汽車涂裝生產線是汽車制造過程中產生“三廢”最多的環節,其中涂裝廢氣是涂裝“三廢”的主要部分。涂裝車間的廢氣主要是涂料中含有的有機溶劑和涂膜在噴涂 及烘干時的分解物,統稱為揮發性有機化合物(VOC),其成份主要有甲苯和二甲苯。這些成份對人的健康和生活環境有害,并且有惡臭,人如果長期吸入低濃度 的有機廢氣,會引發咳嗽、胸悶、氣喘甚至肺氣腫等慢性呼吸道疾病,是目前公認的強烈致癌物。除此之外,有機廢氣對光化學煙霧、酸雨的形成起著非常重要的作 用。為減少涂料中的VOC,開發了水性涂料和粉末涂料,但水性涂料中仍含有一定比例的有機溶劑。為此,各國頒布了相應的法令,限制該類氣體的排放,我國于 1997年頒布并實施的GB16297《大氣污染綜合排放標準》,限定了33種污染物的排放限值,其中包括苯、甲苯、二甲苯等揮發性有機溶劑。近年來,隨 著人們環保意識提高,環保法規不斷完善與執法力度不斷提高,汽車生產廠在新建涂裝線中需配置廢氣處理設備,對老的涂裝線也在逐步補充廢氣處理裝置,廢氣經 過處理達標后才能排放。針對不同的涂裝廢氣,不同的廠家采用了不同的方法,下面就汽車涂裝廢氣處理技術進行初淺的分析探討。
根據汽車涂裝生產工藝,涂裝廢氣主要來自于噴涂、干燥過程。所排放的污染物主要為:噴漆時產生的漆霧和有機溶劑,干燥揮發時產生的有機溶劑。漆霧主要來 自于空氣噴涂作業中溶劑型涂料飛散的部分,其成分與所使用的涂料一致。有機溶劑主要來自于涂料使用過程中的溶劑、稀釋劑,絕大部分屬揮發性排放,其主要的 污染物為二甲苯、苯、甲苯等。故涂裝中排放的有害廢氣的主要發生源為噴漆室、晾干室、烘干室。
1、汽車生產線廢氣處理方法
1.1烘干過程有機廢氣的治理方案
電泳、中涂、面涂烘干室排出的氣體屬于高溫、高濃度廢氣,適合采用焚燒的方法進行處理。目前烘干過程常用的廢氣處理措施有:蓄熱式熱力氧化技術(RTO)、蓄熱式催化燃燒技術(RCO)、TNV回收式熱力焚燒系統
1.1.1蓄熱式熱力氧化技術(RTO)
蓄熱式熱氧化器(Regenerative Thermal Oxidizer,簡稱RTO)是一種用于處理中低濃度揮發性有機廢氣的節能型環保裝置。適用于大風量、低濃度,適用于有機廢氣濃度在100PPM— 20000PPM之間。其操作費用低,有機廢氣濃度在450PPM以上時,RTO裝置不需添加輔助燃料;凈化率高,兩床式RTO凈化率能達到98%以上, 三床式RTO凈化率能達到99%以上,并且不產生NOX等二次污染;全自動控制、操作簡單;安全性高。
蓄熱式熱氧化器采用熱氧化法處理中低濃度的有機廢氣,用陶瓷蓄熱床換熱器回收熱量。由陶瓷蓄熱床、自動控制閥、燃燒室和控制系統等組成。主要特征是:蓄熱 床底部的自動控制閥分別與進氣總管和排氣總管相連,蓄熱床通過換向閥交替換向,將由燃燒室出來的高溫氣體熱量蓄留,并預熱進入蓄熱床的有機廢氣,蓄熱床采 用陶瓷蓄熱材料吸收、釋放熱量;預熱到一定溫度(≥760℃)的有機廢氣在燃燒室燃燒發生氧化反應,生成二氧化碳和水,得到凈化。典型的兩床式RTO主體 結構一個燃燒室、兩個陶瓷填料床和四個切換閥組成(見下圖)。該裝置中的蓄熱式陶瓷填充床換熱器可使熱能得到最大限度的回收,熱回收率大于95%;處理有 機廢氣時不用或使用很少的燃料。
優點:在處理大流量低濃度的有機廢氣時,運行成本非常低。
缺點:較高的一次性投資,燃燒溫度較高,不適合處理高濃度的有機廢氣,有很多運動部件,需要較多的維護工作。
1.1.2蓄熱式催化燃燒技術(RCO)
蓄熱式催化燃燒裝置(Regenerative Catalytic Oxidizer簡稱RCO)直接應用于中高濃度(1000mg/m3—10000mg/m3)的有機廢氣凈化。RCO處理技術特別適用于熱回收率需求高 的場合,也適用于同一生產線上,因產品不同,廢氣成分經常發生變化或廢氣濃度波動較大的場合。尤其適用于需要熱能回收的企業或烘干線廢氣處理,可將能源回收用于烘干線,從而達到節約能源的目的。
蓄熱式催化燃燒治理技術是典型的氣-固相反應,其實質是活性氧參與的深度氧化作用。在催化氧化過程中,催化劑表面的吸附作用使反應物分子富集于催化劑表 面,催化劑降低活化能的作用加快了氧化反應的進行,提高了氧化反應的速率。在特定催化劑的作用下,有機物在較低的起燃溫度下(250~300℃)發生無焰 氧化燃燒,氧化分解為CO2和水。并放出大量熱能。
RCO裝置主要由爐體、催化蓄熱體、燃燒系統、自控系統、自動閥門等幾個系統構成。在工業生產過程中,排放的有機尾氣通過引風機進入設備的旋轉閥,通過選 轉閥將進口氣體和出口氣體完全分開。氣體首先通過陶瓷材料層1預熱后發生熱量的儲備和熱交換,其溫度幾乎達到催化層進行催化氧化所設定的溫度,這時其中部 分污染物氧化分解;廢氣繼續通過加熱區(可采用電加熱方式或天然氣加熱方式)升溫,并維持在設定溫度;其再進入催化層完成催化氧化反應,即反應生成CO2 和H2O,并釋放大量的熱量,以達到預期的處理效果。經催化氧化后的氣體進入陶瓷材料層2,回收熱能后通過旋轉閥排放到大氣中,凈化后排氣溫度僅略高于廢 氣處理前的溫度。系統連續運轉、自動切換。通過旋轉閥工作,所有的陶瓷填充層均完成加熱、冷卻、凈化的循環步驟,熱量得以回收。
優點:工藝流程簡單、設備緊湊、運行可靠;凈化效率高,一般均可達98%以上;與RTO相比燃燒溫度低;一次性投資低,運行費用低,其熱回收效率一般均可 達85%以上;整個過程無廢水產生,凈化過程不產生NOX等二次污染;RCO凈化設備可與烘房配套使用,凈化后的氣體可直接回用到烘房利用,達到節能減排 的目的;
缺點:催化燃燒裝置僅適用含低沸點有機成分、灰分含量低的有機廢氣的處理,對含油煙等粘性物質的廢氣處理則不宜采用,催化劑宜中毒;處理有機廢氣濃度在20%以下。
1.1.3TNV回收式熱力焚燒系統
回收式熱力焚燒系統(德語Thermische Nachverbrennung簡稱TNV)是利用燃氣或燃油直接燃燒加熱含有機溶劑的廢氣,在高溫作用下,有機溶劑分子被氧化分解為CO2和水,產生的 高溫煙氣通過配套的多級換熱裝置加熱生產過程需要的空氣或熱水,充分回收利用氧化分解有機廢氣時產生的熱能,降低整個系統的能耗。因此,TNV系統是生產 過程需要大量熱量時,處理含有機溶劑廢氣高效、理想的處理方式,對于新建涂裝生產線,一般采用TNV回收式熱力焚燒系統。
TNV系統由三大部分組成:廢氣預熱及焚燒系統、循環風供熱系統、新風換熱系統。該系統中的廢氣焚燒集中供熱裝置是TNV的核心部分,它由爐體、燃燒室、 換熱器、燃燒機及主煙道調節閥等組成。其工作過程為:用一臺高壓頭風機將有機廢氣從烘干室內抽出,經過廢氣焚燒集中供熱裝置的內置換熱器預熱后,到達燃燒 室內,然后再通過燃燒機加熱,在高溫下(750℃左右)將有機廢氣進行氧化分解,分解后的有機廢氣變成CO2和水。產生的高溫煙氣通過爐內的換熱器和主煙 氣管道排出,排出的煙氣對烘干室的循環風進行加熱,為烘干室提供所需的熱量。在系統末端設置新風換熱裝置,將系統余熱進行最后回收,將烘干室補充的新風用 煙氣加熱后送入烘干室。另外,在主煙氣管道上還設置有電動調節閥,用于調節裝置出口的煙氣溫度,最終排放的煙氣溫度可以控制在160℃左右。
廢氣焚燒集中供熱裝置的特點包括:有機廢氣在燃燒室的逗留時間為1~2s;有機廢氣分解率大于99%;熱回收率可達76%;燃燒器輸出的調節比可達26∶1,最高可達40∶1。
缺點:在處理低濃度有機廢氣時,運行成本較高;管式熱交換器只是在連續運行時,才有較長的壽命。
1.2噴漆室、晾干室有機廢氣的治理方案
噴漆室、晾干室排出的氣體為低濃度、大流量常溫廢氣,污染物的主要組成為芳香烴、醇醚類、酯類有機溶劑。目前,國外較為成熟的方法是:先將有機廢氣濃縮以 減少需處理的有機廢氣總量,先采用吸附法(活性碳或沸石作吸附劑)對低濃度常溫噴漆廢氣進行吸附,用高溫氣體脫附,濃縮的廢氣采用催化燃燒或蓄熱式熱力燃 燒的方法進行處理。
1.2.1活性炭吸附--脫附凈化裝置
采用蜂窩狀活性炭為吸附劑,結合吸附凈化、脫附再生并濃縮VOC和催化燃燒的原理,即將大風量、低濃度的有機廢氣通過蜂窩狀活性炭吸附以達到凈化空氣的目 的,當活性炭吸附飽和后再用熱空氣脫附使活性炭得到再生,脫附出濃縮的有機物被送往催化燃燒床進行催化燃燒,有機物被氧化成無害的CO2和H20,燃燒后 的熱廢氣通過熱交換器加熱冷空氣,熱交換后降溫的氣體部分排放,部分用于蜂窩狀活性炭的脫附再生,達到廢熱利用和節能的目的。整套裝置由預濾器、吸附床、 催化燃燒床、阻燃器、相關的風機、閥門等組成。
活性炭吸附--脫附凈化裝置根據吸附和催化燃燒兩個基本原理設計,采用雙氣路連續工作,一個催化燃燒室,兩個吸附床交替使用。先將有機廢氣用活性炭吸附, 當快達到飽和時停止吸附,然后用熱氣流將有機物從活性炭上脫附下來使活性炭再生;脫附下來的有機物已被濃縮(濃度較原來提高幾十倍)并送往催化燃燒室催化 燃燒成二氧化碳及水蒸氣排出。當有機廢氣的濃度達到2000PPm以上時,有機廢氣在催化床可維持自燃,不用外加熱。燃燒后的尾氣一部分排入大氣,大部分 被送往吸附床,用于活性炭再生。這樣可滿足燃燒和吸附所需的熱能,達到節能的目的。再生后的可進入下次吸附;在脫附時,凈化操作可用另一個吸附床進行,既 適合于連續操作,也適合于間斷操作。
技術性能及特點:性能穩定,結構簡便,安全可靠,節能省力,無二次污染。設備占地面積小,重量輕。極適用于大風量下使用。吸附有機物廢氣的活性炭床,用催 化燃燒后的廢氣進行脫附再生,脫附后的氣體再送催化燃燒室進行凈化,不需外部能量,節能效果顯著。缺點是,活性炭使用壽命短,運行成本高。
1.2.2沸石轉輪吸附--脫附凈化裝置
沸石的主要成分為:硅、鋁,具有吸附能力,可作為吸附劑使用;沸石轉輪就是利用沸石特定孔徑對于有機污染物具有吸附、脫附能力的特性,使原本具低濃度、大 風量的VOC廢氣,經沸石轉輪濃縮轉換成小風量、高濃度的氣體,可以降低后端終處理設備的運行成本。其裝置特性適合處理大流量、低濃度、含多種有機成分的 廢氣。缺點是前期投資高。
沸石轉輪吸附-凈化裝置是一種可連續進行吸附和脫附操作的氣體凈化裝置。沸石轉輪兩側由特制的密封裝置分成三個區域:吸附區、解吸(再生)區及冷卻區域。 該系統的工作過程是:沸石轉輪以較低的速度連續轉動,循環通過吸附區和解吸(再生)區及冷卻區域;低濃度、大風量的廢氣連續不斷地通過轉輪的吸附區時,廢 氣中的VOC被轉輪的沸石吸附,被吸附凈化后的氣體直接排放;輪子吸附的有機溶劑隨著轉輪的轉動被送到解吸(再生)區,再用小風量熱風連續地通過解吸區, 被吸附到轉輪上的VOC在解吸區受熱脫附實現再生,VOC廢氣隨熱風一起排出;轉輪轉至冷卻區域進行冷卻降溫后可重新進行吸附,隨著轉輪的不斷轉動,吸 附、解吸、冷卻循環進行,確保廢氣處理持續穩定的運行。
沸石轉輪裝置實質上是一個濃縮器,經過轉輪處理后的含有機溶劑的廢氣被分成兩個部分:可以直接排放的潔凈空氣和含高濃度有機溶劑的再生空氣?梢灾苯优欧 的潔凈空氣,可以進入噴漆空調通風系統進行循環使用;高濃度的VOC氣體,其濃度大約為進入系統前VOC濃度的10倍左右,濃縮后的氣體再通過TNV回收 式熱力焚燒系統(或其他設備)進行高溫焚燒處理,焚燒產生的熱量分別為烘干室供熱和沸石轉輪脫附供熱,熱量被充分利用,達到節能減排的效果。
技術性能及特點:結構簡單,維護方便,使用壽命長;高吸、脫附效率,使原本高風量、低濃度的VOCs廢氣,轉換成低風量、高濃度的廢氣,降低后端終處理設 備的成本;沸石轉輪吸附VOC所產生的壓降極低,可大大減少電力能耗;整體系統采預組及模塊化設計,具備了最小的空間需求,且提供了持續性及無人化的操控 模式;經過轉輪濃縮后的廢氣,可達到國家排放標準;吸附劑使用不可燃性疏水沸石,使用更安全;缺點是一次性投資較高。