VOC沸石濃縮轉(zhuǎn)輪凈化系統(tǒng)在汽車涂裝廢氣治理上的技術(shù)應(yīng)用

潘 辰

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

VOC沸石濃縮轉(zhuǎn)輪凈化系統(tǒng)在汽車涂裝廢氣治理上的技術(shù)應(yīng)用

潘 辰

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

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。

沸石濃縮轉(zhuǎn)輪；VOC；去除效率

前言

VOC的控制和治理，將會(huì)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(chǔ)存過程的油氣回收，減少泄露；

（3）鼓勵(lì)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)VOC現(xiàn)狀

汽車涂裝是汽車制造過程中 “三廢”最多的環(huán)節(jié)；涂料中含有 VOC，但不釋放 VOC；涂料在涂裝過程中，70%的VOC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(dòng)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 500～1000 mg/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 2500 mg/m3左右，都超過了 CB 16297-1996《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VOC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螅谟行虻慕榭妆谏细接形⒖祝@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6 g 三嵌段共聚物 P123 溶于225 mL 1.6 mol·L?1 的鹽酸溶液中,攪拌至溶解，將溶液轉(zhuǎn)入 40℃水浴中，600 r·min?1 下攪拌 10 min 后逐滴加入 13.8 mL 正硅酸乙酯(TEOS)，滴定完成后，繼續(xù)攪拌24 h，移入聚四氟乙烯內(nèi)襯的晶化釜，100℃晶化24 h 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5 h 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(huì)受熱而失去，溫度降低而再吸收，使得它在水中煮沸時(shí)會(huì)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(gè)“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(dòng)開門或擋駕，絕對不會(huì)讓“胖子”到“瘦子”的房間去，也不會(huì)使高個(gè)子與矮個(gè)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。

2.2 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)。

圖1 活性炭結(jié)構(gòu)

表1 難以從活性炭中去除的VOC

2.3 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(gè)區(qū)域即處理區(qū)、冷卻區(qū)和再生區(qū)，轉(zhuǎn)輪在一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)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(gè)區(qū)域即處理區(qū)、冷卻區(qū)和再生區(qū)，轉(zhuǎn)輪在一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)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)溶劑含量最低可降至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)溶劑的濃度最高可達(dá)到處理前濃度的10倍。

表 2 疏水沸石飽和吸附量技術(shù)參數(shù)

圖2 VOC沸石轉(zhuǎn)輪吸附+蓄熱式燃燒系統(tǒng)示意圖

2.4 沸石脫附及換熱

圖3 VOC脫附溫度對脫附效率的影響

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(gè)環(huán)節(jié)的過程。

4 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。

圖4 轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速與去除效率的關(guān)系

圖5 脫附溫度與去除效率的關(guān)系

5 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)。

5.1 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：

圖6 前處理槽液加熱工藝流程示意圖

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：

圖7 電泳烘干爐余熱回收系統(tǒng)工藝流程示意圖

5.2 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)。

5.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

5.3.1 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;

最終計(jì)算得Q≈75萬kcal/h。

5.3.2 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：

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

最終計(jì)算得G≈26t/h

5.4 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：

表3 經(jīng)濟(jì)與環(huán)保效益

6 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(huì)環(huán)境保護(hù)做出貢獻(xiàn)。

[1] 徐洪雷,盧繼偉.涂裝線烘干爐煙氣余熱回收應(yīng)用探討.2013年中國汽車工程學(xué)會(huì)涂裝技術(shù)分會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C]2013:23-25頁.

Discussion on the technology of flue gas waste heat recovery system of the painting and drying chamber

Pan Chen
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

At present, large car coating production line, drying system mostly uses the exhaust incinerator heating mode, the large amount of waste gas after combustion in the high temperature of 200 ℃ or so direct emissions to the workshop, the energy loss, and atmospheric pollution. This paper mainly studied the coating baking furnace flue gas waste heat recovery system, the principle and structure of waste heat recovery system and combined with engineering example to analyze its economic benefits.

waste heat recovery system; drying system; utilization

CLC NO.: U473.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-170-04

U473.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)12-170-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.057

VOC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。VOC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。VOC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。

潘辰，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。