汽車制造業VOCs治理能力提升改造實例分析

張培

廈門禎瑞明環保科技有限公司，福建廈門，361000

0 引言

揮發性有機物（VOCs）是指參與大氣光化學反應的有機化合物，包括非甲烷烴類（烷烴、烯烴、炔烴、芳香烴等）、含氧有機物（醛、酮、醇、醚等）、含氯有機物、含氮有機物、含硫有機物等，是形成臭氧（O3）和細顆粒物（PM2.5）污染的重要前體物[1]。汽車制造作為VOCs污染防治的重點行業，應建立健全以改善環境空氣質量為核心的VOCs污染防治管理體系，強化VOCs的排放控制。

1 汽車制造業VOCs來源及特點

汽車制造業VOCs主要來源于含VOCs原輔材料的使用，如表面涂裝作業中涂料調配、涂覆（含底涂、中涂、面涂、清漆）、流平、干燥/固化等環節。涂裝有機廢氣具有大風量、中高濃度的特點，以芳香烴、含氧烴等為主要排放污染物[2]，根據行業特征和環境管理要求，可采用非甲烷總烴、苯、甲苯、二甲苯等作為污染控制項目。

2 VOCs控制技術

2.1 源頭替代

推廣使用高固體分、水性等低VOCs含量的涂料，替代溶劑型涂料，從源頭減少VOCs產生。

2.2 工藝控制

對含VOCs的物料儲存、轉移和輸送等排放源實施監管，VOCs物料應儲存于密閉的容器、包裝袋、儲庫、料倉中，在非取用狀態時應加蓋、封口，保持密閉。推進使用先進生產工藝，重點推進配套使用“三涂一烘”“兩涂一烘”或免中涂等緊湊型涂裝工藝；推廣靜電噴涂等高效涂裝工藝，鼓勵企業采用自動化、智能化噴涂設備替代人工噴涂。提高廢氣收集率，采用全密閉集氣罩或密閉空間，除行業有特殊要求外，應保持微負壓狀態，并根據相關規范合理設置通風量。

2.3 末端治理

VOCs治理主要有蓄熱燃燒裝置（RTO）、蓄熱催化燃燒裝置（RCO）、吸附法、低溫等離子體法、光催化氧化法等[3-4]。RTO、RCO為燃燒法，廢氣中的VOCs燃燒分解為CO2和H2O，該方法對于成分復雜、濃度較高的VOCs廢氣治理效率較高。吸附法利用活性炭、硅藻土、硅膠、沸石和分子篩等吸附劑對工業廢氣中的VOCs進行吸附處理，是我國VOCs治理最常用的方法之一，適用于大風量、低濃度廢氣。低溫等離子體利用高壓脈沖放電產生OH等自由基和O等活性粒子，與VOCs發生反應，生成CO2和H2O，該方法成本低、操作方便，但穩定性差、凈化率低。光催化氧化法是使用催化劑，在一定光源條件下催化氧化各VOCs組分，使VOCs最終降解為CO2和H2O，該方法副產物少，但催化劑易失活、難以固定[5]。

3 某汽車零部件生產企業工程概況

3.1 公司概況

某汽車零部件企業主要生產鋁合金輪圈等汽車配件，采用“三涂一烘”涂裝工藝，輪圈涂裝車間生產工藝為：噴底漆→噴色漆→噴面漆→烘烤。主要設備包括3條機械自動靜電噴漆生產線，含9個噴漆房、4個烘干房。油漆種類包括底漆、色漆、面漆，使用時用稀釋劑調配。主要涂料成分見表1，噴漆室主要工藝參數見表2。

表1 主要涂料成分一覽表

表2 噴漆室主要工藝參數

3.2 改造前涂裝廢氣治理情況

截至2018年底，該企業涂裝廢氣分類分質進行處理，4股廢氣分別經4套廢氣處理系統，分別為：①低濃度廢氣，來源于修補間、蓋子（小工件）噴房，經1#噴淋塔+1-2#等離子光解一體機處理；②低濃度廢氣，來源于密閉涂裝車間換風廢氣，經2#噴淋塔+3-4#等離子光解一體機處理；③較高濃度廢氣，來源于調漆間、烘干房，經3#噴淋塔+5-8#等離子光解一體機處理；④高濃度廢氣，來源于噴漆房，經1-2#超氧納米微氣泡凈化機處理。

3.3 改造前涂裝廢氣排放情況

涂裝廢氣分別經4套廢氣處理系統處理后，由1個有機廢氣系統總排放，排氣筒高度為30m。根據2018年例行監測數據，監測工況為83%，有機廢氣排放量225337m3/h，二甲苯的平均排放濃度為1.22mg/m3，排放速率為0.274kg/h，非甲烷總烴的平均排放濃度為12.9mg/m3，排放速率為2.90kg/h，可以滿足《廈門市大氣污染物排放標準》（DB 35/323-2011）的排放控制要求（二甲苯排放濃度≤40mg/m3，排放速率≤2.2kg/h；非甲烷總烴排放濃度≤100mg/m3，排放速率≤42kg/h）；二甲苯的處理效率為55.6%～97.6%，非甲烷總烴的處理效率為60.7%～77.6%。按年工作6600小時計，二甲苯排放量為1.808t/a，非甲烷總烴排放量為19.140t/a。

3.4 改造前廢氣處理系統存在的不足

改造前，廢氣污染物雖符合當下的廢氣污染物排放控制要求，但是廢氣排放量大，廢氣處理效率不穩定，僅對低濃度廢氣的處理效果較好，隨著《廈門市大氣污染物排放標準》（DB 35/323-2018）的頒布和實施，污染物排放標準日益嚴格，且多套廢氣處理系統運行維護成本較高，基于不斷提高的環境保護要求，結合企業的實際情況，自2019年1月起，針對涂裝車間及廢氣處理系統，先后實施了一系列提升改造工作。

4 改造情況

4.1 涂裝設備改造

3條涂裝線噴房的涂裝設備陸續由靜電噴槍改造為旋杯靜電噴槍，使靜電作用與高速旋轉的離心力相結合，產生更好、更均勻的涂料顆粒，帶電荷的涂料顆粒被吸引到接地良好的輪圈工件上，從而帶來出色的表面質量和涂料傳輸效率，使產品整體表面涂層均勻，同時增加油漆利用率。

4.2 噴房改造

涂裝噴房由濕式噴房改為干式噴房，采用折流板和過濾材料等介質的物理攔截捕集漆霧顆粒，替代噴房內的噴漆水簾柜。通過干式噴房內循環，降低廢氣排放量，改造后廢氣設計最大排放量由36萬m3/h下降為12萬m3/h。

4.3 廢氣處理系統改造

考慮到RTO技術能處理不同組成成分、不同濃度的VOCs，對廢氣中固體顆粒不敏感、裝置使用壽命較長、維護工作量小、凈化率較高等優點，企業廢氣處理系統改造成RTO裝置。

先行增加一套RTO蓄熱燃燒裝置用于處理高濃度有機廢氣，后又于RTO設施前端新增一套沸石轉輪吸附濃縮裝置，并進行收集管道的整合、排氣筒位置調整，停用等離子體工業有機廢氣凈化機、等離子光解一體機、超氧納米微氣泡凈化機，至此，涂裝廢氣全部經過“沸石轉輪+RTO”裝置處理后經過一根30m排氣筒排放。

4.3.1 廢氣治理工藝介紹

（1）沸石轉輪工作原理。含VOCs廢氣進入沸石轉輪吸附凈化，脫附后的高濃度廢氣再通過燃燒裝置進行燃燒凈化。沸石轉輪分為吸附區、冷卻區及脫附區。吸附區吸附廢氣中的有機物，經過一段時間吸附后，沸石轉輪吸附區達到飽和狀態，轉輪按照一定的速度（每小時1～6轉）自動轉動進入冷卻和高溫脫附區域。凈化的空氣經熱交換器加熱再通過脫附區，帶走分子篩中的有機物，此時的VOCs濃度濃縮至10倍以上，風量大幅下降，脫附出來的廢氣屬于高濃度、小風量、高溫度的有機廢氣[6-7]。沸石轉輪的工作示意圖見圖1。

圖1 轉輪工作示意圖

（2）RTO。沸石轉輪脫附出來的廢氣引入RTO裝置進行燃燒凈化處理，并利用蓄熱體對待處理廢氣進行換熱升溫、對凈化后排氣進行換熱降溫。具體如下：沸石轉輪脫附的高濃度廢氣經阻火除塵器后進入蓄熱陶瓷熱交換器，和高溫高熱反應后儲存在蓄熱陶瓷內的高溫氣體進行能量間接交換，以預熱進口廢氣，此時廢氣的溫度得到第一次提升；具有一定溫度的氣體進入高溫氧化區，進行第二次的溫度提升，有機物利用自身氧化燃燒的熱量維持自燃（如廢氣的溫度未達到氧化溫度，則由燃燒器直接加熱補償至氧化溫度），在高溫下全部分解成無害的CO2和H2O，并釋放能量；凈化后的氣體再通過蓄熱陶瓷將熱能儲存在陶瓷內部，高溫尾氣經蓄熱體降溫后由風機引至排氣筒排放。每個蓄熱室依次經歷蓄熱-放熱-清掃等程序，連續工作[8]。固定式三室蓄熱燃燒工藝流程示意圖見圖2。

圖2 固定式三室蓄熱燃燒工藝流程示意圖

4.3.2 RTO技術參數

RTO裝置通常由蓄熱室、燃燒室和控制系統等組成，主要技術參數見表3。

表3 RTO 系統主要技術參數

5 改造后的效益

5.1 油漆單耗下降

噴漆設備改為旋杯靜電噴涂后，提高了涂料利用率，油漆單耗有所下降，根據生產數據統計，單位產品油漆（含稀釋劑）用量由0.209kg/件下降至0.178kg/件，消耗量下降14.8%。如表4所示。

表4 單位產品油漆（含稀釋劑）消耗量對比分析

5.2 廢氣排放量減少

涂裝噴房由濕式噴房改為干式噴房，通過干式噴房內循環，降低廢氣排放量，改造后廢氣設計最大排放量由36萬m3/h下降為12萬m3/h，實測廢氣排放量由22.5萬m3/h減少至9.7萬m3/h。

5.3 廢氣污染物減排

RTO裝置投入運行后，對處理系統進氣口和排放口的二甲苯、非甲烷總烴等指標進行監測。在滿負荷的工況下，二甲苯的平均排放濃度為0.3mg/m3，排放速率為0.051kg/h，非甲烷總烴的平均排放濃度為11.64mg/m3，排放速率為1.115kg/h，廢氣污染物排放可以滿足《廈門市大氣污染物排放標準》（DB 35/323-2018）的排放控制要求。

采用“沸石轉輪+RTO”裝置對有機廢氣進行處理，二甲苯的處理效率為91.4%，非甲烷總烴的處理效率為93.4%，處理效率可維持在90%以上，二甲苯的排放量由改造前的1.808t/a下降到0.337t/a，非甲烷總烴的排放量由改造前的19.140t/a下降到7.359t/a，實現了有機廢氣污染物減排。如表5所示。

表5 改造后有機廢氣處理效果

6 持續改進

企業后續將從原輔材料、無組織控制、環境管理等方面挖掘整改方向，進一步減少廢氣污染物排放，減少對周邊環境的影響。優化原輔材料：公司將在后續生產過程中積極采用清潔的原料，如替換二甲苯含量較高的稀釋劑等。加強無組織控制：涂裝車間密閉設置，車間內保持微負壓，改造雙重門、增設快速卷簾門，減少有機廢氣無組織逸散。加強環境管理工作：進一步完善含VOCs物料臺賬、環境保護設施臺賬、廢氣處理設施操作規程及信息公示，對生產過程中排放的污染物進行定期監測，判斷環境質量，評價環保設施及其治理效果，為防治污染和環境管理提供依據。

7 結論

某汽車零部件制造企業，噴漆設備改造為旋杯靜電噴涂后，可提高涂料利用率，單位產品油漆（含稀釋劑）用量由0.209kg/件下降至0.178kg/件，消耗量下降14.8%。涂裝噴房由濕式噴房改為干式噴房，通過干式噴房內循環，降低廢氣排放量，改造后廢氣設計排放量由36萬m3/h下降為12萬m3/h，實測廢氣排放量由22.5萬m3/h減少至9.7萬m3/h。采用“沸石轉輪+RTO”裝置對有機廢氣進行處理，二甲苯的處理效率為91.4%，非甲烷總烴的處理效率為93.4%，處理效率可維持在90%以上，廢氣污染物可穩定達標排放。