用了“活性碳吸附+催化燃燒法”，該方法適用于低濃度(≤1000mg/m3)且不宜采用直接燃燒或催化燃燒法和回收處理的有機(jī)廢氣。
因汽車整車噴漆室風(fēng)速高精度控制要求(垂直風(fēng)速±0.05m/s)，活性碳占地面積大，吸附效率下降快，解附時(shí)存在相對(duì)較高的安全風(fēng)險(xiǎn)的原因，故選擇沸石濃縮轉(zhuǎn)輪+高溫焚燒法。目前活性碳吸附+催化燃燒法在國(guó)內(nèi)大型汽車整車涂裝生產(chǎn)線無實(shí)際應(yīng)用案例，國(guó)外已基本淘汰。
3沸石濃縮轉(zhuǎn)輪
3.1沸石的吸附機(jī)理
沸石(又稱分子篩)是一種硅鋁酸鹽多微孔的硅酸鹽或硅鋁酸鹽晶體，是由硅氧四面體或鋁氧四面體通過氧橋鍵相連而形成分子尺寸大小(通常為0.3~2nm)的孔道和空腔體系，因吸附分子大小和形狀不同而具有篩分大小不同的流體分子的能力。
圖3沸石合成公式
圖4沸石晶體結(jié)構(gòu)
分子篩對(duì)物質(zhì)的吸附來源于物理吸附(范德華力)，其晶體孔穴內(nèi)部有很強(qiáng)的極性和庫侖場(chǎng)，對(duì)極性分子(如水)和不飽和分子表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸附能力。分子篩具有均勻的微孔結(jié)構(gòu)，它的孔穴直徑大小均勻，這些孔穴能把比其直徑小的分子吸附到孔腔的內(nèi)部，并對(duì)極性分子和不飽和分子具有優(yōu)先吸附能力，因而能把極性程度不同，飽和程度不同，分子大小不同及沸點(diǎn)不同的分子分離開來，即具有“篩分”分子的作用，故稱分子篩。分子篩具有吸附能力高，熱穩(wěn)定性強(qiáng)等其它吸附劑所沒有的優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛的應(yīng)用。
圖5沸石篩選分子示意圖
3.2沸石轉(zhuǎn)輪(VOC濃縮器)工作原理
沸石轉(zhuǎn)輪的目的是為了將VOC氣體從大風(fēng)量濃縮到小風(fēng)量中。在小風(fēng)量中，VOC氣體將更高效地被焚燒爐(TAR/RTO)處理。
吸附的意思是流體分子在被稱作“吸附介質(zhì)”的“活性”物質(zhì)上富集。類似于海綿，吸附介質(zhì)將VOC吸收進(jìn)來，然后通過高溫解吸再將VOC“擠”出去。VOC濃縮器的轉(zhuǎn)輪是由蜂窩狀的陶瓷纖維片為材料組成，而其中又被浸漬了防水的沸石(分子篩)作為吸附介質(zhì)。此濃縮系統(tǒng)是一個(gè)連續(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程，轉(zhuǎn)輪一直在旋轉(zhuǎn)。因此它被分為了三個(gè)區(qū)域：處理區(qū)，解吸區(qū)，冷卻區(qū)，每個(gè)區(qū)域間相互隔離。
含VOC的廢氣在經(jīng)過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)輪處理區(qū)的時(shí)候被收集，當(dāng)氣體過了轉(zhuǎn)輪后，VOC就被轉(zhuǎn)輪上的吸附介質(zhì)吸附了。凈化的氣體被釋放進(jìn)入大氣。在解吸區(qū)域，附著在轉(zhuǎn)輪上的VOC被連續(xù)的高溫及低流量解吸氣體從反方向解吸收。高濃縮的VOC氣體從轉(zhuǎn)盤中脫離并被送到熱氧化系統(tǒng)做最后的VOC凈化。
轉(zhuǎn)輪中熱的解吸區(qū)域接著被轉(zhuǎn)到了冷卻區(qū)域，在這里冷卻氣會(huì)將它冷卻。VOC廢氣一部分通過這塊冷卻區(qū)域，并去到解吸換熱器中換熱。在換熱器中，冷卻氣會(huì)被TAR/RTO等高溫裂解設(shè)備出來的高溫凈化氣體換熱成為高溫的解吸氣體，沸石濃縮轉(zhuǎn)輪分區(qū)見圖6。
圖6沸石濃縮轉(zhuǎn)輪分區(qū)圖
與其它吸附劑介質(zhì)相比，沸石具有很多優(yōu)勢(shì)：可燃性低、由于解吸溫度高，從而使用壽命長(zhǎng)、高沸點(diǎn)化合物累積量減少、以及耐化學(xué)性高。
3.3沸石濃縮轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)
沸石轉(zhuǎn)輪濃縮系統(tǒng)由濕度控制系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)、濃縮器構(gòu)成。
溫濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)進(jìn)入濃縮器廢氣的溫濕度，通常沸石在40℃及相對(duì)濕度75%以下，吸附效果最佳。廢氣過濾系統(tǒng)，過濾噴漆室廢氣中易導(dǎo)致濃縮設(shè)備阻塞和失效的雜質(zhì)、顆粒物;一般情況下，每套過濾系統(tǒng)分四級(jí)過濾，安裝在每套溫濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，最后一級(jí)過濾選用F9級(jí)，保證沸石轉(zhuǎn)輪的最佳使用壽命。
沸石濃縮轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)，濃縮有低濃度機(jī)廢氣中的有機(jī)物(VOC)，并將大風(fēng)量變?yōu)樾★L(fēng)量，將VOC濃縮廢氣送入RTO或TAR進(jìn)行清潔凈化處理，根據(jù)我司涂裝噴漆室的工藝、涂料特點(diǎn)，VOC爆炸濃度極限約為12g/m3(設(shè)計(jì)值必須小于極限值的25%)，通常我們會(huì)將濃縮器的濃縮比設(shè)計(jì)為25:1，VOC去除效率可達(dá)90%以上。利用VOC具有可燃性，在保證安全的前提下，做到最大的濃縮比，以節(jié)約天然氣的耗量。
經(jīng)沸石濃縮轉(zhuǎn)輪凈化后的氣體中VOC的濃度含量達(dá)到20mg/m3以下，與歐洲標(biāo)準(zhǔn)基本持平。
圖7沸石濃縮轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
3.4廢氣焚燒處理系統(tǒng)
表2廢氣焚燒處理方式比較
根據(jù)我司多年TAR與RTO的使用經(jīng)驗(yàn)，TAR具有環(huán)保與供能兩個(gè)功能有效的結(jié)合，設(shè)備維護(hù)成本低，系統(tǒng)占地小，利于設(shè)備布置，通過加裝余熱回收裝置，系統(tǒng)排煙溫度可以做到110℃，節(jié)能水平與RTO相當(dāng)。從目前的綠色經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、節(jié)能的方面看，TAR這種廢氣處理與熱能回收方式的優(yōu)點(diǎn)已被我司所接受。TAR與RTO的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表2。
3.5廢氣處理系統(tǒng)
TAR設(shè)備的用途是將從KPR濃縮器出來的VOC脫附氣體進(jìn)行氧化處理。在進(jìn)入TAR燃燒腔前，廢氣會(huì)先被TAR內(nèi)的換熱器預(yù)熱。在燃燒腔中，燃燒器會(huì)提供熱量來保證VOC有效氧化需要的熱量。VOC的氧化是通過天然氣燃燒器加熱氣流，使之達(dá)到760℃并保持這一溫度至少1秒而實(shí)現(xiàn)將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為無害的CO2和H2O向大氣排放。在通過燃燒腔后，凈化的氣體通過換熱器的管道將其部分的熱量傳遞給進(jìn)來的廢氣。這臺(tái)換熱器就在TAR出口。從燃燒腔出來的熱的凈化氣體通過換熱器將“冷”的解吸氣體加熱，然后去濃縮器進(jìn)行解吸。
4結(jié)語
環(huán)保已成為我國(guó)現(xiàn)階段汽車涂裝工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，也必將為我們帶來巨大的社會(huì)效益。目前我司選擇的沸石濃縮轉(zhuǎn)輪+焚燒方式是世界一流的涂裝噴漆室廢氣處理工藝，具有安全、高效、高熱能利用率，廢氣排放可以滿足最為苛刻的歐洲環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。
