汽車涂裝車間噴漆室廢氣治理方案簡析

羅浩

（東風設計研究院有限公司，武漢430056）

1 前言

隨著國家對大氣污染治理力度的加強，工業排放的標準也日趨嚴格。作為工業排放的主要來源，汽車涂裝車間也成為了廢氣處理的重點對象。而在汽車涂裝車間里，噴漆室的揮發性有機物（VOCs）排放量最大，一般專門設置廢氣處理裝置。針對汽車涂裝車間的VOCs，目前以活性炭吸附法和沸石轉輪吸附濃縮+RTO 燃燒法運用最為成熟和廣泛[1]，將對汽車涂裝車間噴漆室的這2 種廢氣處理方案進行介紹和分析。

2 活性炭吸附

活性炭作為1 種良好的吸附材料，很早便應用于涂裝設備的廢氣治理，主要針對中小風量和中低濃度的廢氣處理。活性炭吸附設備組成較為簡單，一次投入成本低廉且維護方便，是1 種性價比較高的廢氣處理方法。早期的活性炭吸附箱在吸附飽和后就需要更換活性炭，從而導致運行成本較高。而今隨著活性炭再生法的運用，活性炭已經不再是一次性使用的材料，在活性炭吸附裝置上增加1 套催化燃燒裝置，即可對吸附飽和的活性炭進行脫附，從而實現活性炭材料的重復利用。

2.1 活性炭吸附裝置的組成

活性炭吸附裝置，由前置過濾箱、活性炭吸附箱、吸附風機、催化燃燒裝置、脫附風機等幾部分構成，如圖1 所示。

圖1 活性炭吸附裝置組成

廢氣首先進入前置過濾箱，過濾箱設置有1 道DPA（干式）漆霧過濾器，1 道過濾精度等級為F6 的袋式過濾器，不同區段設置有壓差計用以監測壓差，到達一定數值后需要更換相應的過濾器材。廢氣經過過濾箱以后進入活性炭吸附箱，一般活性炭箱體可以設計為“上進下出”或者“側進側出”的形式，而且針對不同的處理廢氣量，可以選擇多個吸附箱體拼接使用。吸附箱體內裝填有100 mm×100 mm×100 mm 的活性炭，根據用量大小可以裝填多層。吸附箱進風口設置有均流板，為了保證吸附效率，廢氣通過活性炭層的過流風速應不大于1.2 m/s。箱體內部，活性炭層上方設置有消防噴淋裝置。廢氣出活性炭吸附箱后經排氣風機，送至排放煙囪。

脫附使用的催化燃燒裝置，為單獨的循環管路，通過活性炭箱體時一般與吸附廢氣時的進氣方向相反。進催化燃燒裝置前設有高溫過濾塊，催化燃燒裝置本體采用電加熱方式，脫附廢氣經催化燃燒后再由脫附風機送入活性炭箱體，循環脫附。由于活性炭的特性，再生溫度需控制在120 ℃左右[2]，溫度太低無法進行有效脫附，溫度太高，則會造成活性炭氧化，失去活性，甚至引發火災危險。而脫附過程最初的廢氣濃度很高，在進行催化燃燒時本身即會產生較大熱量，溫度上升很快。因此，在催化燃燒裝置出口設置有新風閥，當監測到吸附箱體內溫度過高時會補充部分新風，用以控制脫附溫度。

整套活性炭吸附設備脫附時間較長。因此，需要根據生產計劃，合理安排脫附時間，避免對正常生產造成影響。

2.2 活性炭吸附設備能力計算

下面就以某客車大型車涂裝車間彩條噴漆室為例，介紹其活性炭吸附設備的能力計算。

該噴漆室的工作狀態如表1 所示，活性炭參數如表2 所示。

表1 噴漆室工作狀態

表2 活性炭相關參數

計算得出數據，如表3 所示。

表3 活性炭裝填量計算

通過以上計算我們可以得知，如果要保證連續1 周的生產，那么其活性炭的裝填量至少要有5.5 m3，事實上，為了盡可能的減少脫附次數，我們的實際裝填量要大于該值。

該活性炭吸附箱的實際裝機層數為5 層，那么實際活性炭裝填量計算公式如下。

式中，V為內腔尺寸；F為層數；S為裝機方數。

計算可得，實際活性炭裝機方數為12 m3。

因此此套活性炭吸附裝置的脫附周期計算公式如下。

式中，S 為裝機方數；F 為活性炭裝機總量；T 為脫附周期。

計算可得，實際脫附周期為2.2 周。

通過以上相關數據我們可以看出，活性炭箱體的活性炭裝填量就直接決定了這1 套吸附裝置的吸附能力，即脫附周期的長短。而活性炭的裝填量，又由裝填面積和裝填層數決定。

活性炭裝填量不可能無限制加大，首先為了保證吸附效率，活性炭箱體的截面過流風速不能超過1.2 m/s，同時又要考慮活性炭吸附設備擺放場地的局限性。活性炭裝填層數太少則裝填量就少，顯然不符合要求，裝填層數太多，又會使活性炭箱體的阻力增大，不利于設備運行，而且底層活性炭的吸附效率也會降低。因此活性炭裝填層數一般取3～6 層為宜。脫附計算如表4 所示。

表4 設備設計脫附參數

脫附時長5.5 h 為吸附飽和情況下的理論時間，在實際使用過程中，一般在周末停產時即安排脫附工作，避免對生產計劃造成影響。

3 沸石轉輪+RTO

沸石是1種架狀含水的堿或堿土金屬鋁硅酸鹽礦類物質。它具備較強的吸附性、離子交換性、催化和耐酸耐熱等特點，廣泛應用于農業、畜牧業及工業等領域，尤其是對于VOCs吸附效果十分顯著[3]。

沸石轉輪是通過沸石的吸附能力，將大風量、中低濃度的廢氣濃縮成高濃度、小風量的廢氣再進行處理，從而提高VOCs 廢氣的處理效率，節約運行成本。

沸石轉輪吸附濃縮，再由RTO 進行焚燒，脫附吸附同步進行，無需單獨進行脫附作業，是一種連續、高效的VOCs 廢氣處理方案[4]。

3.1 “沸石轉輪+RTO”系統組成

整套系統由前置過濾裝置、吸附風機、轉輪、再生加熱裝置、脫附風機和RTO 等組成，如圖2所示。

圖2 “沸石轉輪+RTO”系統組成

廢氣首先進入前置過濾箱，過濾箱設置有1 道DPA 漆霧過濾器、1 道絲網除濕過濾器，絲網過濾器用以除掉廢氣中的水分，沸石轉輪如果長期處在高濕度的廢氣環境下吸附效率會降低，壽命也會受到影響。后面再設置3 道過濾精度分別為G4、F6 和F8 的過濾器。過濾箱上設有一個由電動閥控制開閉的新風閥，在車間短時停產處于節能模式時補充新風以維持風機的最低運行頻率。廢氣經前置過濾箱后通過轉輪，處理后的廢氣進入排放煙囪。濃縮后的廢氣進入RTO 進行焚燒。整體布置如圖3 所示。

圖3 “沸石轉輪+RTO”系統布置

3.1.1 沸石轉輪工作原理

沸石轉輪由多塊扇形蜂巢狀沸石材料拼成。分為吸附區、再生區和冷卻區。不同濃縮比的轉輪，各個區域對應的面積也不相同，但是冷卻區和再生區面積等同。轉輪分區如圖4 所示。

廢氣通過沸石轉輪時，經過吸附區的廢氣即可直接排放，少部分廢氣經過冷卻區，然后進入1個補償加熱器，加熱到180～200 ℃，再反向進入再生區進行脫附，脫附后的高濃度廢氣再送至RTO進行焚燒。經過脫附的轉輪扇區溫度較高，無法直接進行吸附，因此設置1 個冷卻區。而經過冷卻區的廢氣，溫度也會相應升高，一定程度上可以補償加熱器的能源消耗[5]。

圖4 轉輪分區

轉輪的吸附、脫附工作是伴隨著轉輪時刻不停地轉動而進行的。因此轉輪在轉動過程中，保持密封尤為關鍵。在某VOCs 治理項目中，使用的轉輪直徑達到了4.8 m，寬度400 mm。通過對該沸石轉輪的實際工作狀況的觀察，發現如果吸附區密封不嚴，則會導致吸附效率降低，排放不能達標；如果再生區和冷卻區密封不嚴，則導致脫附風量增大，影響脫附效果，嚴重時會導致補償加熱器內形成正壓，無法正常工作。系統整體構成如圖5所示。

圖5 沸石轉輪系統拆解

為了使轉輪有良好的密封性，在轉輪的迎風側和背風側都有1 圈環形密封膠條，其中再生區和冷卻區為耐高溫密封膠條。在密封膠條和沸石接觸部分涂有潤滑介質，以延長密封膠條使用壽命。

轉輪可以設計為正壓狀態，也可以設計為負壓狀態，即吸附風機可以放置在轉輪之前，也可以放在轉輪之后。如果放置在轉輪之前，則轉輪內形成正壓，風對沸石轉輪造成正壓力，對其密封效果影響較大；反之，吸附風機放置在轉輪之后，則轉輪內形成負壓，風對沸石轉輪造成負向的壓力，則對其密封效果影響較小。因此，在沒有場地限制的情況下，轉輪設計為負壓使用效果最為理想。

3.1.2 沸石轉輪參數選擇

沸石轉輪是通過吸附、脫附來獲得低風量高濃度的廢氣，因此濃縮比是轉輪性能的一個重要指標。

轉輪進氣風量與脫附風量的比值即為濃縮比。低濃縮比雖然可以保證高吸附效率，但是增加脫附風量的同時也增加了脫附能耗，而且大風量低濃度的廢氣不利于后續的焚燒處理。因此，在確保達到排放標準的吸附率前提下，合理選擇濃縮比至關重要。實際應用中，濃縮比應兼顧效率與能耗，對于高濃度廢氣，可選擇低濃縮比以確保吸附率；而低于低濃度廢氣，適當選擇高濃縮比有利于系統整體的能效比提高。不過最高濃度應不高于爆炸極限下限的25%[6]。

沸石轉輪的吸附與脫附在轉輪運行周期中是同步進行的，兩者共同決定了轉輪的工作效率。轉速的大小意味著吸附和脫附時間長短。當轉速較低時，運行周期變長，再生區脫附充分，但是相對吸附能力也變小。轉速較高時，運行周期變短，吸附能力變大，但是再生區脫附時間減少，脫附的去除率下降。因此，最佳轉速是對吸附和脫附時間的綜合考量，同時還要結合處理廢氣的濃度、風量等因素，實現轉輪的效率最大化。

3.2 “沸石轉輪+RTO”系統方案選擇

結合“沸石轉輪+RTO”系統的特點，以某大型客車清漆及面漆噴漆室廢氣處理的實際案例來分析其方案的選擇。該車間清漆及面漆噴漆室廢氣匯總后，風量達到了159 333 m3/h，VOCs 濃度達到133 mg/m3。要求凈化效率≥90%，選擇了直徑為4 800 mm 的轉輪，濃縮比為18∶1。

式中，Q為進氣風量；N為濃縮比；R為濃縮廢氣風量。

計算可得，濃縮后的廢氣風量為8 852 m3/h。

式中Q 為進氣風量；K 為進氣濃度；C 為凈化后風量；η 為凈化效率；R為濃縮后風量；P為濃縮廢氣濃度。

計算可得，濃縮后的廢氣濃度為2 168 mg/m3。

經過轉輪后，得到了小風量、高濃度的廢氣，需要送往RTO 進行處理。該RTO 同時還須處理來自烘干爐的有機廢氣，風量為12 000 m3/h，濃度達到800 mg/m3。因此混合后的廢氣風量為20 852 m3/h，濃度達到1 381 mg/m3。選擇對應處理能力的RTO 即可。

由此可見，沸石轉輪與RTO 的搭配組合，不僅可以處理噴漆室的大風量高濃度廢氣，還可以同時處理來自烘干爐的小風量高濃度廢氣。非常適用于汽車涂裝車間這種擁有非單一來源廢氣的場合。

4 2種VOCs廢氣處理方案的特點比較

通過以上分析，我們可以看出，目前應用于汽車涂裝車間噴漆室廢氣處理的2 種方案有著很鮮明的特點，如表5 所示。

表5 廢氣處理方案特點對比

根據不同汽車廠涂裝車間噴漆室的需求，在實際應用中，往往會根據環保要求，結合成本投入、處理效率還有場地規劃等綜合因素來制定VOCs廢氣處理方案，才能實現節能環保的最終目標。