文章介紹了涂裝噴漆室有機廢氣VOC的幾種常見治理技術,對比了濃縮+焚燒清潔凈化理論的兩種路線,并詳細介紹了沸石濃縮吸附VOC的機理,同時對后續兩種常用的有機廢氣焚燒處理方式進行了比較。 1 前言 隨著社會的不斷進步與科學技術的不斷發展，現在人們越來越關心我們賴以生存的地球。近兩年，汽車整車廠周圍的居民投訴量與日俱增，國家出臺了新環保法、大氣保護法等，部分地區地方標準相繼出臺，環境保護已然提升到了國家發展戰略層面的新高度。 為支撐國家重點區域大氣污染防治“十二五”規劃，某司作為環保急先鋒，立即著手對汽車整車涂裝車間有機廢氣VOC 進行治理。有機污染物種類繁多，特性各異，因此相應采用的治理方法也各不相同，常用的有：冷凝法、吸收法、燃燒法、催化法、吸附法等。涂裝生產線噴漆室排放氣體主要為烴類、醇類、酯類、丙二醇類、二甲苯等物質等。針對汽車涂裝噴漆室有機廢氣污染物物理特性，且具有低濃度、大風量、易燃燒的特點，采取先濃縮+焚燒的清潔凈化技術，將VOC 氣體轉換為二氧化碳(CO2)和水(H2O)，從而實實在在降低VOC排放量，以保護我們賴以生存的大氣環保。 2 濃縮+焚燒技術的選擇 根據濃縮+焚燒技術清潔凈化理論，目前可供選擇的方式主要有活性碳+催化燃燒法和沸石濃縮轉輪+高溫焚燒法兩種。 2.1 活性碳吸附+催化燃燒法原理 含有機物的廢氣經風機的作用，經過漆霧過濾器再經過活性炭吸附層，有機物質被活性炭特有的作用力截留在其內部，潔凈氣體排出；經過一段時間后，活性炭達到飽和狀態時，停止吸附，此時有機物已被濃縮在活性炭內。 催化凈化裝置內設加熱室，啟動加熱裝置，進入內部循環，當熱氣源達到有機物的沸點時，有機物從活性炭內脫附出來，進入催化室進行催化分解成CO2和H2O，同時釋放出能量。利用釋放出的能量再進入吸附床脫附時，此時加熱裝置完全停止工作，有機廢氣在催化燃燒室內維持自燃，尾氣再生，循環進行，直至有機物完全從活性炭內部分離，至催化室分解。活性炭得到了再生，有機物得到催化分解處理,理論設計處理效率約為90%。流程圖見圖1。 圖片 2.2 沸石濃縮轉輪+焚燒法原理 沸石濃縮轉輪+高溫焚燒法采用沸石轉輪將大風量，低濃度廢氣轉化為高濃度低風量氣體，從而能選擇較小的焚燒爐對高濃度有機廢氣進行焚燒。在低溫條件下，有機廢氣通過沸石轉盤，有機物被吸附在沸石轉盤上，分出一部分氣流量（約1/20）進入冷卻區，冷卻區氣體進入換熱器被加溫到180℃ 到200℃，然后高溫氣體反向回到沸石轉盤，將有機物脫附下來，濃度可做到原來的25倍以上。 在700℃-800℃溫度下，將濃縮后的有機廢氣裂解為清潔的CO2和H2O，從而到達無害化排放。廢氣通過提升閥被提升到燃燒室進行燃燒，有機物處理效率99%以上。 圖片 2.3 兩種方式的比較 涂裝生產線面漆噴漆室排風量大、濃度低，場地狹窄，采用吸附法處理存在諸多問題，實施的可行性極低，以100萬m3/h 風量為例，主要對比見表1。 目前，國內主要是電子、集裝箱、汽配、化工等一些小型高濃度，低風量(排風量一般在25 萬m3以下)，對噴涂車間噴涂風場要求不高，在環保要求嚴格的地域采用了“活性碳吸附+催化燃燒法”，該方法適用于低濃度（≤1000mg/m3）且不宜采用直接燃燒或催化燃燒法和回收處理的有機廢氣。 因汽車整車噴漆室風速高精度控制要求(垂直風速±0.05m/s)，活性碳占地面積大，吸附效率下降快，解附時存在相對較高的安全風險的原因，故選擇沸石濃縮轉輪+高溫焚燒法。目前活性碳吸附+催化燃燒法在國內大型汽車整車涂裝生產線無實際應用案例，國外已基本淘汰。 圖片 3 沸石濃縮轉輪 3.1 沸石的吸附機理 沸石（又稱分子篩）是一種硅鋁酸鹽多微孔的硅酸鹽或硅鋁酸鹽晶體，是由硅氧四面體或鋁氧四面體通過氧橋鍵相連而形成分子尺寸大小（通常為0.3~2 nm）的孔道和空腔體系，因吸附分子大小和形狀不同而具有篩分大小不同的流體分子的能力。 圖片 分子篩對物質的吸附來源于物理吸附（范德華力），其晶體孔穴內部有很強的極性和庫侖場，對極性分子（如水）和不飽和分子表現出強烈的吸附能力。分子篩具有均勻的微孔結構，它的孔穴直徑大小均勻，這些孔穴能把比其直徑小的分子吸附到孔腔的內部，并對極性分子和不飽和分子具有優先吸附能力，因而能把極性程度不同，飽和程度不同，分子大小不同及沸點不同的分子分離開來，即具有“篩分”分子的作用，故稱分子篩。分子篩具有吸附能力高，熱穩定性強等其它吸附劑所沒有的優點，獲得了廣泛的應用。 圖片 3.2 沸石轉輪(VOC 濃縮器)工作原理 沸石轉輪的目的是為了將VOC 氣體從大風量濃縮到小風量中。在小風量中，VOC 氣體將更高效地被焚燒爐(TAR/RTO)處理。吸附的意思是流體分子在被稱作“吸附介質”的“活性”物質上富集。類似于海綿，吸附介質將VOC 吸收進來，然后通過高溫解吸再將VOC“擠”出去。VOC 濃縮器的轉輪是由蜂窩狀的陶瓷纖維片為材料組成，而其中又被浸漬了防水的沸石（分子篩）作為吸附介質。此濃縮系統是一個連續的運轉過程，轉輪一直在旋轉。因此它被分為了三個區域：處理區，解吸區，冷卻區，每個區域間相互隔離。含VOC 的廢氣在經過旋轉轉輪處理區的時候被收集，當氣體過了轉輪后，VOC 就被轉輪上的吸附介質吸附了。凈化的氣體被釋放進入大氣。在解吸區域，附著在轉輪上的VOC 被連續的高溫及低流量解吸氣體從反方向解吸收。高濃縮的VOC 氣體從轉盤中脫離并被送到熱氧化系統做最后的VOC 凈化。轉輪中熱的解吸區域接著被轉到了冷卻區域，在這里冷卻氣會將它冷卻。VOC 廢氣一部分通過這塊冷卻區域，并去到解吸換熱器中換熱。在換熱器中，冷卻氣會被TAR/RTO 等高溫裂解設備出來的高溫凈化氣體換熱成為高溫的解吸氣體，沸石濃縮轉輪分區見圖6。 圖片 與其它吸附劑介質相比，沸石具有很多優勢：可燃性低、由于解吸溫度高，從而使用壽命長、高沸點化合物累積量減少、以及耐化學性高。 3.3 沸石濃縮轉輪系統 沸石轉輪濃縮系統由濕度控制系統、過濾系統、濃縮器構成。 溫濕度調節系統，調節進入濃縮器廢氣的溫濕度，通常沸石在40℃及相對濕度75%以下，吸附效果最佳。廢氣過濾系統，過濾噴漆室廢氣中易導致濃縮設備阻塞和失效的雜質、顆粒物；一般情況下，每套過濾系統分四級過濾，安裝在每套溫濕度調節系統后，最后一級過濾選用F9級，保證沸石轉輪的最佳使用壽命。 沸石濃縮轉輪系統，濃縮有低濃度機廢氣中的有機物(VOC)，并將大風量變為小風量，將VOC 濃縮廢氣送入RTO或TAR 進行清潔凈化處理，根據某司涂裝噴漆室的工藝、涂料特點，VOC爆炸濃度極限約為12g/m3(設計值必須小于極限值的25%)，通常我們會將濃縮器的濃縮比設計為25:1，VOC去除效率可達90%以上。利用VOC 具有可燃性，在保證安全的前提下，做到最大的濃縮比，以節約天然氣的耗量。經沸石濃縮轉輪凈化后的氣體中VOC 的濃度含量達到20mg/m3以下，與歐洲標準基本持平。 圖片 3.4 廢氣焚燒處理系統 根據某司多年TAR 與RTO的使用經驗，TAR 具有環保與供能兩個功能有效的結合，設備維護成本低，系統占地小，利于設備布置，通過加裝余熱回收裝置，系統排煙溫度可以做到110℃，節能水平與RTO 相當。從目前的綠色經濟、環保、節能的方面看，TAR 這種廢氣處理與熱能回收方式的優點已被某司所接受。TAR 與RTO 的優缺點對比見表2。 圖片 3.5 廢氣處理系統 TAR 設備的用途是將從KPR 濃縮器出來的VOC 脫附氣體進行氧化處理。在進入TAR 燃燒腔前，廢氣會先被TAR 內的換熱器預熱。在燃燒腔中，燃燒器會提供熱量來保證VOC 有效氧化需要的熱量。VOC 的氧化是通過天然氣燃燒器加熱氣流，使之達到760℃并保持這一溫度至少1 秒而實現將有機物轉化為無害的CO2和H2O 向大氣排放。在通過燃燒腔后，凈化的氣體通過換熱器的管道將其部分的熱量傳遞給進來的廢氣。這臺換熱器就在TAR 出口。從燃燒腔出來的熱的凈化氣體通過換熱器將“冷”的解吸氣體加熱，然后去濃縮器進行解吸。 4 結語 環保已成為我國現階段汽車涂裝工業的發展趨勢，也必將為我們帶來巨大的社會效益。目前某司選擇的沸石濃縮轉輪+焚燒方式是世界一流的涂裝噴漆室廢氣處理工藝，具有安全、高效、高熱能利用率，廢氣排放可以滿足最為苛刻的歐洲環保標準。