活性炭吸附+RTO燃燒工藝在礦用設(shè)備噴漆生產(chǎn)線的應(yīng)用

高 尚，高 健

(1.陜西陜煤陜北礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000；2.煤炭綠色安全高效開(kāi)采國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心神南分中心，陜西 榆林 719000 3.陜煤集團(tuán)神南產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，陜西 榆林 719300)

0 引言

揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)是對(duì)環(huán)境和人體健康都具有嚴(yán)重危害的一種污染物[1]，其不僅嚴(yán)重?fù)p害人體健康，而且是造成全球氣候變暖的主要因素之一，同時(shí)還是造成光化學(xué)煙霧及霧霾現(xiàn)象的前驅(qū)體[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)VOCs排放總量已超過(guò)3 000萬(wàn)t/a[3]，且來(lái)源廣泛[4]，涉及行業(yè)較多[5]，造成的環(huán)境污染嚴(yán)重[6]。2019年生態(tài)環(huán)境部印發(fā)了《重點(diǎn)行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物綜合治理方案》，2020年陜西省生態(tài)環(huán)境廳印發(fā)了《陜西省2020年揮發(fā)性有機(jī)物治理攻堅(jiān)方案》，這些文件將工業(yè)涂裝列入了VOCs排放和治理的重點(diǎn)行業(yè)。因此，探索節(jié)能減耗、環(huán)保轉(zhuǎn)型的綠色涂裝技術(shù)，已經(jīng)成為行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。金屬涂裝污染主要來(lái)源于噴漆、烘干過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)溶劑揮發(fā)[7-8]。目前對(duì)涂裝廢氣較為常見(jiàn)的控制技術(shù)方法主要包括了漆霧分離、后續(xù)吸附、催化氧化等工藝，其中吸附技術(shù)由于其效率高、能效低、成本低的特點(diǎn)，是應(yīng)用最廣泛、最成熟的技術(shù)之一[9]。常見(jiàn)的吸附劑包括活性炭、沸石分子篩、礦物黏土等。催化氧化較為成熟的技術(shù)有蓄熱氧化(RTO)，催化燃燒(CO)及蓄熱催化氧化(RCO)等[10]。由于VOCs廢氣成分及性質(zhì)的復(fù)雜性和單一控制技術(shù)的局限性[11]，多種治理技術(shù)的組合工藝逐漸成為未來(lái)涂料廢氣處理的發(fā)展方向[12]，備受涂裝企業(yè)青睞，并應(yīng)用于生產(chǎn)線。我國(guó)是礦產(chǎn)資源大國(guó)，據(jù)《陜西省礦產(chǎn)資源報(bào)告》(2016年度)，截至2016年底，全省礦山數(shù)為4 288個(gè)，且礦業(yè)開(kāi)采集中，開(kāi)采強(qiáng)度大，對(duì)礦用設(shè)備的損耗量大。由于礦用設(shè)備維修工作完成后，需要進(jìn)行噴漆、烘干再入井使用。因此，各類礦用設(shè)備生產(chǎn)或維修后的噴涂產(chǎn)生的VOCs排放，也是制約礦業(yè)領(lǐng)域綠色發(fā)展的因素之一。由于國(guó)家環(huán)保要求不斷提高，噴漆、烤漆工作要在專用噴漆烤漆房?jī)?nèi)進(jìn)行，且產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)物要達(dá)到國(guó)家和地方排放標(biāo)準(zhǔn)，礦用設(shè)備維修企業(yè)需要建設(shè)噴漆生產(chǎn)線，用于滿足各類支架、三機(jī)、中部槽、采煤機(jī)等設(shè)備的外表面油漆噴涂生產(chǎn)需要。基于此，本文以礦用設(shè)備噴漆生產(chǎn)線VOCs廢氣治理為例，介紹了其生產(chǎn)線概況、VOCs治理工藝流程、設(shè)備選型及應(yīng)用效果，以期為礦用設(shè)備噴漆VOCs廢棄治理生產(chǎn)線建設(shè)提供參考。

1 礦用設(shè)備噴漆生產(chǎn)線項(xiàng)目概況

礦用設(shè)備噴漆生產(chǎn)線主要用于液壓支架底座、頂梁、掩護(hù)梁、連桿、側(cè)護(hù)板、推桿、片幫、前梁、立柱、千斤頂?shù)韧獗砻娴膰娖帷⒑娓伞娖嵘a(chǎn)工藝流程為工件運(yùn)入→預(yù)熱→底漆噴涂→底漆流平→底漆烘干→平移車(chē)→面漆噴涂→面漆流平→面漆烘干→強(qiáng)冷→下件。

1.1 噴漆生產(chǎn)線概況

礦用設(shè)備噴漆生產(chǎn)線整體為箱式結(jié)構(gòu)，設(shè)置有能夠自動(dòng)開(kāi)合的進(jìn)料門(mén)系統(tǒng)，中間設(shè)置隔離門(mén)系統(tǒng)，末端設(shè)置出料門(mén)系統(tǒng)，形成整套流水作業(yè)。工件使用平板車(chē)運(yùn)入，經(jīng)預(yù)熱室預(yù)熱，進(jìn)入底漆室噴底漆，后進(jìn)入流平室流平，再通過(guò)烘干室烘干，經(jīng)擺渡車(chē)運(yùn)輸至面漆室噴漆，再經(jīng)流平室流平，烘干室烘干，經(jīng)強(qiáng)風(fēng)冷卻后輸出成品。噴漆室廢氣采用活性炭吸附濃縮+RTO終處理的方式，為在線脫附方式，2臺(tái)噴漆室合用一套活性炭吸附催化凈化裝置，同時(shí)考慮底漆、面漆單線運(yùn)行的需求，烘干產(chǎn)生的有機(jī)廢氣通過(guò)廢氣引風(fēng)機(jī)將廢氣引到噴漆室廢氣中，經(jīng)活性炭吸附濃縮+RTO裝置焚燒處理后高空排放。燃?xì)馊紵龣C(jī)采用低氮燃燒機(jī)，氮氧化物NOx<50 mg/m3。

1.2 涂料類別

原漆主要由非揮發(fā)的固體分和有機(jī)溶劑等組成，涂料在噴涂前需要加入稀釋劑進(jìn)行調(diào)制。水性涂料的稀釋劑主要為水，溶劑型涂料稀釋劑主要為可揮發(fā)性有機(jī)化合物。涂料成分見(jiàn)表1。

2 活性炭吸附+RTO焚燒工藝

礦用設(shè)備噴漆生產(chǎn)線廢氣采用“活性炭吸附+RTO燃燒裝置”處理。生產(chǎn)線噴漆廢氣通過(guò)廢氣風(fēng)機(jī)送入干式過(guò)濾裝置，干式過(guò)濾裝置內(nèi)置初效G4、F5二級(jí)過(guò)濾，去除廢氣中未處理干凈的少量漆霧(去油漆漆霧)，達(dá)到進(jìn)活性炭吸附床的固體顆粒物潔凈要求。干式過(guò)濾裝置出口氣體通入放置有蜂窩狀活性炭的活性炭吸附床，與蜂窩狀活性炭充分接觸，利用活性炭對(duì)有機(jī)物質(zhì)的強(qiáng)吸附性將氣體凈化，處理后的氣體達(dá)標(biāo)排放。吸附床經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行后會(huì)達(dá)到吸附飽和，與此同時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟脫附再生系統(tǒng)，對(duì)活性炭進(jìn)行脫附再生，脫附出來(lái)的氣體通過(guò)RTO氧化分解生成二氧化碳、水和部分的熱量等無(wú)害氣體。

2.1 活性炭吸附+RTO焚燒工藝流程

主要包括有機(jī)廢氣吸附流程、活性炭脫附流程、電氣控制系統(tǒng)3部分。

2.1.1 RCOs廢氣吸附流程

待處理的有機(jī)廢氣由風(fēng)管引出后進(jìn)入過(guò)濾器，顆粒物及雜質(zhì)被過(guò)濾材料攔截，再進(jìn)入活性炭吸附床，氣體中的有機(jī)物質(zhì)被活性炭吸附而附著在活性炭的表面，從而使氣體得以凈化，凈化后的氣體再通過(guò)風(fēng)機(jī)排向高空，排放煙囪高度原則不低于15 m，具體高度由經(jīng)批復(fù)的環(huán)境影響評(píng)價(jià)文件確定。

2.1.2 活性炭脫附流程

當(dāng)吸附床活性炭吸附飽和后，脫附氣體首先經(jīng)過(guò)RTO裝置，在燃燒機(jī)加熱的作用下，使氣體溫度加熱到800 ℃左右，使有機(jī)物質(zhì)氧化分解為CO2和H2O，同時(shí)放出大量的熱量，一部分進(jìn)入吸附床對(duì)活性炭進(jìn)行脫附再生，另一部分直接排放。

2.1.3 電氣控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)、加熱器、溫度、閥門(mén)進(jìn)行控制，當(dāng)系統(tǒng)溫度達(dá)到預(yù)定的氧化溫度時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止燃燒器的加熱，當(dāng)溫度不夠時(shí)，系統(tǒng)又重新啟動(dòng)燃燒器，使氧化燃燒溫度維持在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶送猓到y(tǒng)中還有阻火器，可有效地防止火焰回串，確保系統(tǒng)安全。

2.2 活性炭吸附+RTO焚燒裝置設(shè)備選型

2.2.1 過(guò)濾裝置

廢氣中含有一定量的漆霧，為了防止漆霧進(jìn)入到活性炭吸附凈化裝置，影響吸附效果，過(guò)濾材料采用合成纖維無(wú)紡布和鋁復(fù)合物制成褶皺狀，具有通風(fēng)量大、阻力小、容塵量大的特點(diǎn)。

2.2.2 活性炭吸附裝置

吸附箱采用碳鋼制作，外涂油漆，內(nèi)部裝有一定量的活性炭，并設(shè)置高溫檢測(cè)裝置，當(dāng)含有機(jī)物的廢氣經(jīng)風(fēng)機(jī)的作用經(jīng)過(guò)活性炭吸附層(整齊堆放)，有機(jī)物質(zhì)被活性炭特有的作用力截留在其內(nèi)部，潔凈氣體排出；經(jīng)過(guò)一段時(shí)間活性炭吸附飽和時(shí)，停止吸附。活性炭吸附技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 活性炭吸附技術(shù)參數(shù)Table 2 Technical parameters of activated carbon adsorption

2.2.3 RTO燃燒裝置

RTO燃燒裝置包括主體室、陶瓷蓄熱體、風(fēng)向切換閥、風(fēng)壓檢測(cè)裝置及燃燒器。RTO燃燒裝置技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 RTO技術(shù)參數(shù)Table 3 Technical parameters of RTO

主室體：外板為6 mm鋼板，外設(shè)加強(qiáng)筋，殼體無(wú)縫焊接；主室體內(nèi)襯防火材料內(nèi)設(shè)蓄熱陶瓷體和格柵等；整體裝置外表面溫度不超過(guò)室溫15 ℃。

RTO陶瓷蓄熱體：每個(gè)蓄熱室裝有一定量陶瓷蓄熱體，且每個(gè)蓄熱室的側(cè)面安裝有溫度傳感器，用來(lái)檢測(cè)廢氣進(jìn)口和陶瓷換熱后廢氣溫度的情況，同時(shí)在主體設(shè)備的進(jìn)出管路上安裝有壓力傳感器，以監(jiān)測(cè)填料的阻力變化，并在阻力超高時(shí)提供安全報(bào)警，進(jìn)出管路的壓力是啟動(dòng)燃燒程序的條件。

風(fēng)向切換閥：由于風(fēng)向快速切換閥性能的好壞對(duì)RTO設(shè)備的運(yùn)行非常關(guān)鍵，因此系統(tǒng)中風(fēng)向切換閥要求，切換閥精度高，泄漏量小(≤1%)，壽命長(zhǎng)(可達(dá)100萬(wàn)次)，啟閉迅速(1 s)。風(fēng)閥氣動(dòng)執(zhí)行器設(shè)有限位開(kāi)關(guān)，顯示閥門(mén)的位置并反饋信號(hào)。為確保風(fēng)閥工作穩(wěn)定，配備有儲(chǔ)氣罐穩(wěn)壓。

風(fēng)壓檢測(cè)裝置：RTO裝置的主進(jìn)風(fēng)管上配備風(fēng)壓檢測(cè)裝置，確保主風(fēng)管的微負(fù)壓，避免廢氣外溢；爐膛按照壓力檢測(cè)裝置，防止?fàn)t膛超壓危險(xiǎn)。

燃燒器：主件為機(jī)體、馬達(dá)、葉輪、電磁閥、風(fēng)門(mén)控制器、旋流板、火焰監(jiān)測(cè)器、火焰筒、自動(dòng)點(diǎn)火變壓器、程序控制器；使用燃料天然氣(熱值8 000 kcal/h，表壓10～30 kPa)。

2.2.4 控制系統(tǒng)

系統(tǒng)控制面板采用觸摸屏，可顯示設(shè)備運(yùn)行主要參數(shù)及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，出現(xiàn)異常情況可報(bào)警及自動(dòng)停機(jī)，具有啟動(dòng)、運(yùn)行、停機(jī)等功能。設(shè)備可采用自動(dòng)、手動(dòng)2種控制方式，自動(dòng)控制具有自動(dòng)啟動(dòng)、運(yùn)行、停機(jī)及連鎖功能；手動(dòng)控制用于裝置調(diào)試及維修。

催化脫附再生裝置具備溫度過(guò)熱保護(hù)，若系統(tǒng)處于自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，不會(huì)因停電造成系統(tǒng)退出運(yùn)行，但可根據(jù)工藝條件退出運(yùn)行。

設(shè)備具有自動(dòng)和手動(dòng)兩種操作方式。當(dāng)采取自動(dòng)工作方式時(shí)，設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行；當(dāng)采用手動(dòng)工作方式時(shí)，可根據(jù)需要隨意啟閉任一密閉閥。可根據(jù)工況條件而改變吸附、再生周期及排氣時(shí)間程序。設(shè)備帶有觸摸屏顯示器，具有顯示廢氣溫度、故障報(bào)警等功能。

3 應(yīng)用效果

該生產(chǎn)線自使用以來(lái)，運(yùn)行穩(wěn)定。根據(jù)2021年2次廢氣監(jiān)測(cè)結(jié)果，顆粒物平均為6.2 mg/m3，氮氧化物及二氧化硫均未檢出，非甲烷總烴平均為3.44 mg/m3，二甲苯平均為0.076 9 mg/m3。廢氣排放達(dá)到國(guó)家及陜西省排放標(biāo)準(zhǔn)；噴漆廢氣采用干式過(guò)濾裝置去除漆霧，再與流平和烘干廢氣一并經(jīng)活性炭吸附濃縮+RTO燃燒裝置處理，揮發(fā)性有機(jī)物去除效率高，可確保達(dá)標(biāo)排放。

4 結(jié)論

(1)噴漆生產(chǎn)工藝流程為工件運(yùn)入→預(yù)熱→底漆噴涂→底漆流平→底漆烘干→平移車(chē)→面漆噴涂→面漆流平→面漆烘干→強(qiáng)冷→下件。

(2)礦用設(shè)備噴漆室廢氣采用活性炭吸附濃縮+RTO終處理的方式，生產(chǎn)線噴漆廢氣進(jìn)入干式過(guò)濾裝置，去除漆霧，干式過(guò)濾裝置出口氣體通入活性炭吸附床凈化達(dá)標(biāo)排放。吸附床吸附飽和后自動(dòng)開(kāi)啟脫附再生系統(tǒng)，對(duì)活性炭進(jìn)行脫附再生，通過(guò)RTO氧化分解生成二氧化碳、水和部分的熱量等無(wú)害氣體。

(3)活性炭吸附+RTO燃燒工藝在礦用設(shè)備噴漆生產(chǎn)線的應(yīng)用具有運(yùn)行穩(wěn)定性好、處理效率高的特點(diǎn)，揮發(fā)性有機(jī)物處理效果好，可滿足清潔生產(chǎn)要求，在揮發(fā)性有機(jī)物廢氣治理方面具有借鑒意義。