汽车涂装喷漆室有机废气净化技术方案及应用

我国汽车工业快速发展的同时，所带来的环境问题也日益受到关注。涂装车间的喷漆室废气通常采用高空排放，废气排放虽然满足国家标准，但VOCs浓度仍然较高，对生态环境造成很大的影响。随着更严苛地方排放标准的实施，这部分废气必须经过净化处理后才能排放。针对喷漆室废气大风量、低浓度的特点，对不同形式的喷漆室制定了可行的废气处理方案，并在实际项目中成功运用且满足地方排放标准。

0引言

随着国内经济的高速发展，人们对于汽车的需求也越来越大，从而引发汽车工业飞速发展，并逐渐成为重要的支柱产业。为了满足日益增长的汽车消费需求，各汽车厂商积极投入到扩大产能的行列中，希望抓住中国汽车行业发展的历史机遇，纷纷在各地上马建设整车项目。与此同时，人们对于环境尤其是空气质量的关注度越来越高，雾霾、PM2.5、AQI空气质量指数已成为天气预报不可缺少的内容，而年空气优良天数也成为各级政府工作业绩的重要考核指标。

涂装车间是整车项目中不可缺少的一部分，在汽车涂装过程中，由于需要使用涂料，通常被认为是一个污染大户，是产生污染物最多的一个环节[1]，包括废气、废水和废渣。因此，如何有效治理汽车涂装生产中的废气已成为亟待解决的重要问题。目前各地方政府都相继出台了针对汽车表面涂装中有机物排放标准以及挥发性有机物排污收费实施办法，在制度建立和经济效益两方面双管齐下，即从立法上确保企业必须减少挥发性有机废气的排放，做到合法排放;同时从经济利益角度引导企业主动减少排放。

1涂装车间喷漆室废气净化方案设计

1.1涂装车间有机废气概述

涂装车间产生有机废气的主要来源有喷漆室、挥发室和烘房。喷漆室和烘房废气的产生及排放见图1所示。烘房废气和喷漆室废气参数对比见表1。烘房废气的特点是风量小、浓度高，一般采用高温氧化焚烧处理，在高温条件下挥发性有机物氧化分解，产生的热量作为烘房所需的热源，净化后的空气可以达到国家和地方发布的排放标准。而喷漆室产生的有机废气由于风量大、浓度低，在满足国家法规的情况下一般都采用高空直接排放，从而造成严重的环境污染。近几年，许多地方政府相继出台了地方法规，对有机废气排放制定了更严苛的标准。为满足这些要求，部分喷漆室所排放的有机废气也必须进行有效治理。

1.2涂装车间喷漆室形式

汽车涂装车间通常采用的漆雾处理方式有2种，一种是传统湿式文丘里喷漆室，另外一种是干式或半干式喷漆室。

由于干式或半干式喷漆室在节能减排方面效果显著，近几年已被各厂家普遍选用。不同的喷漆室形式下，排风风量、温湿度、废气浓度以及排风中的颗粒物都有很大的区别，具体比较见表2。

而这些参数的不同对后续废气处理方案的设计会产生很大的影响。

1.3废气净化技术方案设计

1.3.1吸附材料选取

汽车涂装喷漆室废气具有风量大、浓度低的特点。如果采用直接燃烧处理，成本比较高，因此通常采用吸附的方法进行处理，即采用吸附转轮进行浓缩，浓缩后变为浓度高、风量低的气体，然后采用高温焚烧氧化处理。吸附材料目前有活性炭和分子筛沸石，这2种吸附剂的特性对比见表3。

活性炭一般适用于大部分VOCs的吸附净化，但在实际工业应用中，其对需处理的废气有较高的相对湿度要求，通常小于50%左右;而且活性炭存在再生困难、吸附性能受水气影响大、吸附饱和时在热气流再生过程中安全性较差、易发生火灾等缺陷。笔者所在单位在20世纪90年代末曾经试验过一套采用活性炭纤维的转轮，在调试过程中就发生设备自燃，也验证了活性炭在涂装车间喷漆室废气处理应用中并不适用。

沸石分子筛的特性为：有较强的疏水性，对原始废气的相对湿度要求较低，而且不可燃、耐温高、高温再生简单易行、维护方便。因此，非常适合用于处理汽车涂装车间的喷漆室和晾干室废气。

为了达到较理想的处理效率，沸石分子筛对所处理废气的相对湿度和温度通常有一定要求，图2为某沸石转轮制造厂商所提供的浓缩转轮试验数据覆盖图，蓝色区域为数据覆盖范围，同时也是厂家推荐使用工况，因此所处理的废气其相对湿度和温度要尽可能在蓝色区域范围内。

1.3.2废气燃烧处理装置

目前广泛采用的废气燃烧处理装置有蓄热式氧化炉RTO或热氧化炉TNV/TAR，本文主要以热氧化炉为例，典型的热氧化炉结构如图3所示。

从转轮脱附区过来的高浓度废气首先在热氧化焚烧炉内的光管式换热器内被高温洁净气体预先加热至450~500℃，然后流过燃烧器，最终进入燃烧室，加热到约730℃，使污染物氧化。此过程中需要的热能一部分由废气中的溶剂提供，根据废气中的溶剂含量，所需的补充热能以其他燃料如天然气形式供应。因燃烧室内存在相当大的湍流，经过一定滞留时间后有机污染物被氧化分解。热洁净气体流从反应室流入废气预热器中，预热器中的大部分热能换热到更冷的废气上。

1.3.3沸石转轮系统基本技术方案

采用沸石作为吸附介质的转轮系统组成如图4所示，来自喷漆室的废气首先经过过滤，因为废气中的颗粒物会堵塞沸石分子筛，从而影响吸附过程。因此在沸石转轮前需要安装空气过滤器，以去除这些颗粒，保护沸石分子筛。过滤系统的级别通常和喷漆室的形式有关。沸石转轮的作用是将有机废气从大风量浓缩到小风量中。浓缩后的小风量废气，可以高效地被热氧化炉焚烧处理。吸附的意思是有机溶剂分子在被称作“吸附介质”的“活性”物质上富集，类似于海绵，吸附介质将有机溶剂气体吸收进来。然后，通过高温小风量气流对其加热，将有机物分子温度升高至200℃左右，加剧其分子间的不规则运动，转轮无法继续捕捉后，有机物分子将随气流全部从转轮内部带出。

沸石转轮的基材由蜂窝状的陶瓷纤维片组成，而作为吸附介质的疏水性沸石采用特殊的烧结工艺覆盖在基材的表面，转轮的吸附和脱附是一个连续的运转过程，即转轮一直在旋转。因此它被分为了3个区域：吸附区、脱附区和冷却区，每个区域间相互隔离。含大部分VOCs的废气在经过转轮吸附区的时候被吸附在转轮上，变成洁净的气体排出。在脱附区域，附着在转轮上的VOCs被连续的高温脱附气体从反方向解吸出来。高浓度的VOCs气体从转轮上脱离后被送到焚烧炉高温氧化焚烧处理。

转轮中热脱附区接着被转到了冷却区，原先的小部分废气被引入到该区对转轮进行冷却处理，然后被送到脱附热交换器进行升温，在换热器中，这部分气体与焚烧炉出口的高温洁净气体进行热交换并成为高温的脱附气体。

2喷漆室废气处理技术方案应用

2.1干式喷漆室废气处理技术方案应用

以本公司在江苏省某工厂涂装车间为例，采用无中涂工艺，即水性色漆和双组分溶剂型清漆工艺，同时采用杜尔公司Dry-Scrubber石灰石干式喷漆室，由于车身内、外表面100%采用机器人自动喷涂，因此85%的空气循环使用，其喷漆室的排风浓度高于当地排放标准，必须处理后才允许排放。因此，针对转轮吸附浓缩和焚烧工艺在喷漆废气处理中的应用，设计了详细的方案。该车间的生产数据和排风参数见表4。

根据以上废气参数，经分析和理论计算，相关方案见图5和表5，经过计算选用2套直径为4250mm的沸石转轮，可以满足江苏地方排放标准。

由于来自干式喷漆室的废气颗粒排放小于0.1mg/m3，所以只要再经过2道过滤即F7和F9，即可去除废气中的颗粒物，确保颗粒物不会进入转轮而造成堵塞。然后这些大风量、低浓度的废气被沸石有效吸附处理后变为干净的气体，而吸附在转轮上的有机溶剂被高温气体脱附后变为高浓度、低风量的气体，通过高温焚烧氧化处理后转化为洁净气体进行排放。脱附后的沸石经过冷却后重新进入吸附区进行有机溶剂吸附。详细流程见图6所示。考虑到热交换器后的气体温度高于200℃，因此设计了余热回收装置，确保系统更加节能。

设备调试投入运行后，根据GB/T16157—1996和GB16297—1996对废气净化设备的进口浓度和处理后的洁净气体进行检测，检测因子包括非甲烷总烃、苯系物和TVOCs，检测时间为8h，取样3次/h，检测数据如图7~8所示。

进口面漆1线色漆和清漆废气中苯系物浓度范围为60~185mg/m3，进口面漆2线色漆和清漆废气中苯系物浓度范围为66~177mg/m3，经过废气净化装置处理后出口浓度范围为5.9~11.1mg/m3，苯系物平均去除效率>90%。

进口面漆1线色漆和清漆废气中TVOCs浓度范围为215~476mg/m3，进口面漆2线色漆和清漆废气中TVOCs浓度范围为256~445mg/m3，经过废气净化装置处理后TVOCs出口浓度范围为14.9~25.1mg/m3，TVOCs平均去除效率>90%。

从检测数据可以看出，经过处理后的洁净空气苯系物浓度小于20mg/m3，TVOCs浓度小于30mg/m3，均符合江苏省地方标准DB32/2862—2016《表面涂装(汽车制造业)挥发性有机物排放标准》中相关要求，标准限值见表6。

2.2湿式喷漆室废气处理技术方案

以本公司在上海某工厂涂装车间为例，由于该车间建设比较早，采用传统溶剂型工艺，漆雾经过文丘里水洗装置处理后通过70m高烟囱排放。虽然该喷漆室排放满足国家排放法规，但是无法满足2017年1月1日开始实施的地方排放法规要求，因此必须进行净化处理才能排放。针对转轮吸附浓缩和焚烧工艺在喷漆废气处理中的应用，做了详细的方案设计。该车间的生产数据和中涂、面漆排风参数见表7。

根据以上废气参数，经过转轮厂家的分析和理论计算，设计出废气治理方案(见图9)，相关计算见表8。

经过计算选用5套直径为4500mm的沸石转轮，可以达到当地地方排放标准。

来自湿式喷漆室的废气中颗粒物为3mg/m3，所以首先经过4道过滤，包括G4、F5、F7、F9去除废气中的颗粒物，以免这些颗粒物进入转轮造成堵塞。废气进入沸石转轮系统后，大风量、低浓度的废气被沸石有效吸附处理后变为干净的气体，而吸附在转轮上的有机溶剂被高温气体脱附后变为高浓度、低风量的气体，这部分高浓度的废气一部分被引入到转轮入口，以提高入口的废气浓度，这样可以减少焚烧处理设备的装机容量以及能源的耗量。通过高温焚烧处理后转为洁净气体进行排放，脱附后的沸石转轮经过冷却后重新进入吸附区进行有机溶剂吸附。

设备投入运行后进行了监测，入口NMHC平均浓度为135mg/m3，经过废气净化装置处理后排放平均浓度为0.6mg/m3，处理效率为>90%。从检测数据可以看出，经过处理后的洁净空气NMHC浓度小于30mg/m3，均符合上海地方标准DB31/859—2014《汽车制造业(涂装)大气污染物排放标准》中相关要求，标准限值见表9。

3结语

为了保护生态环境，实现经济社会的可持续发展，需要在工业生产中的各环节都尽量减少污染物使用量，同时在污染物排放末端要进行净化处理，以尽量减少污染物排放。采用本方案对涂装车间喷漆室的废气进行处理后，设备运行稳定可靠，大大减少了VOCs排放总量，具有较大的社会效益。