汽車噴漆廢氣VOCs處理技術應用進展

李 蓉

(廈門金龍聯合汽車工業有限公司，福建 廈門 361000)

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汽車噴漆廢氣VOCs處理技術應用進展

李 蓉

(廈門金龍聯合汽車工業有限公司，福建 廈門 361000)

簡述了汽車噴漆廢氣VOCs處理的幾種處理技術，以及其發展歷程、適用范圍、各自的特點及應用前景等。指出了因汽車行業的噴漆廢氣的典型特點是風量大、濃度偏低，“沸石濃縮轉輪吸附/脫附+催化燃燒”適用于小轎車噴漆廢氣VOCs處理；“活性炭吸附/脫附+溶劑回收”適用于廂式貨運車噴漆廢氣處理；生物降解處理技術更適用于客車噴漆廢氣處理，因客車的生產工藝有別于轎車和廂式貨運等車型，客車噴漆的廢氣量更大、濃度更低，使用其它處理方式的建造成本、運行成本都將極高，且占地面積很大。

VOCs； 沸石濃縮轉輪； 催化燃燒； 溶劑回收； 生物降解

1 引言

“十二五”時期，我國工業化和城市化仍在快速發展，資源能源消耗持續增長，大氣環境面臨前所未有的壓力，環境形勢十分嚴峻。汽車涂裝行業有機廢氣排放具有工序多、成分復雜、大風量濃度低、漆霧多等特點，給廢氣處理工程帶來了挑戰[1]。

2 有機廢氣處理技術簡介

VOCs處理技術大體可分為回收和消除技術兩大類。回收技術主要包括吸附法、吸收法、冷凝法和膜分離法等物理方法，消除技術主要包括燃燒法、生物法、低溫等離子體法和催化氧化法等生物、化學方法[2]。根據VOCs處理技術應用狀況的分析可知，工業VOCs氣體特性對處理技術選擇有重要影響。其中，VOCs濃度可作為技術初步篩選的一個重要影響因素。根據研究調查統計結果，對于高濃度(TVOC>10000 mg/m3)有回收價值氣體，可考慮采用冷凝技術進行處理(VOCs 的沸點越高越適宜)，對于TVOC濃度2000～10000 mg/m3的有回收價值氣體，可考慮采用吸附技術處理。對于高濃度氣體，當流量不大且溫度不高時還可以考慮采用膜分離技術進行回收處理。對于TVOC 濃度大于2000 mg/m3并沒有回收價值的氣體，可以采用催化燃燒、熱力燃燒等技術進行處理[3]。VOCs成分復雜，濃度、流量等因素不同，每種VOCs處理技術都有其自身的優勢和使用限制，如何選擇合適的技術是VOCs處理工作者必須面對的問題[4]。

3 汽車涂裝VOCs廢氣的主要成分、特點及技術方案比選

傳統溶劑型的汽車涂裝過程中，產生的VOCs主要有甲苯、二甲苯、芳香烴、酯、醇、醚、酮等，主要來源是噴漆、流平和烘干等過程[1]，其中約 15% 的VOCs在噴漆和流平過程中揮發，約 85% 的VOCs在烘干過程中揮發。

烘干室廢氣的VOCs濃度高、排氣量相對較小，且烘干室需要大量熱源，所以烘干室產生的有機廢氣一般采用直接燃燒法進行處理，燃燒溫度為 800～850 ℃，以天然氣作為輔助燃料，二甲苯、甲苯等有機物凈化效率大于 90% 。經檢測，燃燒處理后的烘干有機廢氣二甲苯濃度在1.5 mg/m3左右，苯的濃度在0.3 mg/m3左右，甲苯未檢出，非甲烷總烴的濃度在1.85～2.32 mg/m3之間。

與烘干室不同，噴漆室VOCs的濃度低、風量大，且廢氣中夾雜著大量漆霧，處理噴漆室的有機廢氣較為復雜，通常要用幾種方式的組合才能達成目標。現介紹幾種汽車噴漆行業常用的處理方式。

3.1 預處理+沸石濃縮轉輪吸附/脫附+催化燃燒

噴漆房排放出來有機廢空氣先后經過預處理，濾去廢空氣中粉塵及漆霧小液滴。

沸石濃縮轉輪由若干塊單元拼合而成，單元塊的加工，先由基材卷制后燒制成陶瓷基體，再將基體放入沸石的合成混合物中，控制溶液的濃度和放置時間，基體表面上就會形成一定厚度的疏水性分子篩膜，分子篩膜是吸附有機廢氣的關鍵部分。

陶瓷基體上的沸石分子篩膜，具有均勻微小的孔道和較大的比表面積和吸附容量，同時具有良好的疏水性和再生能力。當有機廢氣從陶瓷孔穿過時，在濃度梯度的作用下，有機氣體分子附著在沸石分子篩膜表面并逐漸向內部擴散，與膜內孔壁充分接觸，在分子間的范德華力和靜電吸引力作用下，膜內有機氣體分子達到一定數量，內外濃度及蒸汽壓力開始保持一定的平衡，即達到吸附飽和。當有機氣體吸附飽和后，用熱空氣對陶瓷孔進行吹掃，高溫破壞了有機氣體分子與沸石分子之間范德華力和靜電吸引力，有機氣體分子從沸石分子篩膜內微孔道內釋放出來，被熱空氣帶走，從而完成脫附。

旋轉的濃縮轉輪，使以上的吸附、飽和、脫附過程得以連續循環地進行，在實際應用上實現了連續從有機廢氣中分離出有機氣體，達到凈化空氣的目的。

其工作過程如圖1所示，轉輪以一定的速度勻速順時針轉動，有機廢氣穿過吸附區，去除了有機氣體的潔凈空氣直接排放到大氣；轉輪旋轉到脫附區時，熱空氣將吸附在轉輪內的濃縮有機氣體帶走，送到焚燒爐進行焚燒，之后經換熱器換熱后排放到大氣；當轉輪旋轉到冷卻區時，被有機廢氣的小量分支冷卻，轉輪冷卻后繼續進行吸附；冷卻完轉輪的廢氣送去換熱器進行加熱，加熱后送到脫附區用來進行脫附。如此過程，周而復始。

圖1 沸石濃縮轉輪吸附/脫附示意

蓄熱式熱力焚燒系統主要由燃燒機組、爐膛、蓄熱室(兩室或三室)、流向轉換閥門和控制系統等組成。蓄熱室內的蓄熱陶瓷有很強的蓄熱能力，先將流經的高溫煙氣中大部分熱量儲存在里面，再把熱量傳遞給流經的有機廢氣，廢氣可以被加熱到接近裂解的溫度，燃燒機組只需要很少的燃料就可以維持系統的運行。在轉換閥門的控制下，煙氣和廢氣交替經過每個蓄熱室，實現蓄熱、放熱的循環過程。其突出特點是燃料消耗少，處理溫度高，排煙溫度低。

近年來，國內“沸石濃縮轉輪吸附+催化燃燒”工藝發展迅速，目前許多知名汽車企業有選用此套工藝處理VOCs廢氣，如：一汽解放、一汽大眾、天津華泰、重慶力帆、長安福特、長安汽車、長城汽車等，都采用此工藝。

3.2 預處理+活性炭吸附+催化燃燒

噴漆房排放出來有機廢空氣先后經過二級或三級預處理，濾去廢空氣中粉塵及漆霧小液滴。

本法是應用新型活性炭吸附濃縮低濃度的有機廢氣，吸附接近飽和后引入熱空氣加熱活性炭，使有機廢氣脫附出來進入催化燃燒床進行燃燒凈化處理，熱氣體在系統中循環使用或增設二級換熱器進行熱能回收。該法將低濃度的有機廢氣通過活性炭將其濃縮成高濃度的有機廢氣再通過催化燃燒徹底凈化。該法結合了吸附法和催化燃燒法的優點，克服了單獨使用的缺點，解決了治理低濃度、大風量有機廢氣的難題，是目前國內治理有機廢氣的成熟、實用方法之一。其大致的工藝流程如圖2。

此工藝目前已較為成熟且有廣泛推廣，已用于電子、化工、制藥、鞋業和涂裝等各行各業的有機廢氣治理。相關噴漆行業的應用案例有比亞迪、太平貨柜、新華昌、中集等大型企業均有采用此法處理有機廢氣。

圖2 “活性炭吸附/脫附+催化燃燒”工藝流程

3.3 預處理+活性炭吸附/脫附+溶劑回收

噴漆房排放出來有機廢空氣先后經過過濾器預處理，濾去廢空氣中粉塵及漆霧小液滴，再由經過漆霧分離器里的水洗后由高壓離心風機抽送進入裝有活性炭的吸附槽內。有機廢氣在通過活性炭層時，被活性炭吸附在孔隙中，空氣則透過炭層。達到排放要求的尾氣由吸附槽頂部排放口排至大氣。吸附槽吸附一定時間，當吸附槽頂部即將穿透時，通入蒸汽加熱氣體溶劑，使活性炭得到再生。從活性炭表面脫附下來的有機溶劑和水蒸汽進入冷凝器冷凝成液體后，混合液體進入油水分離槽自動分離，分離出來的溶劑液進入儲槽，廢水直接排到廢水處理場。大致的流程如圖3所示。

圖3 “活性炭吸附/脫附+溶劑回收”工藝流程

此法目前普遍用于集裝箱及廂式貨運車噴漆廢氣處理，如中集、新華昌、太平貨柜等大型企業有采用此法，每年可能回收再利用廢氣中90%左右的有機物，可產生巨大的環境和經濟效益。

3.4 生物降解處理法

生物降解處理有機廢氣的原理主要是利用微生物的代謝活動將VOCs氣體轉化為CO2、H2O以及細胞組成物的過程，處理工藝主要包括生物過濾池、生物洗滌器、生物滴濾塔以及膜生物反應器[5]。生物降解技術最早出現在美國的研究報道中，至20世紀70年代逐漸在西方各國興起，而我國相關研究起步較晚。據統計，歐洲21世紀初已有7500多套生物降解處理VOCs裝置投入運行[6]。

由于生物降解處理技術在常溫、常壓下進行，操作條件要求低，能耗、投資和操作費用相對較少，而且無二次污染，因此，該技術在各種環保凈化方法中具有較廣泛的應用前景。對于VOCs濃度低、風量大的廢氣，生物法具有設備簡單、成本低廉、效果好、操作簡便等優點被廣泛關注[7]。但生物降解技術也存在一定的局限性，其生物降解速率有限，廢氣中有機物需能溶于水，對具有生物毒性的物質處理效果較差。汽車涂裝的VOCs氣體的主要成分是苯系污染物，屬難溶或不溶于水的，也可稱之為疏水性VOCs。

針對疏水性的VOCs氣體，國內外開展了廣泛的研究，科學家們大量的實驗數據也表明，添加表面活性劑是提高處理效率的方法之一。研究表明：甲苯在表面活性劑濃度小于臨界膠束濃度的溶液中增溶明顯[8]。王寶慶在用生物過濾法凈化乙苯過程中添加的表面活性劑為0.3 mol/L的十六酸鉀，可使凈化效率提高25.86%[9]。添加表面活性劑促進疏水性有機物增溶和降解，將給工業推廣生物降解處理疏水性有機廢氣帶來極大的機遇和發展空間。

4 結論

四種有機廢氣處理的工藝各有優勢和適用范圍(表1)。目前轎車大部分已采用水性漆，水性漆中有機揮發物的成分比傳統的油性漆已大大降低，廢氣中VOCs的濃度低，“沸石濃縮轉輪吸附+催化燃燒”是近年來國外引進的新技術，主要用于處理廢氣量大、濃度較低的有機廢氣，因此目前普遍應用于轎車類的噴漆廢氣處理，不過其一次性投入成本較高；“活性炭吸附/脫附+催化燃燒”工藝較為成熟，目前在國內使用較為廣泛，但其較為適用于處理濃度中、高的有機廢氣，且活性炭和天然氣消耗量大，汽車涂裝行業的廢氣特點是風量大、濃度較為偏低，若使用“活性炭吸附+催化燃燒”工藝需要耗費大量的電力及天然氣，一方面設備的占地面積大，另一方面運行成本高；“活性炭吸附/脫附+溶劑回收”最大的優點在于環境效益和經濟效益明顯，此法能吸附濃縮廢氣中90%以上的有機物成分，并將其脫附、冷凝后回收成有機溶劑，回收后的有機溶劑能二次利用，且不用添加天然氣等能源去焚燒。其較適用于噴漆量較大、廢氣濃度較高的工藝，在集裝箱噴漆、貨車車廂噴漆等廢氣處理運用較為廣泛，且實例證實，此法可取得較大的經濟效益和環保效益；客車生產工藝有別于小轎車和廂式貨車等，因客車屬于定制化產品，顏色、圖案都不一樣，大多采用間歇式生產，難以實現流水化連續作業，因此相比轎車和廂式貨車等連續性流水線作業的產品，客車噴漆廢氣的廢氣量更大、濃度更低，噴漆室在100%工況下，實測的VOCs濃度也都在40 mg/m3以下，若采用以上三種廢氣處理工藝，投資成本和運行費用都極高，占地面積也極大，且處理效率也有限，生物降解處理法或將是此類噴漆廢氣的一個良好備選方案。

表1 四種處理工藝比較

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Progress in Application of VOCs Treatment Technology for Automobile Spray Painting

Li Rong

(XiamenKingLongUnitedAutomotiveIndustryCo.,Ltd.,Xiamen,Fujian361000,China)

In this paper, several processing technologies of VOCs treatment of automobile spray painting waste gas were described, includingthe development course, application scope, characteristics and application prospect. Due to the typical characteristicsof automotive industry of the lacquering, i.e.large volume and low concentration, “the zeolite rotary adsorber adsorption /desorption & catalytic combustion”would be more applicable in car painting waste gas treatment of VOCs; “activated carbon adsorption / desorption & solvent recovery” applicable to wagon freight vehicles painting waste gas treatment; biological degradation processing technology more applicable in bus paint waste gas treatment, since the production process of bus was different fromcar and wagon freight vehicles, bus painting of a larger amount of waste gas, lower concentration using other means of disposal the construction cost and running cost were high and covered alarge area.

VOCs;zeolite rotary adsorber;catalytic combustion;solvent recovery;biodegradation

2016-08-02

李 蓉(1983—)，女，碩士，工程師，從事環境管理方面的工作。

X51

A

1674-9944(2016)18-0102-03