新型管件涂層有機廢氣治理系統的研制

黎旭穎，馬宏亮，高 翔

（奧藍特（天津）科技發展有限公司，天津300350）

目前，我國許多地區大氣污染防治形勢十分嚴峻，工業廢氣的排放直接影響氣候和環境，嚴重危害人們的身心健康。為了有效保護生態環境，需要加大新技術研發投入，重視工業廢氣治理，有效消除廢氣危害，保護全球生態，保護人們健康，為子孫后代留下綠水藍天[1-2]。在石油、化工、市政公用領域需要大量的流體金屬管線輸送各種流體介質，這些鋼制管件必須進行內壁防腐涂層處理才能滿足長期使用的要求。其內部防腐涂層生產中的底漆和面漆均含有有機揮發性物質，主要有苯、甲苯、二甲苯和非甲烷總烴等，這些揮發性有機物在生產車間內部的濃度和集中排入大氣的濃度都必須滿足國家和地方相關的廢氣排放標準要求。為此，必須配套有機廢氣治理系統。該系統由分布在與有機揮發性物質相關聯工位的氣體收集裝置、輸送管道、有機廢氣處理裝置以及電控裝置等組成。氣體收集裝置分布在底漆噴涂、底漆風干、底漆烘烤、面漆噴涂、面漆烘烤、底漆配制、面漆配制等工位。有機廢氣處理裝置主要分為活性炭吸附、脫附類和氧化焚燒類。前者屬于常規型，由于活性炭脫附后存在吸附效果呈周期性下降、脫附處理故障率較高等問題，難以滿足管件涂層生產廢氣治理要求。后者為新型，采用蓄熱燃燒、低溫排放方式，選用密封性較高的換向閥門并實施自動程序控制，已在管件涂層生產廢氣治理方面獲得成功應用。本文論述的是作者在掌握有機廢氣治理行業中先進的設計理念和實施工藝[3-7]，借鑒涂裝線揮發性有機物廢氣治理的經驗[8]和蓄熱室氧化爐關鍵因素的研究成果的基礎上[9-10]，研制出的新型管件涂層治理系統。它顯著提高了有機廢氣收集率和蓄熱燃燒效率，保障在生產過程中廢氣檢測成分持續滿足國家和地方標準。按照天津市生態環境局發布的DB12/524—2014《工業企業揮發性有機物排放控制標準》的修訂版本的相關要求，管件涂層生產行業污染物有組織排放按照非甲烷總烴極限數值40 mg/m3要求，管件涂層車間生產操作工作位置檢測按照無組織排放檢測要求，非甲烷總烴極限數值達到平均濃度值6 mg/m3、任意濃度值20 mg/m3。新型管件涂層治理系統的連續測試結果：非甲烷總烴有組織排放數值一直穩定在20～35 mg/m3之間，持續低于極限數值要求，非甲烷總烴無組織排放量一直穩定在2.5～7.5 mg/m3之間，平均值和瞬時值均低于現行執行監測標準。

1 管件涂層廢氣治理關鍵環節

有機廢氣治理的原則是保證生產場所和排入大氣的揮發性有機物檢測濃度始終滿足國家和地方相關標準要求，因此，其關鍵環節在于有機物的高效收集和高效處理。高效收集要求在有機廢氣產生的工位設置的收集裝置的吸氣口盡可能靠近廢氣源頭、有效吸取濃度較高氣流，流通氣流保持一定的動頭、可以調節流量；對于不同規格管件，都可最大限度地收集揮發性有機物，實現工位有機物檢測濃度達標。高效處理要求經過廢氣收集輸送管道[11]進入廢氣處理裝置中的有機廢氣，被最大限度、高效率地去除，然后轉化為無害物質并由一定高度的煙囪排入大氣之中，這個處理過程必須是持續進行的，有機廢氣連續不斷被去除，實現排放有機物檢測濃度持續達標的目標。

2 常規管件涂層廢氣治理系統存在的問題

圖1顯示常規管件廢氣處理裝置的運行流程。由圖1可以看出：處理裝置中的3個活性炭吸附箱中，A箱正在脫附，將吸附的有害組分脫出并輸送到催化燃燒裝置中去除；B箱和C箱正在進行廢氣吸附，將廢氣中的有害組分吸收到活性炭內部，之后且能潔凈氣體排入大氣之中。

圖1 常規管件涂層廢氣處理系統工藝流程圖Fig.1 Process view of conventional exhaust treatment system in pipe coating

如圖2所示，常規管件廢氣處理裝置存在處理后的有機廢氣去除效率周期性出現波動，排放濃度經常超標，污染大氣環境質量等問題。另外，生產車間有機廢氣收集效果不佳，對周圍環境污染嚴重。究其原因在于以下幾個方面：

圖2 常規管件涂層廢氣處理系統主視圖Fig.2 Main view of conventional exhaust treatment system in pipe coating

1）活性炭吸附廢氣有害組分的能力隨著使用時間的增加衰減較快，造成其穩定性降低；

2）活性炭在脫附去除廢氣有害組分時，隨著使用時間的增加存留的有害組分堆積較快；

3）活性炭在高溫去除內部有害組分時，因其燃燒點較低易發生表面燃燒；

4）綜合以上原因，活性炭的有效使用周期比較短，不適合管件涂層這類連續作業場合；

5）吸附進風、吸附出風、脫附進風、脫附出風管路上的控制閥門密封性能不高，容易出現有害組分泄漏；

6）管件噴涂工位的收集裝置吸取口與管口還有一段距離且沒有密封，有害組分收集效果不好。

3 新型管件涂層廢氣治理系統特點

新型管件涂層廢氣治理系統平面布置如圖3所示，管件由左側經輸送托架到達底漆噴涂工位完成管內底漆噴涂，隨后先在風干工位將底漆吹干再進入底漆烘爐烘干。出爐后管件到達第1層面漆噴涂工位完成管內面漆噴涂，再進入面漆烘爐烘干及固化，隨后進行第2層面漆噴涂及烘干和固化。值得注意的是，在所有產生有機揮發成分的工位都設置了收集裝置，隨后集中輸送到蓄熱處理裝置中完成氧化后再排放。

圖3 新型管件涂層廢氣治理系統布置圖Fig.3 Layout plan of new type exhaust treatment system in pipe coating

廢氣治理系統在蓄熱處理和廢氣收集方面具有以下特點：

1）廢氣蓄熱處理裝置高溫持續完成有機物氧化去除效果穩定。廢氣蓄熱處理裝置組成如圖4所示。收集的廢氣經過圖上右側輸送管道進入下面過濾室去除粉塵，然后廢氣由排放風機送入換向室內，再經過一側蓄熱室升溫后進入燃燒室內高溫氧化，隨后進入另一側蓄熱室降溫后回到換向室，最后由右側煙囪排入大氣中。整個過程中燃燒室內氧化保持800℃左右以保證有機物絕大部分被去除，因此，這種廢氣有害成分去除方式比活性炭吸附方式能從根本上解決不穩定的隱患，為處理效果滿足排放要求打下了堅實的基礎。這種系統運行過程中所變化的是廢氣交替通過兩個蓄熱室進入燃燒室以實現燃燒熱量的充分利用降低燃料消耗量。接下來需要解決的是廢氣切換時，怎樣保證不會因處理后的低濃度有害組分與未處理的高濃度有害組分氣體之間發生泄漏，避免造成排放的廢氣有害成分超標。

圖4 新型管件涂層廢氣蓄熱燃燒處理裝置正面圖Fig.4 Front view of new type exhaust regenerative oxidation system in pipe coating

2）廢氣蓄熱處理換向閥門結構及自動控制最大程度地減少有害組分泄漏。廢氣換向閥組成和結構形式如圖5所示。新型換向閥將常規換向驅動桿組成結構改進為：驅動桿分成兩部分與閥板組裝在一起，兩端采用精確調整定心方式，閥門兩個驅動桿都配有軸心調整單元。通過兩端驅動桿的軸心位置調整，可以將閥板與閥座接觸面的平行度調整到最佳水平，實現閥板與閥座的緊密接觸以保證在閥門處于關閉狀態時氣體不會泄露，避免含有超標有機成分的待處理廢氣混入煙囪而直接排放進入大氣。

圖5 廢氣換向閥組成圖Fig.5 Composition chart of Reversing valve

廢氣換向閥安裝運行如圖6所示。4套換向閥分別安裝在左右兩個循環室與上方左右兩個排氣室和下方左右兩個進氣室接口位置上，循環室頂部連接各自的蓄熱室，蓄熱室頂部再連接共同的高溫燃燒室。左右排氣室通過排氣接管連接起來，左側與煙囪連接以排出處理后氣體；左右進氣室通過進氣接管連接起來，右側與離心風機連接以通入未處理氣體。正常運行換向閥應處于“對角雙開雙閉且定期切換”狀態，使得系統處于兩種氣體流動模式，通過PLC可編程序控制器對換向閥實施自動程序控制。圖上所示模式為氣體流動“右進左出”：換向閥A和換向閥C處于關閉、換向閥B和換向閥D處于開啟，未處理氣體經過換向閥B進入右側循環室，再經過其頂部的蓄熱室進入高溫燃燒室，在完成有機物氧化后成為高溫潔凈氣體；隨后從左側蓄熱室向下成為低溫潔凈氣體后進入左側循環室，潔凈氣體由換向閥D進入左側排氣室，最后經煙囪排放到大氣之中。此時，換向閥A關閉阻止未處理氣體先進入左側循環室，再混入左側排氣室；換向閥C關閉阻止右側循環室內的未處理氣體混入右側排氣室，有效防止未處理氣體從煙囪直接排入大氣。如果將圖上換向閥開閉狀態交換，系統氣體流動模式轉化為“左進右出”：換向閥A和換向閥C處于開啟、換向閥B和換向閥D處于關閉，未處理氣體經過換向閥A進入左側循環室，再經過其頂部的蓄熱室進入高溫燃燒室，在完成有機物的氧化后成為高溫潔凈氣體；隨后從右側蓄熱室向下成為低溫潔凈氣體后進入右側循環室，潔凈氣體由換向閥C進入右側排氣室，最后經煙囪排放到大氣之中。此時，換向閥B關閉阻止未處理氣體先進入右側循環室，再混入右側排氣室；換向閥D關閉阻止左側循環室內的未處理氣體混入左側排氣室，有效防止未處理氣體從煙囪直接排入大氣。

圖6 廢氣換向閥運行圖Fig.6 Operation diagram of reversing valve

在系統正常運行時，換向閥的切換周期在3 min左右，系統通過對換向閥開啟和關閉動作實施自動程序控制，實現更小的泄漏幾率。實踐證明：設置排氣室換向閥先關閉、對面進氣室換向閥延時開啟，進氣室換向閥先關閉、對面排氣室換向閥延時開啟，微小的時間差異不會對燃燒系統壓力造成較大影響，但其合理的設置對于進一步降低排放有機物濃度卻是行之有效的。

3）噴涂工位能有效收集高濃度有機組分并滿足多品種管件生產。噴涂廢氣收集裝置組成如圖7所示。進行噴涂處理的管件在中間，左側為水平移動收集單元，右側為垂直移動收集單元，在噴涂過程中產生有機揮發性組分從左右兩端管口溢出。噴涂操作時，這兩側的收集箱把管口包含在里面，可以進一步密閉廢氣收集空間，有效減少噴涂涂料揮發性組分溢出到收集罩以外，有效降低對周圍環境污染。兩側收集單元的過濾箱分別通過軟管與車間廢氣輸送管道連接，兩側收集單元的收集槽與各自的涂料收集桶密封連接，在噴涂過程中產生的多余液體涂料可以流入涂料收集桶集中定期處理。之后從管件兩端溢出進入兩側收集罩中，經由過濾箱濾掉大顆粒組分，然后經過軟管、鍍鋅管及手動閥門進入車間廢氣輸送管道。右側管端為噴涂固定端，左側為活動端，管件進入噴涂工位前，右端收集罩由氣動單元帶動升起，左端收集罩由平移小車帶動左移以滿足管件無阻礙到達噴涂工位；隨后右收集罩下降、左收集罩向右移動，到達收集最佳位置后開始噴涂操作。平移小車的運行原理為，由電控裝置收集光電開關檢測管件的到位信號和限位開關檢測小車的位置信號，控制其驅動電機的運行，實現自動程序控制。這不僅可以保證管件長度多種規格變更的最佳收集位置的確定，還可以實施小車運動的安全保護。

圖7 噴涂廢氣收集裝置組成圖Fig.7 Composition chart of spray exhaust collection device

4）風干廢氣收集裝置有效收集管件內部涂層揮發的有機組分。風干廢氣收集裝置組成如圖8、圖9所示。該裝置放置在管件左端，廢氣收集罩可在水平和垂直方向調整位置，收集罩在管件遠端開口縫隙設置金屬毛刷，能夠高效率收集管件遠端溢出的有機廢氣、減少對周圍環境污染。收集罩上下開口位置能夠根據管件的直徑、長度、高度調整到合理位置，還可以依據所處運行位置合理連續調整收集廢氣流量，進一步提高風干廢氣收集裝置的收集效率，降低廢氣集中處理設備的投資成本和運行成本。

圖8 風干廢氣收集裝置組成圖Fig.8 Composition chart of air-dried exhaust collection device

圖9 風干廢氣收集裝置正面圖Fig.9 Front view of air-dried exhaust collection device

4 廢氣有機組分測試數據及分析

4.1 煙囪排放有機組分檢測

分別對常規管件涂層廢氣治理系統和新型管件涂層廢氣治理系統進行煙囪排放有機組分濃度測試，分別在各自的排放煙囪專用取樣口取樣，按照國標規定的HJ 1013固定污染源廢氣非甲烷總烴連續監測系統技術要求及檢測方法進行非甲烷總烴的測試。測試周期為240 h，根據測試結果并結合實測煙氣含氧量，折算成為標準含氧量進行基準數據修正，每次按最高含量和最低含量折算值繪制有機成分偏差曲線，如圖10（a）、（b）所示。由此兩個曲線可以明顯看出，兩種管件噴涂廢氣治理系統煙囪排出的有機組分隨著使用時間呈現不同的變化趨勢。40 mg/m3是目前國家和各省市現行使用的針對表面涂裝行業執行的有機物非甲烷總烴排放標準。

圖10 管件噴涂廢氣治理系統煙囪排放檢測偏差曲線Fig.10 Organic content deviation curve detected in exhaust treatment system in pipe coating

比較圖10（a）與圖10（b），從圖10（a）中可看出常規處理系統初期排放的有機成分較少、偏差非常小，隨后排放的有機成分成線性增加、偏差也在變大，等到使用時間超過120 h之后，有機成分上限就超過40 mg合格下限了，也就意味著開始有機物排放超出限度標準了。此后，上限值和偏差值還在持續增加，待到接近240 h使用時長的時候，上限值接近60 mg、下限值也接近40 mg，說明處理系統需要更換新的活性炭吸附單元了。從圖10（b）中可看出，新型處理系統排放的有機成分偏差一直保持很小的數值，其上限峰值一直低于35 mg，從來沒有超過40 mg的有機物排放下限要求，在這個測試周期內排放的有機成分幾乎沒有大的偏差出現并且一直在合格范圍之內。此有機成分排放測試偏差曲線可以充分說明：新型管件噴涂廢氣治理系統具有持續、穩定、高效的揮發性有機物處理能力，適合應用在管件噴涂以及其他相關噴涂生產領域。

4.2 車間操作工位有機組分檢測

分別對常規管件涂層廢氣治理系統和新型管件涂層廢氣治理系統的管件內涂層生產車間噴涂操作工位進行有機組分濃度測試，監測點位設在距離操作工位1 m，距離地面1.5 m以上位置。在此位置取樣口取樣，按照國標規定的HJ 1013固定污染源廢氣非甲烷總烴連續監測系統技術要求及檢測方法進行非甲烷總烴的測試，測試周期為60 min。根據測試結果繪制生產車間操作工位有機成分數據曲線，比較有機成分收集裝置的改進帶來的效果。如圖11所示，上部為采用常規方式收集裝置收集管件涂層生產車間有機成分，在噴涂操作工位監測點測試，分析得到的數據曲線；下部為采用上述改進技術研制的高效收集裝置的工件涂層生產車間噴涂操作工位監測點測試，分析得到的數據曲線。按照目前國家和各省市現行使用的針對表面涂裝行業執行的有機物非甲烷總烴監測標準要求，操作工位監測點非甲烷總烴成分1 h內的平均值為6 mg/m3，瞬時最大值為20 mg/m3。采用常規收集裝置的車間監測數據曲線，最低值都超過10 mg/m3、最高值接近25 mg/m3，全程超過現行執行監測標準，必須改進以滿足環境保護和職業健康要求。采用新型收集裝置的車間監測數據曲線，最低值接近2.5 mg/m3，最高值接近7.5 mg/m3，平均值和瞬時值均低于現行執行監測標準。新型管件廢氣收集裝置可以大規模推廣應用。

圖11 管件噴涂工位有機成分檢測曲線圖Fig.11 Organic content curve detected in spray operation in pipe coating

5 結論

新型管件涂層有機廢氣治理系統采用蓄熱燃燒氧化去除管件噴涂產生的揮發性有機物，蓄熱燃燒換向閥閥門的改進及控制優化顯著提高了有機物處理效率。針對噴涂廢氣、風干廢氣改進了收集裝置，進一步提高了揮發性有機物的收集效率，改善了車間工作環境，實現了有機廢氣治理系統持續、穩定、達標運行，有效解決了治理效果波動較大的問題，確保在管件內涂層生產全過程有機廢氣治理效果滿足國家和地方標準。