涂裝車(chē)間有機(jī)廢氣治理研究

工業(yè)涂裝車(chē)間是工業(yè)產(chǎn)品制造業(yè)的耗能大戶和污染源。以汽車(chē)制造業(yè)為例，涂裝生產(chǎn)過(guò)程中的能耗占汽車(chē)生產(chǎn)總能耗的70%左右，同時(shí)涂裝車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的三廢也占到汽車(chē)生產(chǎn)過(guò)程中的85%以上，這里邊包含VOC（揮發(fā)性有機(jī)化合物），生產(chǎn)廢水，固體廢棄物等。這些物質(zhì)若不進(jìn)行必要的無(wú)害化處理，而肆意排放，將必然對(duì)環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的污染。在涂裝的三廢中以VOC的排量最大，最難處理，對(duì)環(huán)境的污染最為嚴(yán)重，越來(lái)越受到人們的重視。近年來(lái)伴隨著國(guó)家及地方性法規(guī)的不斷升級(jí)，各個(gè)科研機(jī)構(gòu)及企業(yè)針對(duì)涂裝行業(yè)的VOC治理方案也在不斷的進(jìn)步與完善，通過(guò)設(shè)備及工藝的提升，處理效果取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，使得VOC對(duì)環(huán)境的危害在逐步減少。

1涂裝有機(jī)廢氣的來(lái)源

目前，汽車(chē)涂裝所用的涂料主要由樹(shù)脂、助劑、顏填料、溶劑組成，其中成膜物質(zhì)主要包含樹(shù)脂、顏填料，溶劑主要起稀釋、混合、分散樹(shù)脂、顏填料的作用，使樹(shù)脂與顏填料充分混合、不凝聚，降低沉降速率。目前汽車(chē)涂料所使用溶劑的主要成份為苯、甲苯、乙苯、二甲苯、乙酸乙酯、乙酸丁酯等。涂料在噴涂、揮發(fā)、烘干過(guò)程中溶劑、助劑會(huì)逐漸揮發(fā)出來(lái)，形成有機(jī)廢氣（VOC）。在汽車(chē)涂裝過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)廢氣主要有噴漆廢氣和烘干廢氣，隨著涂料的種類(lèi)及涂裝方法的不同，揮發(fā)到空氣中的溶劑占涂料總用量的20%～80%。通過(guò)對(duì)汽車(chē)涂裝生產(chǎn)車(chē)間進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，在涂裝車(chē)間內(nèi)可檢測(cè)出15種有機(jī)物。這些有機(jī)廢氣排放到大氣中，在一定條件下通過(guò)光化學(xué)反應(yīng)，對(duì)臭氧層造成嚴(yán)重破壞，影響大氣質(zhì)量，同時(shí)若長(zhǎng)期在含有高濃幅度有機(jī)廢氣環(huán)境中工作，會(huì)損害人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)嚴(yán)重影響作業(yè)人員的健康。

2有機(jī)廢氣目前的主要處理方法

近幾年，從國(guó)家到地方，均越來(lái)越重視環(huán)境污染問(wèn)題，各個(gè)地方在依照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上均不同程度的頒布了針對(duì)涂裝行業(yè)的揮發(fā)性有機(jī)物排放控制標(biāo)準(zhǔn)，在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)部對(duì)VOC最高允許排放濃度及排放總量均作出嚴(yán)格要求。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格實(shí)施，促使相關(guān)企業(yè)對(duì)環(huán)保設(shè)施進(jìn)行改造及技術(shù)升級(jí)，并促進(jìn)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。目前涂裝行業(yè)針對(duì)有機(jī)廢氣比較常用的處理方式有以下幾種。

2.1活性炭吸附

活性炭吸附主要針對(duì)噴漆廢氣，利用活性炭比表面積（500～1700 m2/g）大，孔隙發(fā)達(dá)、表面官能團(tuán)豐富和活性高、具有優(yōu)異的吸附性能等特點(diǎn)，能夠?qū)⒂袡C(jī)溶劑蒸汽分子吸附在其表面，從而達(dá)到降低有機(jī)廢氣濃度的目的，是廢氣治理中應(yīng)用最廣泛的方式。

目前，在常用的活性炭吸附裝置中一般會(huì)設(shè)置過(guò)濾器和冷卻器，對(duì)廢氣進(jìn)行預(yù)處理，從而除去有機(jī)廢氣中的漆霧和水份，并將廢氣降低至適當(dāng)?shù)臏囟?，以保證活性炭不被堵塞，確保設(shè)備的安全性。預(yù)處理后的有機(jī)廢氣經(jīng)過(guò)活性炭吸附床，廢氣中的有機(jī)物分子會(huì)填充在活性炭表面的的孔穴中被吸附在表面，從達(dá)到有機(jī)廢氣分離的目的，實(shí)現(xiàn)凈化效果。由于活性炭吸附屬于物理去除法，活性炭的吸附效率會(huì)隨著吸附量的增加進(jìn)行衰減，當(dāng)吸附飽和之后，活性炭的孔隙會(huì)被有機(jī)分子堵塞，從而喪失吸附作用，這時(shí)就需要對(duì)活性炭進(jìn)行更換或者脫附處理，使之重新具備吸附效果。經(jīng)檢測(cè)，目前常用的活性炭的最高吸附效率為87%，經(jīng)活性炭吸附后，有機(jī)廢氣的濃度可降低30%～50%。此方法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、投資小、處理量大等優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用在噴涂量較小，濃度低，有機(jī)廢氣成分較為簡(jiǎn)單的噴涂環(huán)境中。

2.2UV光解

UV光解又稱(chēng)光氧催化氧化法，空氣中的氧分子吸收UV紫外線光束所攜帶的高能量離子后，將氧分子分解成為游離態(tài)氧（即癢離子），因游離態(tài)氧及其不穩(wěn)定，很榮翻譯與氧分子結(jié)合后產(chǎn)生臭氧。有機(jī)廢氣中的苯類(lèi)化合物在高能紫外線光束照射下，苯環(huán)分子中的C=C,C-H健在吸收能量后斷裂，與臭氧發(fā)生行反應(yīng)，生成低分子化合物，如CO2、H2O等，從而達(dá)到降低有機(jī)廢氣濃度的目的。UV光解廢氣處理方式具有投資費(fèi)用低、適用范圍廣、凈化效率高、操作簡(jiǎn)單、設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)，主要應(yīng)用在廢氣排放量較低、濃度較低的場(chǎng)合（如汽車(chē)補(bǔ)漆間）。

2.3低溫等離子法

低溫等離子法是利用等離子體內(nèi)部產(chǎn)生富含極高化學(xué)活性的特點(diǎn)，使用高壓放電裝置在放電時(shí)產(chǎn)生高能電子和離子，將空氣中的氧分子進(jìn)行分離，氧分子吸收能量后產(chǎn)生游離態(tài)的氧離子。有機(jī)廢氣中的苯，甲苯與游離氧基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，最終轉(zhuǎn)化為CO2和H2O等物質(zhì)，從而達(dá)到凈化廢氣的目的。此種方法具有適用范圍廣，凈化效率高，設(shè)備占地面積小的特點(diǎn)，適用于其他方法較難處理的有機(jī)廢氣體；但由于采用高壓放電裝置，在含水、含塵、有機(jī)廢氣濃度較高的密閉空間易發(fā)生爆炸，因而限制了其使用。

2.4吸附濃縮+催化燃燒法

“吸附+催化燃燒法”作為有機(jī)廢氣的處理方法分為吸附、脫附和催化燃燒三部分。有機(jī)廢氣通過(guò)吸附、脫附處理后，提高了濃度，通常會(huì)達(dá)到到1000 mg/m3以上，然后在催化劑的作用下，使有機(jī)廢氣中的碳?xì)浠衔镌谔囟ǖ臏囟认卵杆傺趸蒀O2和H2O等物質(zhì)，從而達(dá)到凈化空氣的目的。有機(jī)廢氣首先通過(guò)吸附床，使有機(jī)廢氣中的有害物質(zhì)被吸附床吸附，吸附凈化后的潔凈空氣高空排放。當(dāng)吸附床達(dá)到飽和后，采用80～100 ℃的氣體對(duì)吸附床進(jìn)行反向脫附，將有機(jī)廢氣從吸附床中脫離出來(lái)，同時(shí)使吸附床重新具有活性繼續(xù)進(jìn)行再次吸附處理。被脫附出來(lái)的高濃度有機(jī)廢氣在熱交換器的作用下預(yù)熱到200～400 ℃，后通過(guò)風(fēng)機(jī)將其送入燃燒室，在催化劑床的作用下有機(jī)廢氣分子和混合氣體中的氧分子催化分解，在催化劑的表面迅速分解成CO2和H2O，并放出大量的熱，從而達(dá)到凈化有機(jī)廢氣的目的。此種方法適用于涂料、橡膠、塑料、樹(shù)脂加工等大風(fēng)量，低濃度行業(yè)，能滿足地方環(huán)保法規(guī)要求。

2.5沸石轉(zhuǎn)輪濃縮加焚燒

沸石轉(zhuǎn)輪濃縮加焚燒主要分為沸石濃縮和RTO焚燒兩部分，首先是通過(guò)沸石轉(zhuǎn)輪吸附大風(fēng)量噴漆室廢氣中的低濃度VOC，然后采用小風(fēng)量高溫氣體將吸附在沸石轉(zhuǎn)輪上的VOC脫附出來(lái)，形成小風(fēng)量高濃度的VOC氣流，然后通過(guò)引風(fēng)機(jī)將脫附后的高濃度有機(jī)蒸汽送到RTO，有機(jī)蒸汽中的苯系物、烷烴類(lèi)分子在RTO內(nèi)被高溫氧化成CO2和H2O，達(dá)到凈化有機(jī)蒸汽的目的。

2.5.1沸石轉(zhuǎn)輪

沸石轉(zhuǎn)輪濃縮吸附是利用沸石分子具有晶體、多孔的結(jié)構(gòu)特征，將有機(jī)廢氣分子和空氣分子選擇性吸附后達(dá)到進(jìn)化空氣的目的。沸石分子表面為固體骨架，各個(gè)孔穴之間由孔道相互連接，氣體分子可由孔道穿過(guò)，由于孔穴的結(jié)晶特性，使得分子篩的孔道分布均勻，孔徑大小較為均一。氣體分子經(jīng)過(guò)孔道時(shí)，會(huì)根據(jù)晶體內(nèi)部孔徑的大小對(duì)分子進(jìn)行選擇性吸附，較大的分子被吸附在晶體表面，小分子經(jīng)過(guò)孔道成為潔凈空氣，因此沸石轉(zhuǎn)輪也被稱(chēng)為“分子篩”。沸石“分子篩”具有很大的比表面積，這些表面積主要在晶穴內(nèi)部，外表面積僅占總表面積的1％左右，因此具有極強(qiáng)的吸附功能，能夠有效吸附烴類(lèi)和烷烴類(lèi)等較小的極性較強(qiáng)的VOC類(lèi)有機(jī)物分子。沸石轉(zhuǎn)輪分為吸附區(qū)、脫附區(qū)和冷卻區(qū)，大風(fēng)量低濃度的有機(jī)蒸汽經(jīng)過(guò)吸附區(qū)后，有機(jī)分子被吸附在分子篩的表面，當(dāng)吸附到一定程度之后，用小風(fēng)量的高溫氣體進(jìn)行反向吹掃，將有機(jī)分子從分子篩中脫離出來(lái)，同時(shí)用部分低濃度的有機(jī)蒸汽對(duì)分子篩進(jìn)行降溫，通過(guò)以上步驟將有機(jī)蒸汽濃縮、分離，將大風(fēng)量低濃度的有機(jī)蒸汽轉(zhuǎn)變?yōu)楦邼舛?、低風(fēng)量的廢氣。沸石轉(zhuǎn)輪具有如下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、體積??；單位體積吸附量大，系統(tǒng)總處理風(fēng)量大；蜂窩結(jié)構(gòu)空氣阻力小、系統(tǒng)壓力損失低，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、使用壽命長(zhǎng)，能實(shí)現(xiàn)吸附，脫附的連續(xù)處理，適應(yīng)大風(fēng)量，連續(xù)作業(yè)場(chǎng)所。

2.5.2廢氣焚燒設(shè)備（RTO）

廢氣焚燒爐，是利用輔助燃料系統(tǒng)，把可燃的有害氣體的溫度提高到反應(yīng)溫度，從而使有害氣體分子發(fā)生氧化分解，達(dá)到氣體凈化目的的專(zhuān)業(yè)設(shè)備。廢氣焚燒爐按熱量回收方式的不同分直燃式廢氣焚燒爐（TNV）和蓄熱式廢氣焚燒爐（RTO），從節(jié)省能源的角度考慮，多采用蓄熱式廢氣焚燒爐。

蓄熱式廢氣焚燒爐有旋轉(zhuǎn)式和塔式之分，旋轉(zhuǎn)式RTO主體結(jié)構(gòu)由燃燒室、陶瓷填料床和旋轉(zhuǎn)閥等組成，整個(gè)燃燒室被分成12個(gè)截面（5個(gè)進(jìn)氣區(qū)，5個(gè)排氣區(qū)，1個(gè)反向吹掃區(qū)，1個(gè)過(guò)渡區(qū)），用1套帶有驅(qū)動(dòng)裝置的旋轉(zhuǎn)閥門(mén)調(diào)節(jié)氣流方向。來(lái)自生產(chǎn)過(guò)程中或沸石轉(zhuǎn)輪濃縮后的有機(jī)廢氣經(jīng)過(guò)進(jìn)氣區(qū)熱陶瓷媒介床后被加熱，到達(dá)到爐膛后燃燒分解為CO2和H2O，高溫氣體在吹掃區(qū)對(duì)媒介床進(jìn)行反向吹掃，將分解后的有機(jī)廢氣從排氣管排出，同時(shí)高溫氣體將另五個(gè)排氣區(qū)熱交換媒介床加熱，使陶瓷蓄熱體及爐膛維持在750℃。在旋轉(zhuǎn)切換閥的作用下，陶瓷媒介床的各個(gè)區(qū)循環(huán)切換，以達(dá)到連續(xù)運(yùn)行的目的。

塔式RTO分為兩塔式和三塔式，三塔式RTO采用三個(gè)獨(dú)立的燃燒室，低溫有機(jī)廢氣在引風(fēng)機(jī)的作用下進(jìn)入蓄熱室1的陶瓷介質(zhì)層，陶瓷釋放熱量后溫度降低，而有機(jī)廢氣吸收熱量后升至較高溫度，之后進(jìn)入燃燒室，在燃燒室中被高溫分解，被分解凈化后的高溫氣體離開(kāi)燃燒室，進(jìn)入蓄熱室2，釋放熱量溫度降低后排放，蓄熱室2的陶瓷在吸收高溫潔凈氣體釋放的熱量后，將熱量?jī)?chǔ)存起來(lái)將用于下個(gè)循環(huán)低溫有機(jī)廢氣加熱使用，蓄熱室3在這個(gè)循環(huán)中執(zhí)行吹掃功能。以上工作完成后，蓄熱室的進(jìn)氣與出氣閥門(mén)進(jìn)行一次切換，蓄熱室2進(jìn)氣，蓄熱室3出氣，蓄熱室1吹掃，再下個(gè)循環(huán)則是蓄熱室3進(jìn)氣，蓄熱室1出氣，蓄熱室2吹掃，如此不斷地交替進(jìn)行，各個(gè)蓄熱室獨(dú)立運(yùn)行。通過(guò)直接燃燒方式將廢氣加熱升溫至750～850℃，使其中的VOC氧化分解成為無(wú)害的CO2和H2O經(jīng)高空排放。

經(jīng)沸石轉(zhuǎn)輪濃縮、焚燒處理后，有機(jī)廢氣中的苯系物、烷烴類(lèi)有機(jī)物去除率可達(dá)到99％以上，廢氣排放符合國(guó)家及地方環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，熱交換效率可達(dá)到95％以上，是目前涂裝行業(yè)最理想的廢氣處理方式。

3減少有機(jī)廢氣的方案

隨著近幾年國(guó)家及各個(gè)地方對(duì)環(huán)境問(wèn)題的重新認(rèn)識(shí)，各個(gè)行業(yè)對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物排放的關(guān)注上升到了新的高度，各個(gè)地方頒布新的地方標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步控制VOC的排放，從而促進(jìn)涂裝行業(yè)從材料及施工工藝方面進(jìn)行的技術(shù)改革。

3.1新材料的應(yīng)用

由于涂裝行業(yè)的VOC來(lái)自于涂料，采用低揮發(fā)性涂料可有效降低VOC的排放量，近幾年各個(gè)涂裝供應(yīng)商通過(guò)技術(shù)升級(jí)，逐步開(kāi)發(fā)了高固含涂料（施工固體份在60%左右），將溶劑的使用量降低30%，VOC的排放量可降低35%-40%，目前已得到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，此種方法是節(jié)能減排的有效措施。

為了適應(yīng)排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷升級(jí)各個(gè)涂料供應(yīng)商也在積極開(kāi)發(fā)水性涂料，用水替代有機(jī)溶劑，VOC的排放濃度可降低至20 mg/m3以內(nèi)，目前涂料行業(yè)幾家實(shí)力較強(qiáng)的制造商PPG、巴斯夫等已成功開(kāi)發(fā)出了水性涂料，并已在汽車(chē)涂裝廠成功應(yīng)用，獲得了較好的效果[3]。同時(shí)針對(duì)涂裝車(chē)間內(nèi)部所使用的焊縫膠、車(chē)底涂料、防銹蠟等材料，各個(gè)行業(yè)也在積極進(jìn)行低排放研究，用無(wú)害化的水代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料中使用的DOP等有機(jī)溶劑，通過(guò)全過(guò)程的減排，實(shí)現(xiàn)真正意義上的綠色涂裝。

3.2新工藝

在通過(guò)材料降低VOC排放的同時(shí)，各個(gè)涂裝廠也在積極的通過(guò)工藝提升降低VOC排放量，通過(guò)噴涂方式的改革，將傳統(tǒng)的手工噴涂改為機(jī)器人靜電噴涂，同時(shí)通過(guò)開(kāi)門(mén)、開(kāi)蓋機(jī)器人的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)整車(chē)機(jī)器人全自動(dòng)噴涂，將油漆利用率提高由40%提高到75%-80%，有效降低單臺(tái)油漆使用量，以實(shí)現(xiàn)VOC減排60%以上。

在噴涂工藝上，將傳統(tǒng)的3C2B逐漸過(guò)渡到3C1B，再到水性漆的B1B2，通過(guò)水性漆B1B2工藝的實(shí)施，涂料用量節(jié)省約20%，設(shè)備運(yùn)行能耗降低約20%，VOC排放降低15%。

4結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，各個(gè)行業(yè)通過(guò)不斷的努力，無(wú)論是噴涂材料、工藝，還是廢氣治理設(shè)備均取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，對(duì)節(jié)能減排做出了突出的貢獻(xiàn)。涂裝車(chē)間作為有機(jī)廢氣的重點(diǎn)產(chǎn)生單元，越來(lái)越受到行業(yè)的重視，所以在節(jié)能減排的道路上，作為涂裝工藝技術(shù)人員應(yīng)該挖掘各方面的潛力從材料、工藝技術(shù)、設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)管理等各個(gè)方面入手，降低污染物的排放量，努力營(yíng)造綠色車(chē)間。同時(shí)工廠在設(shè)計(jì)之初，就應(yīng)該充分考慮環(huán)保措施，按照綠色工廠的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、建設(shè)，以造福后代。