船廠典型生產場景VOCs治理工藝方案的研究分析

劉志堅　王俊虎　談寶林

摘 要：隨著國家對環境保護力度的提升，船舶制造業VOCs廢氣處理逐步成為船企關注的熱點。為切實做好船舶企業VOCs末端治理改造工作，我們通過實施的項目對船廠典型生產場景下VOCs處理工藝方案從工藝原理、結合實際應用案例進行了分析研究。綜合考慮環保達標、安全、節能、操作便利等因素，分析了船廠典型生產場景下各種治理工藝的優勢和不足。

關鍵詞：鋼材預處理流水線;分段涂裝;催化燃燒;蓄熱式燃燒;劇烈波動

中圖分類號：U446.3? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2022）01-0103-04

1 船廠產生VOCs的典型生產場景

船舶典型生產流程及有機廢氣來源。由船舶生產流程分析可知，船舶制造過程中主要的有機廢氣產生場景有鋼材預處理、分段涂裝、船塢內合攏及完工涂裝三個階段。由于船塢內合攏及完工涂裝為室外作業，屬于無組織排放本文不做研究。下面就鋼材預處理、分段涂裝兩個有組織排放的典型生產場景進行研究分析。

2 船廠產生VOCs的兩個典型場景分析及排放要求

（1）鋼材預處理流水線：在船舶制造過程中鋼材預處理是對船用鋼材表面銹斑進行清理、并預涂底漆的工作，該工藝采用全自動流水線。拋丸清理過程產生漆霧粉塵;噴漆、烘干過程中產生有機廢氣VOCs;鋼材預處理流水線有機廢氣采用集中捕集，捕集風速約1.5-2.5m/s，排風量約20000m3/h-30000m3/h，船廠主要使用無機硅酸鋅底漆，根據監測數據，鋼材預處理流水線非甲烷總烴源強濃度處于1000～2200mg/m3范圍內，預過濾后的噴漆排風與烘干段排風混合后進入廢氣凈化裝置，治理后高空排放。鋼材預處理流水線具有風量大、濃度高且濃度相對穩定的特點。

（2）涂裝車間主要承擔船體分段二次除銹和涂裝以及全船船體、艙室、設備和管系等的涂裝工作。噴漆過程產生漆霧粉塵;噴漆、固化階段產生VOCs。船廠主要使用醇酸漆、高溫漆、環氧漆、清油、防污漆、聚氨酯漆和溶劑（稀釋劑）。經過對油漆供應商的調研，揮發份中主要成分為二甲苯、乙苯、三甲苯、正丁醇、丙醇、輕芳烴溶劑石油腦等。船廠涂裝間根據分段大小類型不同一般設計風量為1萬m3/h-2萬m3/h，生產工藝為噴漆2-4小時， VOCs揮發30%，20小時固化，VOCs揮發70%。噴漆間正常工況下為4-6把槍同時噴涂，每把噴槍噴漆流量約為1.2L/min。由于從噴漆階段過渡到固化階段廢氣濃度變化劇烈，因此，涂裝車間具有風量大、峰值濃度高且濃度波動劇烈的特點。

（3）各個船廠在《中華人民共和國大氣污染防治法》的基礎上，因地制宜制定了適合地區發展的標準。以上海為例，船廠VOCs排放控制主要是（DB31/934-2015）和（GB16297-1996）。

3 船廠典型生產場景VOCs治理工藝路線分析

由于鋼材預處理、分段涂裝均屬于大風量、峰值濃度較高的連續作業、目前船廠采用的主流治理工藝有預過濾+沸石轉輪吸附+蓄熱式氧化爐（RTO）、預過濾+沸石分子篩/沸石轉輪+催化燃燒、活性炭吸附+熱空氣脫附+催化燃燒工藝。

3.1預過濾+沸石轉輪+蓄熱式燃燒（RTO）工藝原理分析

（1）基本原理：將VOCs有機廢氣在高溫低氧濃度氣氛中燃燒，燃燒溫度到800-1000℃，使有機物轉化為二氧化碳和水，根據有機廢氣濃度的高低可選擇是否配置蓄熱陶瓷進行熱量回收，可以較大限度回收VOCs燃燒產生的熱量，當有機廢氣濃度較低或燃燒熱低時，僅靠有機廢氣自身的燃燒熱不足以維持自燃，需要通過額外添加燃料進行充分燃燒。

（2）適用工況：風量大、濃度高且濃度穩定的連續工況;

（3）優缺點：沸石轉輪作為吸附材料耐高溫，脫附較徹底，燃燒風險低，理論使用年限10年危廢處理物少，僅沸石轉輪報廢后需作為危廢處理。但是國內目前使用的轉輪主要是依靠進口日本、美國的產品，轉輪投資費用較高。由于RTO焚燒爐將有機廢氣在800-1000℃進行充分燃燒，因此廢氣處理徹底，處理效率高，達標情況好。缺點是設備前期投資相對較高，同時由于燃燒溫度高（800-1000℃）燃料消耗多，且由于有機廢氣濃度較低時需要補充燃料，因此對于濃度波動劇烈的工況，運行費用較高。

3.2預過濾+沸石分子篩/沸石轉輪+催化燃燒工藝原理分析

（1）基本原理：有機廢氣經預過濾后，通過沸石轉輪進行吸附濃縮，一般可達到6-10倍的濃縮比，然后通過熱空氣對沸石進行脫附，脫附后的廢氣進入催化燃燒爐，通過使用催化劑可降低燃燒反應的活化能，進而使有機廢氣在較低的溫度（200-400）下進行無焰燃燒，生產二氧化碳和水。

（2）適用工況：大風量、常態濃度低、溫度低的生產工況;

（3）優缺點分析：由于催化燃燒反應溫度低，因此，燃料消耗少，設備空間需求相對小，操作比RTO更安全，初次購置成本及運行費用較低。催化燃燒的核心是催化劑，選用催化劑活性較高時VOCs的燃燒反應轉化率在97%以上，但是由于船廠廢氣的濃度、流量、成分往往不穩定，這就導致催化劑需要有較寬的適應性，同時某些重金屬會導致催化劑中毒，因此需特別注意催化劑的耐毒性和穩定性;最后，廢氣濃度較高時，需合理設計催化燃燒爐的風量，確保燃燒溫度不高于700℃，否則易導致催化劑失效，廢氣處理不達標。

3.3活性炭吸附+熱空氣脫附+催化燃燒工藝原理分析

（1）基本原理：有機廢氣經預過濾后，通過碳基吸附劑對低濃度有機廢氣進行濃縮，然后通過熱空氣進行脫附，脫附后廢氣進入催化燃燒爐，通過使用催化劑降低燃燒反應的活化能，使有機廢氣在較低的溫度（200-400）下進行無焰燃燒，生產二氧化碳和水。

（2）適用工況：適合小風量、低濃度、低溫度的生產工況;

（3）優缺點：活性炭纖維比表面積大，單位質量吸附量大，活性炭失效后危廢量少;但是活性炭吸附裝置的特性受很多因素影響，如運行溫度、有機廢氣的成分及濃度、空速及顆粒物情況等，總體來說該工藝方法，設備簡小，建設投資及后期運行費用相對較低，但是該工藝方案無法滿足大風量、高濃度、高溫有機廢氣的達標處理，同時由于活性炭吸附床會有雜質滯留，為防止燃爆風險，通常進氣溫度要求≤45℃，脫附進氣溫度要求≤120℃。

4 典型生產場景及工藝路線選擇分析

造船廠作為一個企業，工藝方案的選擇一方面要本著環保達標、保護環境的基本原則，同時又要考慮企業的實際工況選用適用的方案，要考慮安全、節能、操作便利等方面來確定工藝流程，在排放限值上要考慮留有余量，但不能無原則地追高，增大企業的負擔。

4.1三種工藝原理適用性分析及比較

首先看活性炭吸附+熱空氣脫附+催化燃燒工藝方案，此項工藝方案是DB31/934-2015頒布之前船廠主流治理工藝，能夠滿足GB16297-1996排放要求，但是針對鋼材預處理、分段涂裝兩個風量大、峰值濃度高的生產場景，經向各個船廠實地調研該項工藝無法滿足（DB31/934-2015）提標后的排放要求。因此，對于大風量、峰值濃度高的生產環節使用該工藝方案存在環保不達標的問題，不推薦使用。除此之外，目前各個船廠提標改造采用的主要工藝方案是預過濾+沸石轉輪吸附+蓄熱式氧化爐（RTO）和預過濾+沸石分子篩/沸石轉輪+催化燃燒工藝，下面將這兩種工藝方案的處理特點進行比較分析：

由表1可知，RTO燃燒采用火焰直接燃燒，燃燒溫度高，燃燒停留時間長、因此RTO燃燒燃料消耗多、裝置相對催化燃燒更大、由于溫度高安全要求也更高，但是RTO燃燒工藝的凈化率也更高。考慮到RTO直接燃燒燃料消耗大、運行費用巨大，目前主流的RTO燃燒工藝均配置了蓄熱陶瓷體，極大限度地回收有機廢氣燃燒后的余熱，用于預熱下一回合待處理的有機廢氣，使之被迅速加熱到760-1000℃，減少運行費用。但是由于燃燒溫度較高，燃料消耗多，當有機廢氣濃度波動，濃度較低時仍需要補充大量燃料，因此對于濃度波動劇烈的工況，運行費用仍然較高。

4.2典型生產場景及工藝選擇分析

（1）鋼材預處理流水線治理工藝選擇分析。鋼材預處理流水線采用全自動流水線。捕集風速約1.5-2.5m/s，排風量約20000m3/h-30000m3/h，船廠主要使用無機硅酸鋅底漆，根據對XX造船廠鋼板預處理流水線實際監測數值分析，鋼材預處理流水線風量20000m3/h，濃度1140～2190mg/m3是典型的大風量、高濃度且濃度穩定的連續工況。由于采用蓄熱陶瓷的情況下，當濃度持續≥600mg/m3時，RTO燃燒爐可以由高濃度廢氣維持自燃，無需補充燃料，因此從環保達標穩定性、運行節能方面綜合考慮，使用預過濾+蓄熱式燃燒（RTO）工藝，針對預處理線持續性高濃度廢氣可以穩定達標，同時由于廢氣持續穩定在高濃度，可以不用配置價格昂貴的沸石轉輪，減少建設投資，同時由于高濃度廢氣可以維持燃燒爐自燃，后期也能節省大量運營費用。

（2）分段涂裝治理工藝選擇分析。分段涂裝過程中產生漆霧粉塵;噴漆、固化階段產生有機廢氣VOCs。根據某造船廠實際監測數據顯示，涂裝工程中VOCs濃度劇烈波動，噴漆階段進口最大濃度為570.7mg/m3，噴漆階段4小時VOCs平均濃度為458.7mg/m3，固化階段濃度呈迅速下降狀態，固化階段VOCs平均濃度為144.6mg/m3，固化階段濃度總體較低，考慮到固化階段18-20個小時濃度都較低，如果用RTO燃燒需補充大量燃料，而催化燃燒由于反應溫度低，維持自燃需要補充的燃料少，裝置簡小，在運行費用上更具優勢，同時設備相對RTO操作更加安全。由于分段涂裝是典型的大風量、峰值濃度高（噴漆階段）、濃度波動劇烈（32.9～570.7mg/m3）、較長時間（固化階段18-20個小時）處于大風量低濃度狀態，因此采用預過濾+沸石轉輪/沸石分子篩吸附濃縮+催化燃燒工藝可使處理效果大大提高。這樣在保證環保排放達標的前提下，減少了設備后期運營費用，同時操作上更加便利。

5 應用實例研究分析

5.1鋼材預處理流水線廢氣治理實際應用情況研究分析

經過對幾家船廠實際處理情況調研，對鋼材預處理流水線采用預過濾+蓄熱式RTO燃燒工藝從工藝路線、風量、招標濃度、預過濾形式、焚燒爐結構、運行費用幾個方面分析如表2，運行費用按天然氣單價5.6元/L，電費0.8元/度計算：廢氣在線監測及排放達標情況見圖1;由表和圖分析可知，廢氣最大濃度≤1032.8 mg/m3，出口排放濃度均低于33.29 mg/m3，設備排放達標情況良好，且余量較大，四家船廠年運行費用均控制在40-65萬/年/套，設備達標及運行費用管控均較好。

經過對XX船廠鋼材預處理線在線監測數據分析，將入口濃度除以10形成廢氣排放達標分析圖（見圖1）和各單位運行情況（見表2）如下所示：

5.2分段涂裝廢氣治理實際應用情況研究分析

經過對幾家船廠實際處理情況調研，對分段涂裝采用預過濾+沸石轉輪+催化燃燒和預過濾+沸石轉輪+蓄熱式RTO燃燒工藝從工藝路線、風量、濃度、運行費用幾個方面分析如表3，運行費用天然氣按單價5.6元/L，電費0.8元/度計算;XXXX船廠預過濾+沸石轉輪+催化燃燒廢氣在線監測及排放達標情況見圖2;XXXX船廠預過濾+沸石轉輪+蓄熱式RTO廢氣在線監測及排放達標情況見圖3;結合圖2、圖3分析可知，以調研的6家船廠生產工況為例，無論是使用預過濾+沸石轉輪+催化燃燒工藝還是預過濾+沸石轉輪+蓄熱式RTO工藝，均能實現穩定達標，但是達標角度分析，使用RTO燃燒工藝達標裕度更大，排放濃度均控制在35.8 mg/m3以下，催化燃燒則最大排放濃度達到了57.3 mg/m3;

結合表3運行情況進行分析可知，預過濾+沸石轉輪+蓄熱式RTO工藝年運行費用均明顯高于預過濾+沸石轉輪+催化燃燒工藝。因此，各個船廠可根據各地方實施的排放控制標準及設備運營經濟性綜合考慮選擇，若更偏重于排放達標裕度，考慮遠期控制標準提升可以考慮預過濾+沸石轉輪+蓄熱式RTO工藝;若更偏重于在目前穩定達標前提下充分減少設備運營費用可以考慮預過濾+沸石轉輪+催化燃燒工藝。

經過對XX船廠分段涂裝在線監測數據分析，將入口濃度除以10形成排放達標分析圖如下（沸石轉輪+催化燃燒）：

經過對YY船廠分段涂裝在線監測數據分析，將入口濃度除以10形成排放達標分析圖如下（沸石轉輪+催RTO）：

6 結語

改善大氣環境、保護人體健康是未來環境治理的要求，也是船舶企業綠色制造、高質量發展的自身需求，本文針對船廠典型生產場景就有機廢氣VOCs主流治理工藝路線的適用性，優缺點結合各個船廠實際應用案例進行了分析，提出了建議，供業界參考。

參考文獻：

[1]李守信等.揮發性有機物污染控制工程[M].北京：化學工業出版社，2017.