造船行業有機廢氣治理技術自控系統應用分析

張亞龍，柴靈芝，丁旭杰

（青島華世潔環保科技有限公司，山東 青島 264400）

隨著國家對環保要求的日趨嚴格，各地方的行業廢氣排放標準也陸續發布，山東省于2018 年4 月發布了《揮發性有機物排放標準 第5 部分：表面涂裝行業》（DB37/2801.5—2018），鐵路、船舶、航空航天和其他運輸設備制造業的排放標準為：揮發性有機物（VOCs）≤70mg/m3、苯≤0.5mg/m3、甲苯≤5.0mg/m3、二甲苯≤15mg/m3。為滿足國家及地方環保標準，某船舶重工公司需要升級改造現有有機廢氣治理設備。針對涂裝車間噴漆室有機廢氣風量大、濃度波動范圍大、直接排放污染環境、原有活性炭吸附裝置不能有效處理等問題，改造工程采用了適用于處理大風量、濃度波動范圍大的有機廢氣的沸石分子篩轉輪吸附濃縮+催化氧化工藝。涂裝車間每個車間的廢氣風量達80 000m3/h，兩個噴涂車間的廢氣風量共計160 000m3/h，廢氣處理前車間VOCs 最大排放濃度為1600mg/m3，廢氣處理后車間VOCs 排放濃度在20mg/m3以內。固化工段廢氣處理前VOCs 最大濃度為200mg/m3，固化工段廢氣處理后VOCs 排放濃度在8mg/m3以內，滿足山東省地方標準。

本文針對該工程項目廢氣濃度波動范圍大及固化時間長、能耗高等特點，制定了完善的自控程序，在達到排放要求的同時降低了低濃度固化工段設備的運行能耗，保障了高濃度噴涂工段設備的運行穩定性及經濟效益。

1 工況調研

1.1 VOCs 廢氣濃度分析

1.1.1 船體噴漆工序

每間噴漆車間每天油漆用量平均約為2800L，溶劑用量約為310L。涂裝作業一般是在20∶00—24∶00進行底漆統噴，此時可能會出現最大工況，噴漆時長為4—5h，然后進入漆膜固化階段，時長為8—10h。次日上午至中午會進行第二次噴漆，屬翻噴、補噴作業，涂裝面積會略有減少，因漆膜厚度變薄，油漆和溶劑用量會減少，噴漆時長約為2h，漆膜固化時長為4—6h。

晚班最大作業量：涂裝面積為3000—3500m2的統噴分段有2 個，噴漆工位有4 人，時長為6—7h，總噴涂面積為6000—7000m2，油漆用量約為2300L，溶劑用量約250L。按照每天噴漆6h，可以計算出廢氣平均濃度為460mg/m3。

晚班一般作業量：涂裝面積為2000—3000m2的統噴分段有2 個，噴漆工位有3—4 人，時長約為4h，總噴涂面積為4000—6000m2，油漆用量約為1500L，溶劑用量約為200L，廢氣平均濃度為477mg/m3。

白班一般作業量：涂裝面積為2000m2的翻板油漆分段有2 個，總噴涂面積為1000—1500m2，油漆用量為400—600L，溶劑用量40—60L，廢氣平均濃度為352mg/m3。

每天最大油漆用量約為2800L，溶劑用量約為310L，可計算出一天廢氣平均濃度為398mg/m3，現場實際檢測廢氣最大排放濃度為1600mg/m3。

1.1.2 船體固化工序

固化階段的廢氣排放濃度隨著時間的推移而逐步減小，即從噴漆段的平均濃度398mg/m3降低至32.9mg/m3，甚至更低。

1.2 工況特點分析

船體噴漆工序：車間廢氣排放濃度高，廢氣治理設備減排負荷高；工段持續時間短，通常不超過7h；催化氧化爐（CO）運行溫度高，催化劑存在超出耐溫溫度風險。

船體固化工序：車間廢氣排放濃度低，廢氣治理設備減排負荷低；CO 運行溫度低，熱源電加熱持續滿負荷運行，運行能耗高。

2 工況現狀分析

2.1 沸石分子篩轉輪吸附濃縮+催化氧化工藝特性及原理

廢氣末端凈化技術設備主要采用沸石分子篩轉輪濃縮+催化氧化工藝，利用沸石比表面積大，以及不同溫度條件下范德華力不同的基本原理進行應用設計。當處在低溫條件時，廢氣通過沸石分子篩轉輪，VOCs 分子被吸附在其表面，經過吸附的氣體可直接排放，吸附VOCs 分子的沸石轉輪進入高溫脫附區，利用小風量的高溫廢氣將吸附的VOCs 分子脫附出來，形成高濃度廢氣，送入后端的廢氣氧化系統進行催化氧化處理，處理后達標排放。

沸石分子篩轉輪吸附濃縮+催化氧化設備工作原理見圖1。

圖1 沸石分子篩轉輪吸附濃縮+催化氧化設備工作原理圖

2.1.1 VOCs 前端收集系統

車間VOCs 排風口不變，新增風量調節閥門，采用“總風量+定靜壓控制法”的方式來控制原有車間的排風量和匯總后的排風量，以保證排風穩定、濃度可控。

2.1.2 多級顆粒物過濾系統

取樣檢測車間排放廢氣中含有的固體顆粒物濃度，分子篩對廢氣中的顆粒物濃度及粒徑有嚴格要求，因此應在沸石轉輪前設置過濾器。具體為：在收集管道風口配置可快速更換且成本低的漆霧過濾器，在轉輪前配置多級成套的中高效過濾器，過濾器對氣體中0.5μm 以上的粉塵的凈化率≥99%。

2.1.3 沸石分子篩轉輪濃縮單元

廢氣經過濾后進入沸石轉輪完成吸附過程。沸石轉輪分成三個區域：（1）吸附區域：占整個面積的5/6，有機氣體被吸附在蜂窩沸石中，潔凈氣體被排出；（2）脫附區域：占轉輪面積的1/12，利用高溫熱風將分子篩微孔中的VOCs 揮發出來；（3）冷卻區域：占轉輪面積的1/12，將廢氣進行冷卻，冷卻后的廢氣通過與換熱器換熱至200℃后進入脫附區域，形成脫附氣體，然后進入CO 的催化燃燒單元進行處理。

2.1.4 催化氧化單元

經過分子篩轉輪吸附—脫附—濃縮的高濃度VOCs，通過催化氧化分解成二氧化碳（CO2）和水，最終達標排放。同時，催化氧化分解產生的熱量可降低系統熱能消耗量，當到達一定的濃度范圍，催化氧化釋放的熱量不僅能滿足CO 催化氧化單元自身運行需求，還能提供系統脫附預熱所需的換熱熱量。

2.2 運行方案分析

調整車間噴漆節拍，一個噴漆房噴漆時，另外一個噴漆房固化，保證了廢氣排放濃度的相對穩定及末端廢氣治理設備的連續穩定運行，控制廢氣治理設備入口濃度峰值不超過1300mg/m3。通過圖2 中排放濃度曲線，計算出一天的廢氣平均濃度約為395mg/m3，此數值和核算的平均濃度（398mg/m3）基本吻合，運行模式可行。

圖2 調整生產后噴房濃度變化曲線圖

3 運行問題分析

3.1 船體噴漆工序

車間噴涂產生的VOCs 濃度高，導致了轉輪濃縮廢氣濃度高，進而使催化氧化分解過程產生的熱量超過系統運行所需熱量，富余的熱量大部分蓄積在催化劑的陶瓷基材和蓄熱陶瓷上，少部分通過換熱器預熱濃縮后的廢氣，并且隨著預熱溫度的累積增加，最終會達到并超過催化劑耐受溫度，導致催化劑存在失活損壞的風險。

3.2 船體固化工序

轉輪脫附廢氣濃度低，VOCs 氧化分解釋放的熱量不足以支持系統運行所需熱量，熱源電加熱需滿負荷運行，運行能耗高。

4 解決技術方案

4.1 前端收集系統濃度削峰

（1）在兩個噴漆房側面增加多個收集口及調節型閥門，收集原理見圖3，廢氣經過閥門后進入匯總管道，通過廢氣匯總管道分配至兩套廢氣治理設備，從而達到兩個噴房混風后濃度削峰的目的。

圖3 前端收集系統

（2）兩個噴漆房工作節拍不一致，一個在噴漆，另一個在固化。調節兩個噴漆房的抽風量，同時根據入口濃度利用新風進行稀釋，風量匯總后平均分配至兩套轉輪。兩套轉輪各自配置相應的濃度檢測、溫壓調節、顆粒物預處理等工序。

4.2 不同生產模式設置保證運行穩定

生產模式設置為以下4 種：1#、2#車間同時噴漆；1#車間噴漆，2#車間固化；2#車間噴漆，1#車間固化；1#、2#車間同時固化。

通過選擇以上模式來匹配不同控制參數達到以下目標：

（1）通過調整兩個噴房前端閥門開度，同步調整兩套設備的吸附風機頻率、入口負壓來實現進入兩套設備的廢氣濃度相對均衡，從而保證運行穩定。

（2）利用入口濃度儀監測廢氣濃度，調整吸口新風調節閥開度，稀釋入口廢氣濃度在可控范圍內，并根據廢氣濃度分段調節沸石分子篩轉輪轉速，使不同廢氣濃度都能達到最佳吸附脫附效果，從而保證系統的高處理效率。

（3）通過入口濃度儀調節轉輪脫附風機頻率進而調節脫附風量，以達到最佳脫附效果。

（4）CO 入口新風閥根據CO 入口爆炸下限（LEL）濃度儀監測值分段設定開度，稀釋轉輪脫附廢氣濃度，以降低及控制進入蓄熱式催化氧化爐的廢氣濃度在安全值內，進而保證CO 運行安全及穩定。

4.3 不同工況及濃度下的節能控制

4.3.1 高濃度噴漆模式下的節能控制

根據入口濃度調節不同的風機頻率及風量，以達到運行中控制風量同時降低電機及電加熱能耗的目的。

4.3.2 固化模式下的節能控制

（1）監測到入口低濃度持續一定時間以上時，使系統進入節能模式，吸附風機、脫附風機按照最低設定值運轉。

（2）設置間歇脫附模式，CO 系統停止，沸石分子篩轉輪靜態吸附，吸附風機保持低頻率進行，根據吸附入口濃度累加計算吸附量，當吸附量達到設定值時，CO 系統啟動預熱，開始轉輪脫附，脫附2 圈后，CO 系統停止，繼續靜態吸附，循環往復，以達到最佳節能效果。

每天運行能耗情況見圖4。

圖4 每天運行能耗情況

5 結語

依靠可編程控制器（PLC）設定不同工況下程序的自控切換功能并設置異常聯鎖處置安全程序，解決了造船行業廢氣濃度波動大、VOCs 治理系統運行能耗高等問題，實現了不同濃度、不同生產模式的平穩切換和系統的穩定運行，處理效果可穩定達到排放要求且能耗達到理想水平。