來源:《汽車實用技術》 作者:潘辰
摘要：在汽車涂裝生產線中，廢氣主要產生于烘干室、噴漆室及晾干室區域。汽車涂裝廢氣成分復雜，種類繁多。目前采用較多的治理技術主要有：直接燃燒法、催化燃燒法、液體吸附法、活性炭吸附法等。在大量的實踐應用中以上方法均存在處理效果不好、使用安全性不高等問題。近年來，汽車涂裝廢氣開始采用沸石濃縮轉輪配合蓄熱式焚燒爐的方法治理。文章主要探討介紹沸石濃縮轉輪技術在汽車涂裝廢氣治理上的應用。
前言
VOCs是揮發性有機化合物的總稱，主要是指在正常狀態下蒸氣壓大于0.1mmHg、沸點低于260℃的揮發性有機化合物，其廣泛存在于石化、汽車噴涂、印刷等領域，其中化工涂料占絕大部分。VOCs中含有大量致癌物質如：甲苯、二甲苯、對-二氯苯、乙苯、苯乙烯、甲醛、乙醛等。VOCs在太陽光和熱的作用下能與大氣中NOx等經過復雜的化學、光化學作用，形成光化學煙霧，是灰霾源的主要來源。
VOCs的控制和治理，將會成為未來環保產業發展的重要方向，繼PM2.5之后,VOC將成為下一階段大氣污染防治部門強調的重點。主要有以下措施：
(1)環保重點城市開展VOCs監測，并逐步在全國推廣;
(2)嚴格控制工業VOCs排放。重點加強石化行業生產過程排放控制，推進燃料油和有機溶劑輸配及儲存過程的油氣回收，減少泄露;
(3)鼓勵溶劑和涂料使用類企業使用水性、低毒或低揮發性的有機溶劑;
(4)建設有機廢氣回收利用與治理設施，完善有機廢氣收集和處理系統。
1汽車涂裝業VOCs現狀
汽車涂裝是汽車制造過程中“三廢”較多的環節;涂料中含有VOCs，但不釋放VOC;涂料在涂裝過程中，70%的VOCs將揮發;一條大型的車身涂裝線每年排放的氣體污染物總量可能高達數百噸。目前汽車涂裝主要排氣點如下：
(1)噴漆室廢氣
勞動安全衛生法規定，涂裝工廠噴漆室的風速度應控制在0.25～0.35m/s的范圍，排出廢氣為噴漆揮發的有機溶劑，主要成分為甲苯、二甲苯等，還含有少量未處理完全的漆霧，危害物質為微量的苯、甲苯和二甲苯。其中二甲苯在廢氣中含量較高，對眼睛及上呼吸道有刺激作用，高濃度時對中樞神經系統有麻醉作用;同時二甲苯在大氣中主要通過光解進行轉化，轉化速度慢，滯留大氣時間相對較長，所以涂裝車間通常以二甲苯排放濃度和排放速率作為對環境影響的主要依據。
(2)晾干間廢氣
中涂、面漆的濕漆膜在晾干過程中有機溶劑進行揮發，為防止晾干間的有機溶劑聚集發生爆炸事故，晾干間應進行送排風，風速一般控制在0.2m/s左右，排風廢氣的成份與噴漆室排風廢氣的成份相近，但沒有漆霧，有機廢氣的總濃度比噴漆室廢氣偏大，通常與噴漆室排風混合后集中處理。調漆間、廢水處理間也有類似晾干間的有機廢氣排放。
(3)烘干室廢氣
電泳涂料與中涂面漆烘干均有廢氣排出，烘干廢氣的成分包含有機溶劑、樹脂固化、熱分解生成物等成份。電泳烘干廢氣中的總有機物濃度一般在500～1000mg/m3，中涂面漆烘干廢氣的主要組成為有機溶劑，烘干廢氣中總有機物濃度一般在2500mg/m3左右，都超過了CB16297-1996《大氣污染綜合排放標準》的廢氣濃度限值要求，必須處理達標后才能排放。電泳涂料烘干廢氣的有機物濃度雖然比面漆烘干廢氣低一些，但其惡臭物質，如甲乙酮肟的濃度更大，嗅覺更易察覺，更應該進行處理。
2沸石濃縮轉輪處理汽車涂裝VOCs技術
2.1沸石的概念
沸石是一種多孔性骨架型硅鋁酸鹽，選擇吸附、高效吸附，可作為離子交換劑、吸附分離劑、催化劑;內部的孔穴對大小不同的分子可進行選擇性吸附，通過改性得到新型的人造沸石，新型復合材料由于較高的空隙率、好的化學穩定性，可調的孔結構和高的比表面積(介孔壁上附有微孔)，大為提高了吸附VOC的能力。沸石在介孔孔壁上存在微孔結構，微孔對低濃度甲苯顯示出了良好的吸附性能，這是因為沸石的孔徑更大，在有序的介孔壁上附有微孔，這些結構上的差異使沸石的傳質阻力非常小，從穿透點到吸附飽和之間的時間要短，吸附速率更快。沸石的比表面積為1126m2/g，平均孔徑更大，介孔壁上附有微孔，因此傳質阻力小，吸附有機物速率更快，微孔和介孔共存的特點，平均孔徑大，對大分子和高濃度的VOCs具有更好的吸附能力。
2.2沸石的制備
將6g三嵌段共聚物P123溶于225mL1.6mol?L-1的鹽酸溶液中,攪拌至溶解，將溶液轉入40℃水浴中，600r?min-1下攪拌10min后逐滴加入13.8mL正硅酸乙酯(TEOS)，滴定完成后，繼續攪拌24h，移入聚四氟乙烯內襯的晶化釜，100℃晶化24h后，冷卻、抽濾、洗滌、烘干，以2℃?min-1的速率升至500℃，在該溫度下焙燒5h去除模板劑，得到沸石。結構中含有大約20%的水分，因水分會受熱而失去，溫度降低而再吸收，使得它在水中煮沸時會冒泡泡，故以希臘語“ZEO”(沸騰)和“litos”(石頭)命名稱為Zeolite(沸石)。1立方微米的這種“超級旅館”內竟有100萬個“房間”!的這些房間能根據“旅客”(分子和離子)的性別、高矮、胖瘦、嗜好的不同自動開門或擋駕，絕對不會讓“胖子”到“瘦子”的房間去，也不會使高個子與矮個子同住一室。根據沸石的這一特性，人們用它來篩選分子，獲得很好的效果。這對在工業廢液中回收銅、鉛、鎘、鎳、鉬等金屬微粒具有特別重要的意義。
2.3沸石與活性炭吸附的比較
活性炭成本較低，但存在壽命短、不穩定、受水氣影響大、難脫附高沸點有機物、熱氣流再生過程中易發生火災等缺點。
沸石具有均勻微孔，其孔徑與一般有機分子大小相當，具有耐高溫、不可燃、良好的熱穩定性和水熱穩定性等優點。
2.4沸石吸附的后續處理
涂裝廢氣采用沸石轉輪吸附+蓄熱式燃燒方式，配用蓄熱式焚化爐更高效、節能。蓄熱式焚化爐(RTO)：廢氣經過一級換熱器至460～500℃，如此可減少焚化爐之燃料消耗量，直燃式焚化爐一般操作溫度約為730～760℃，利用高溫將VOC廢氣燃燒反應成CO2及H2O轉輪為蜂窩狀結構，參見圖2。轉輪吸附材料是可以吸附有機溶劑的疏水性分子篩。
轉輪被分為3個區域即處理區、冷卻區和再生區，轉輪在一個電機帶動下旋轉，旋轉速度1-6轉/小時。轉輪為蜂窩狀結構，參見上圖圖2。轉輪吸附材料是可以吸附有機溶劑的疏水性分子篩。轉輪被分為3個區域即處理區、冷卻區和再生區，轉輪在一個電機帶動下旋轉，旋轉速度1-6轉/小時。含有機溶劑的氣體從處理區流過后變成相對干凈的空氣，其有機溶劑含量可降至50mg/m3以下，達到國家環保排放要求。部分含有機溶劑的空氣在再生風機的作用下從冷卻區流過后，被再生加熱器加熱到180℃左右，然后流過轉輪的再生區。當再生空氣流過轉輪時，吸附在轉輪上的有機溶劑在高溫作用下被脫附出來，同時被再生空氣帶走。轉輪工作時，再生空氣與處理空氣的比例在1/3～1/10之間，再生空氣中有機溶劑的濃度可達到處理前濃度的10倍。
2.5沸石脫附及換熱
蓄熱式焚化爐對經轉輪脫附出來的VOCs進行高溫732℃裂解，裂解后的成分與O2反應，生成二氧化碳和水蒸汽換熱系統：氧化爐出來的氣體與脫附后的氣體進行熱交換，以使將進入氧化爐的氣體溫度達到合適溫度，從而減少氧化爐燃燒燃料。將換熱后的熱空氣回收后通入到轉輪的脫附區域，利用疏水型沸石的高溫脫附性能，將吸附在沸石里面的小分子VOCs顆粒與沸石分開，并與熱空氣一起進入下一個環節的過程。
3設備參數對去除效率的影響
(1)廢氣的溫、濕度：控制進流溫度低于40℃、相對濕度小于80%以下;
(2)轉輪轉速：每小時轉輪轉速3至4.5圈之間(隨進流VOC濃度值略變);
(3)濃縮倍率：增加濃縮倍率將使得系統去除效率隨之降低，但卻可使得后端焚化設備減少燃料使用;
(4)脫附溫度：足夠之脫附溫度有助于脫附程序之進行，但過高之脫附溫度將可能使得轉輪基材之余熱無法于冷卻區有效降溫，以致于吸附區時轉輪輪體仍處高溫狀態、不利于吸附程序進行。
4沸石濃縮轉輪技術進展
目前沸石轉輪主要依靠進口，世界范圍內沸石技術較完善的有瑞典Munters公司和日本西部技研公司。瑞典Munters產品以某汽車廠涂裝生產線煙氣流量為20000Nm/h3,排煙溫度為200℃的1臺電泳烘干爐為改造案例，在其煙氣排煙管末端改造安裝余熱回收系統，將煙溫降至110℃排放，回收的余熱將70℃的工藝回水加熱至90℃,用于前處理槽液加熱。項目實施后既能減輕環境污染，滿足企業生產工藝要求，又達到節約燃料的目標。
4.1設計方案
該汽車廠涂裝車間一樓設置有蒸汽站，蒸汽通過板式換熱器加熱熱水，熱水通過循環水泵送至前處理各槽體對槽液進行加熱，換熱后的水再送至板式換熱器與蒸汽進行換熱，熱水的送水溫度約為90℃，回水溫度約為70℃。具體工藝流程如圖2所示：
為回收余熱，節約蒸汽用量，在電泳烘干爐高溫排煙管末端設置一臺與之匹配的復合管式余熱回收系統，將烘干爐所排放的高溫煙氣降至110℃左右進行排放。
在原回水管路上新增循環水泵，通過水泵將回水送入余熱回收系統內，與烘干爐排放的高溫煙氣進行換熱后進入原回水管路，通過原循環泵將加熱后的熱水送至槽體加熱槽液。電泳烘干爐余熱回收系統工藝流程如圖3所示：
4.2設計參數
余熱回收系統的管式換熱器采用復合管技術，材質全部采用304不銹鋼，換熱形式為氣液換熱。設計煙氣阻力200pa左右，煙氣接口尺寸與原烘干爐相一致。余熱回收系統外形尺寸根據現場實際情況進行非標設計。
4.3經濟效益分析
4.3.1回收熱量的計算
已知煙氣溫度t1=200℃，煙氣流量V=20000Nm3/h，經過余熱回收系統后降至t2=110℃，則每小時回收熱量Q可依據公式：Q=C.ρ.V.Δt
式中：Q為每小時回收的熱量，單位kcal/h;
Δt為煙氣溫差，單位℃;
V為煙氣在標準狀態下的流量，單位為Nm3/h;
C為煙氣定壓比熱容，單位是kcal/kg﹒℃;
Ρ為煙氣密度，單位是kg/Nm3;
計算得Q≈75萬kcal/h。
4.3.2加熱熱水量
已知熱水進水溫度t1=70℃，出水溫度t2=90℃，余熱利用率按85%，則可加熱熱水質量：
G=Q.0.85/[C(t2-t1)]
式中：G為熱水量，單位為t/h:
Q為每小時回收的熱量，單位kcal/h;
C為水的比熱容，單位是kcal/kg﹒℃;
t1和t2為進出口水溫
計算得G≈26t/h
4.4經濟效益分析
余熱回收系統每小時可回收熱量Q2=Q*85%=75*0.85=63.75萬kcal/h，節約大量蒸汽，降低生產成本，具體詳見下表所示：
5結束語
根據工程實例表明，安裝煙氣余熱回收系統，可以提高生產線熱效率，降低總體能耗，回收余熱也越大，節約能源越多。如果在實際生產中能夠確保余熱利用率，不僅可取得客觀的經濟效益，而且相應國家節能減排政策，為社會環境保護做出貢獻。
