1.前言
汽車塗裝生産過程中所産生的(de)揮發性有機化(huà)合物(wù)（簡稱VOCs）的(de)排放，是大(dà)氣污染防治的(de)重點，國家及地方環保部門針對(duì)汽車生産的(de)特殊性，出台了(le)越來(lái)越嚴格的(de)排放标準。2015版江蘇省《表面塗裝（汽車制造業）揮發性有機物(wù)排放标準》中明(míng)确規定：汽車塗裝生産線的(de)噴漆室和(hé)烘幹室應安裝VOCs污染治理(lǐ)設備，且烘幹室VOCs廢氣處理(lǐ)效率應當在90%以上，并對(duì)塗裝VOCs排放限值做(zuò)出了(le)明(míng)确規定（見表一）：
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項目 |
排氣筒排放濃度限值（mg/m3） |
VOCs最高(gāo)允許排放速率（Kg/h） |
污染物(wù)排放監控位置 |
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苯 |
1 |
0.6 |
車間或生産設施排氣筒 |
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甲苯 |
3 |
1.2 |
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二甲苯 |
12 |
3.6 |
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苯系物(wù) |
20 |
8 |
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TVOCs |
乘用(yòng)車 |
30 |
32 |
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其他(tā)車型汽車 |
60 |
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2.汽車塗裝VOCs排放概算(suàn)
汽車塗裝生産中的(de)VOCs來(lái)源于塗料中的(de)溶劑，主要通(tōng)過噴漆、油漆晾幹(水(shuǐ)性漆預烘幹)和(hé)烘幹工序産生排放。烘幹工序産生的(de)有機廢氣，由于VOCs濃度和(hé)溫度較高(gāo)，可(kě)直接進入焚燒爐(TNV)或者蓄熱(rè)式熱(rè)力焚化(huà)爐(RTO)處理(lǐ)，淨化(huà)率可(kě)達到98%以上。而噴漆室排出的(de)廢氣，由于風量大(dà)、VOCs濃度低、濕度大(dà)，常規的(de)漆霧過濾、吸附等工藝措施難以有效處理(lǐ)，目前,國内大(dà)多(duō)數的(de)汽車塗裝車間都不作處理(lǐ)，與晾幹區(qū)的(de)廢氣一起經集中排氣筒，直接高(gāo)空排放。
以生産節拍(pāi)爲16JPH，采取3C2B水(shuǐ)性漆工藝的(de)廂式商用(yòng)車塗裝爲例，中塗漆及底面漆爲水(shuǐ)性漆，罩光(guāng)清漆爲1K溶劑型。水(shuǐ)性漆預烘幹産生的(de)廢氣直排，清漆晾幹區(qū)的(de)排風補至噴漆室循環利用(yòng)，再與噴漆室的(de)廢氣一起經集中排氣筒排放；中塗及面漆烘幹區(qū)廢氣經RTO淨化(huà)處理(lǐ)後排放。 其VOCs排放速率概算(suàn)見表二；噴漆室風量及VOCs排放濃度概算(suàn)見表三：
表二 塗裝VOCs排放速率概算(suàn)
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項目 |
油漆溶劑含量 |
噴塗上漆率 |
塗層幹膜厚度(um) |
油漆密度 |
噴塗面積 |
單台噴漆耗量(Kg/h) |
小時(shí)噴漆耗量(Kg/h) |
區(qū)域VOCs排放速率 |
集中排氣筒VOCs速率 |
烘房(fáng)VOCs排放速率 |
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|
(g/ml) |
(m2) |
(Kg/h) |
(Kg/h) |
(Kg/h) |
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|
VOC% |
η |
d |
ρ |
s |
Q |
Qh |
噴漆室 |
晾幹區(qū) |
烘幹區(qū) |
|||
|
水(shuǐ)性中塗 |
15% |
80% |
25 |
1.3 |
40 |
1.53 |
24.5 |
2.1 |
0.6 |
1.0 |
36.6 |
0.24 |
|
水(shuǐ)性素色底漆(内表面) |
12% |
40% |
18 |
1.1 |
9 |
0.51 |
8.1 |
0.76 |
0.53 |
11.2 |
||
|
水(shuǐ)性素色底漆(外表面) |
12% |
80% |
18 |
1.1 |
40 |
1.125 |
18 |
1.21 |
||||
|
清漆（内表面） |
50% |
40% |
25 |
1.02 |
9 |
1.15 |
18.4 |
6.98 |
7.45 |
|||
|
清漆（外表面） |
50% |
80% |
40 |
1.02 |
40 |
4.08 |
65.3 |
17 |
||||
|
注：水(shuǐ)性中塗、水(shuǐ)性素色底漆VOCs揮發比例按噴漆室：預烘幹：烘幹區(qū)=45%：20%：35%計算(suàn)
清漆VOCs揮發比例按噴漆室：晾幹區(qū)：烘幹區(qū)=40%：25%：35%計算(suàn) |
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表三 噴漆室風量及VOCs排放濃度概算(suàn)
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項目 |
室體截面尺寸 |
風速 |
區(qū)域排風量 |
VOCs揮發速率 |
VOCs區(qū)域排放濃度 |
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|
長(cháng)(m) |
寬(m) |
m/s |
m3/h |
Kg/h |
mg/m3 |
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|
中塗噴塗段 |
中塗噴漆室 |
12 |
5 |
0.3 |
70000 |
2.1 |
30.0 |
|
中塗預烘幹 |
33.5 |
4.5 |
10 |
19000 |
0.6 |
31.6 |
|
|
水(shuǐ)性底漆噴塗段 |
水(shuǐ)性素色底漆(内表面)手工噴塗段 |
12 |
6 |
0.45 |
120000 |
0.76 |
6.32 |
|
水(shuǐ)性素色底漆(外表面)自動噴塗段 |
14 |
5 |
0.3 |
77000 |
1.21 |
15.71 |
|
|
水(shuǐ)性底漆預烘幹 |
33.5 |
4.5 |
10 |
19000 |
0.53 |
28.84 |
|
|
清漆噴塗段 |
清漆(内表面)手工噴塗段 |
9 |
6 |
0.45 |
92000 |
6.98 |
178.6 |
|
清漆(外表面)自動噴塗段 |
14 |
5 |
0.3 |
84000 |
17.0 |
||
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清漆晾幹段 |
31 |
3.5 |
0.1 |
7.45 |
|||
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集中排氣筒合計 |
481000 |
36.6 |
76.2 |
||||
根據概算(suàn)：集中排氣筒的(de)VOCs排放速率36.6Kg/h，排放濃度76.2mg/m3，均超過了(le)排放标準。其中清漆噴漆室及晾幹區(qū)的(de)VOCs排放量達到了(le)31.4Kg/h，占到了(le)排放總量的(de)86%。由此可(kě)見，即使采取水(shuǐ)性漆工藝，使用(yòng)常規配套的(de)溶劑型清漆，仍具有較多(duō)的(de)VOCs排放，爲了(le)達到排放要求，需要對(duì)清漆噴塗段的(de)廢氣進行淨化(huà)處理(lǐ)。
目前，對(duì)于大(dà)風量、低濃度的(de)有機廢氣，常規最有效的(de)方法是通(tōng)過蓄熱(rè)式熱(rè)力焚化(huà)爐（RTO）來(lái)進行處理(lǐ)。 其工作原理(lǐ)是：系統将有機廢氣加熱(rè)升溫至750℃以上，在燃燒室内停留0．7～1．0 s，使廢氣中的(de)有機污染物(wù)氧化(huà)分(fēn)解，成爲無害的(de)C02和(hé)H2O。廢氣燃燒産生的(de)熱(rè)量被蓄熱(rè)體“貯存”起來(lái)，用(yòng)于預熱(rè)新進入的(de)有機廢氣，從而節省廢氣升溫所需要的(de)燃料消耗，降低運行成本。RTO的(de)最大(dà)處理(lǐ)風量一般低于100000 m3/h，廢氣VOCs處理(lǐ)濃度爲1000～20000mg/m3，當廢氣濃度低于1500mg/m3時(shí)，廢氣燃燒産生的(de)熱(rè)量較少，設備需額外增加較多(duō)的(de)燃料消耗，用(yòng)于對(duì)新進入的(de)有機廢氣升溫。而需處理(lǐ)的(de)清漆噴塗段廢氣總排風量達到176000m3/h，VOCs濃度僅有178.6mg/m3，由此可(kě)見，RTO設備并不直接适用(yòng)于這(zhè)樣的(de)廢氣處理(lǐ)。
3 沸石轉輪濃縮系統在噴漆室廢氣治理(lǐ)中的(de)應用(yòng)
近年來(lái)，一種适合處理(lǐ)高(gāo)流量（大(dà)風量）、低濃度、高(gāo)濕度、多(duō)成分(fēn)VOCs廢氣的(de)淨化(huà)設備——沸石轉輪濃縮系統，在歐美(měi)及日本等經濟發達國家的(de)汽車塗裝廢氣處理(lǐ)方面取得(de)了(le)較多(duō)的(de)應用(yòng)和(hé)良好的(de)效果。
系統設備由兩大(dà)主要部分(fēn)所組成，即疏水(shuǐ)性沸石轉輪串連蓄熱(rè)式焚化(huà)爐。它的(de)工作原理(lǐ)是利用(yòng)沸石分(fēn)子篩所具備的(de)的(de)高(gāo)吸附性能，對(duì)有機廢氣進行吸附濃縮，再由RTO設備淨化(huà)處理(lǐ)濃縮後的(de)有機廢氣。
3.1 沸石分(fēn)子篩的(de)性能特點
沸石分(fēn)子篩是一種鋁矽酸金屬鹽的(de)多(duō)微孔晶體，由矽氧四面體和(hé)鋁氧四面體通(tōng)過共享氧原子相互連接形成骨架結構，其表面爲固體骨架，内部爲多(duō)微孔的(de)篩狀構造。内部孔穴之間有孔道相互連接，其孔徑相同，分(fēn)布非常均一，分(fēn)子篩依據其内部孔穴的(de)大(dà)小，可(kě)對(duì)分(fēn)子進行選擇性吸附。沸石分(fēn)子篩具有很大(dà)的(de)比表面積（300～1000m2/g），内部孔穴有強大(dà)的(de)庫侖場(chǎng)和(hé)極性，因此，對(duì)吸附質分(fēn)子的(de)吸附能力很強，遠(yuǎn)超過其他(tā)類型的(de)吸附劑，即使在較高(gāo)的(de)溫度和(hé)較低的(de)吸附質分(fēn)壓（或濃度）下(xià)，仍有很高(gāo)的(de)吸附容量，是一種高(gāo)性能的(de)分(fēn)離吸附材料。
通(tōng)過對(duì)沸石分(fēn)子篩進行表面改性，去除結晶中的(de)鋁原子，可(kě)消除其親水(shuǐ)的(de)極性，從而形成疏水(shuǐ)性沸石分(fēn)子篩。它不僅具有一般沸石分(fēn)子篩的(de)共性，在相對(duì)濕度達到80 %時(shí),都能保持幾乎不吸附水(shuǐ)的(de)特點，即使對(duì)于含水(shuǐ)的(de)空氣，也(yě)能夠選擇地吸附所需的(de)物(wù)質,并且吸附量幾乎不受影(yǐng)響。疏水(shuǐ)性沸石由無機氧化(huà)物(wù)組成，具有不可(kě)燃性，在900 ℃下(xià)焙燒2 h ,其結晶度仍保持不變，故熱(rè)穩定性極高(gāo)，可(kě)反複通(tōng)過加熱(rè)來(lái)實現脫附再生，并保證較長(cháng)的(de)使用(yòng)壽命。
3.2 沸石轉輪濃縮系統的(de)原理(lǐ)及構成
沸石轉輪濃縮系統的(de)關鍵部件是吸附輪（轉輪）, 轉輪由疏水(shuǐ)性沸石吸附介質與陶瓷纖維加工成波紋狀膜片，再卷制形成蜂巢狀的(de)圓筒形框架結構，其中部安裝有旋轉軸承。轉輪的(de)機械結構上，裝有耐VOCs腐蝕、耐高(gāo)溫的(de)材料制成的(de)氣體密封墊，将轉輪隔離成三個(gè)區(qū)域：吸附處理(lǐ)區(qū)、再生脫附區(qū)、冷(lěng)卻區(qū)。
全套設備主要由以下(xià)部分(fēn)組成：前置空氣過濾器、沸石轉輪、排氣風機、RTO焚化(huà)系統、熱(rè)交換器、自動控制系統。
目前，最大(dà)型号的(de)單隻沸石轉輪，廢氣處理(lǐ)量可(kě)達到100000m3/h，能夠将廢氣中的(de)VOCs濃度提高(gāo)5～20倍。
3.3 沸石轉輪濃縮系統工藝流程
3.3.1 廢氣的(de)除濕、前置空氣過濾處理(lǐ)：
沸石轉輪在吸附濃縮過程中，待處理(lǐ)廢氣的(de)相對(duì)濕度低于80%時(shí)，對(duì)VOCs的(de)吸附率可(kě)達到90%以上，當廢氣濕度大(dà)于90%時(shí)，吸附效率則下(xià)降至80%左右。
目前，國内汽車塗裝噴漆室采取水(shuǐ)旋處理(lǐ)的(de)濕式噴房(fáng)較多(duō)，其排出的(de)廢氣，相對(duì)濕度超過90%，因此在廢氣進入沸石轉輪之前，需要進行加熱(rè)除濕。同時(shí)，由于廢氣中含有少量漆霧等顆粒雜(zá)質，需進行漆霧過濾處理(lǐ)，避免影(yǐng)響轉輪的(de)吸附效率。
3.3.2 轉輪吸附濃縮VOCs與再生脫附：
通(tōng)過空氣過濾器後的(de)大(dà)流量的(de)低濃度有機廢氣被送至轉輪吸附區(qū)，轉輪可(kě)根據廢氣處理(lǐ)量，以1～6轉/小時(shí)的(de)速度持續緩慢(màn)旋轉。廢氣中含有的(de)VOCs被截留吸附在轉輪上的(de)沸石分(fēn)子篩内部，淨化(huà)後的(de)潔淨空氣則直接排放至大(dà)氣。轉輪持續旋轉吸附VOCs，逐漸趨向吸附飽和(hé)，當轉輪旋轉進入至脫附區(qū)時(shí)，脫附風機提供200℃左右的(de)高(gāo)溫熱(rè)空氣，穿過吸附飽和(hé)的(de)轉輪區(qū)域，将其中吸附的(de)VOCs脫附并帶走，轉輪從而恢複吸附能力。脫附後的(de)轉輪進入冷(lěng)卻區(qū)，經冷(lěng)卻空氣吹掃，恢複至常溫，再次旋轉至吸附區(qū) ，重新開始下(xià)一輪的(de)工作。
3.3.3 有機廢氣淨化(huà)處理(lǐ)：
轉輪吸附的(de)VOCs經脫附後，随脫附熱(rè)空氣送往RTO進行淨化(huà)處理(lǐ)。由于，脫附熱(rè)空氣風量僅爲5000～20000 m3/h，廢氣中的(de)VOCs被濃縮了(le)5～20倍，因此，需要最終處理(lǐ)的(de)有機廢氣具備了(le)濃度高(gāo)、風量小、溫度高(gāo)的(de)特點，能夠與烘幹室的(de)廢氣合并後進入RTO集中處理(lǐ)，VOCs的(de)淨化(huà)率可(kě)達到95%以上。RTO焚燒産生的(de)一部風熱(rè)能可(kě)用(yòng)于轉輪脫附空氣的(de)加熱(rè)；末端排放的(de)高(gāo)溫煙(yān)氣可(kě)進行餘熱(rè)回收，進一步做(zuò)到節能、環保。
4 沸石濃縮轉輪系統技術特點：
· 特别适用(yòng)于處理(lǐ)大(dà)風量、低濃度的(de)有機廢氣，淨化(huà)效率穩定、VOCs去除率達到90%以上。
· 轉輪低壓損、無吸附損耗、對(duì)于高(gāo)沸點的(de)揮發性有機氣體，也(yě)能夠能有效處理(lǐ)。
· 沸石轉輪由無機氧化(huà)物(wù)組成，具有不燃性，使用(yòng)安全。
· 轉輪熱(rè)穩定性極高(gāo)，反複通(tōng)過加熱(rè)脫附來(lái)實現再生，理(lǐ)論使用(yòng)壽命可(kě)達到10年左右。
· 濃縮後進入RTO處理(lǐ)的(de)廢氣風量小，故可(kě)以與烘房(fáng)共享一套RTO設備，減少了(le)設備投資，降低了(le)RTO運行能耗。
· 沸石轉輪可(kě)适應較高(gāo)濕度的(de)有機廢氣吸附，對(duì)于濕式噴漆室廢氣處理(lǐ)，可(kě)減少除濕的(de)設備投資及運行能耗。
· 可(kě)采取單隻或多(duō)隻轉輪并聯組合的(de)方式，以适應不同風量的(de)廢氣處理(lǐ)。
5 結束語
目前，國内的(de)北(běi)京奔馳、沈陽寶馬、大(dà)衆甯波、廣汽日産、北(běi)汽增城(chéng)等塗裝項目均開始使用(yòng)沸石濃縮轉輪系統對(duì)噴漆室廢氣進行處理(lǐ)，通(tōng)過使用(yòng)的(de)信息反饋，均達到了(le)設計要求。北(běi)汽鎮江、南(nán)京依維柯橋林(lín)、北(běi)汽昌河(hé)等新建塗裝項目，也(yě)規劃投入該設備。國内部分(fēn)設備制造企業，也(yě)開始具備了(le)沸石濃縮轉輪系統設備的(de)設計、安裝能力。
随著(zhe)國家對(duì)大(dà)氣污染防治的(de)要求越來(lái)越嚴格，汽車塗裝VOCs排放限值必然将逐年下(xià)調，對(duì)于塗裝噴漆室廢氣排放的(de)治理(lǐ)迫在眉睫。沸石濃縮轉輪技術，是現有技術條件下(xià)，處理(lǐ)大(dà)風量、低濃度、高(gāo)濕度有機廢氣的(de)最佳選擇，在汽車塗裝廢氣治理(lǐ)中的(de)應用(yòng)将會越來(lái)越廣泛。
來(lái)源：詳見《現代塗料與塗裝》2015年第8期
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