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沸石浓缩转轮系统在喷漆室废气治理中的应用

VOCs前沿 2019-05-17 16:19:18

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现代涂料与涂装 作者:丁映春/依维柯


【前言】

汽车涂装生产过程中所产生的挥发性有机化合物(简称VOCs)的排放,是大气污染防治的重点,国家及地方环保部门针对汽车生产的特殊性,出台了越来越严格的排放标准。2015版江苏省《表面涂装(汽车制造业)挥发性有机物排放标准》中明确规定:汽车涂装生产线的喷漆室和烘干室应安装VOCs污染治理设备,且烘干室VOCs废气处理效率应当在90%以上,并对涂装VOCs排放限值做出了明确规定(见表一):

表一 排气筒VOCs排放限值

2 汽车涂装VOCs排放概算

汽车涂装生产中的VOCs来源于涂料中的溶剂,主要通过喷漆、油漆晾干(水性漆预烘干)和烘干工序产生排放。烘干工序产生的有机废气,由于VOCs浓度和温度较高,可直接进入焚烧炉(TNV)或者蓄热式热力焚化炉(RTO)处理,净化率可达到98%以上。而喷漆室排出的废气,由于风量大、VOCs浓度低、湿度大,常规的过滤、吸附等工艺措施难以有效处理,目前,国内大多数的汽车涂装车间都不作处理,与晾干区的废气一起经集中排气筒,直接高空排放。

以生产节拍为16JPH,采取3C2B水性漆工艺的厢式商用车涂装为例,中涂漆及底面漆为水性漆,罩光清漆为1K溶剂型。水性漆预烘干产生的废气直排,清漆晾干区的排风补至喷漆室循环利用,再与喷漆室的废气一起经集中排气筒排放;中涂及面漆烘干区废气经RTO净化处理后排放。其VOCs排放速率概算见表二;喷漆室风量及VOCs排放浓度概算见表三:

表二 涂装VOCs排放速率概算

表三 喷漆室风量及VOCs排放浓度概算

根据概算:集中排气筒的VOCs排放速率36.6Kg/h,排放浓度76.2mg/m3,均超过了排放标准。其中清漆喷漆室及晾干区的VOCs排放量达到了31.4Kg/h,占到了排放总量的86%。由此可见,即使采取水性漆工艺,使用常规配套的溶剂型清漆,仍具有较多的VOCs排放,为了达到排放要求,需要对清漆喷涂段的废气进行净化处理。

目前,对于大风量、低浓度的有机废气,常规最有效的方法是通过蓄热式热力焚化炉(RTO)来进行处理。其工作原理是:系统将有机废气加热升温至750℃以上,在燃烧室内停留0.7~1.0s,使废气中的有机污染物氧化分解,成为无害的C02和H2O。废气燃烧产生的热量被蓄热体“贮存”起来,用于预热新进入的有机废气,从而节省废气升温所需要的燃料消耗,降低运行成本。RTO的最大处理风量一般低于100000m3/h,废气VOCs处理浓度为1000~20000mg/m3,当废气浓度低于1500mg/m3时,废气燃烧产生的热量较少,设备需额外增加较多的燃料消耗,用于对新进入的有机废气升温。而需处理的清漆喷涂段废气总排风量达到176000m3/h,VOCs浓度仅有178.6mg/m3,由此可见,RTO设备并不直接适用于这样的废气处理。

3 沸石转轮浓缩系统在喷漆室废气治理中的应用


近年来,一种适合处理高流量(大风量)、低浓度、高湿度、多成分VOCs废气的净化设备——沸石转轮浓缩系统,在欧美及日本等经济发达国家的汽车涂装废气处理方面取得了较多的应用和良好的效果。

系统设备由两大主要部分所组成,即疏水性沸石转轮串连蓄热式焚化炉。它的工作原理是利用沸石分子筛所具备的的高吸附性能,对有机废气进行吸附浓缩,再由RTO设备净化处理浓缩后的有机废气。

3.1沸石分子筛的性能特点

沸石分子筛是一种铝硅酸金属盐的多微孔晶体,由硅氧四面体和铝氧四面体通过共享氧原子相互连接形成骨架结构,其表面为固体骨架,内部为多微孔的筛状构造。内部孔穴之间有孔道相互连接,其孔径相同,分布非常均一,分子筛依据其内部孔穴的大小,可对分子进行选择性吸附。沸石分子筛具有很大的比表面积(300~1000m2/g),内部孔穴有强大的库仑场和极性,因此,对吸附质分子的吸附能力很强,远超过其他类型的吸附剂,即使在较高的温度和较低的吸附质分压(或浓度)下,仍有很高的吸附容量,是一种高性能的分离吸附材料。

通过对沸石分子筛进行表面改性,去除结晶中的铝原子,可消除其亲水的极性,从而形成疏水性沸石分子筛。它不仅具有一般沸石分子筛的共性,在相对湿度达到80%时,都能保持几乎不吸附水的特点,即使对于含水的空气,也能够选择地吸附所需的物质,并且吸附量几乎不受影响。疏水性沸石由无机氧化物组成,具有不可燃性,在900℃下焙烧2h,其结晶度仍保持不变,故热稳定性极高,可反复通过加热来实现脱附再生,并保证较长的使用寿命。

3.2沸石转轮浓缩系统的原理及构成

沸石转轮浓缩系统的关键部件是吸附轮(转轮),转轮由疏水性沸石吸附介质与陶瓷纤维加工成波纹状膜片,再卷制形成蜂巢状的圆筒形框架结构,其中部安装有旋转轴承。转轮的机械结构上,装有耐VOCs腐蚀、耐高温的材料制成的气体密封垫,将转轮隔离成三个区域:吸附处理区、再生脱附区、冷却区。

全套设备主要由以下部分组成:废气过滤器、沸石转轮、排气风机、RTO焚化系统、热交换器、自动控制系统。

目前,最大型号的单只沸石转轮,废气处理量可达到100000m3/h,能够将废气中的VOCs浓度提高5~20倍。

3.3沸石转轮浓缩系统工艺流程

3.3.1废气的除湿、过滤处理:

沸石转轮在吸附浓缩过程中,待处理废气的相对湿度低于80%时,对VOCs的吸附率可达到90%以上,当废气湿度大于90%时,吸附效率则下降至80%左右。

目前,国内汽车涂装喷漆室采取水旋处理的湿式喷房较多,其排出的废气,相对湿度超过90%,因此在废气进入沸石转轮之前,需要进行加热除湿。同时,由于废气中含有少量漆雾等颗粒杂质,需进行过滤处理,避免影响转轮的吸附效率。

3.3.2转轮吸附浓缩VOCs与再生脱附:

过滤后的大流量的低浓度有机废气被送至转轮吸附区,转轮可根据废气处理量,以1~6转/小时的速度持续缓慢旋转。废气中含有的VOCs被截留吸附在转轮上的沸石分子筛内部,净化后的洁净空气则直接排放至大气。转轮持续旋转吸附VOCs,逐渐趋向吸附饱和,当转轮旋转进入至脱附区时,脱附风机提供200℃左右的高温热空气,穿过吸附饱和的转轮区域,将其中吸附的VOCs脱附并带走,转轮从而恢复吸附能力。脱附后的转轮进入冷却区,经冷却空气吹扫,恢复至常温,再次旋转至吸附区,重新开始下一轮的工作。

3.3.3有机废气净化处理:

转轮吸附的VOCs经脱附后,随脱附热空气送往RTO进行净化处理。由于,脱附热空气风量仅为5000~20000m3/h,废气中的VOCs被浓缩了5~20倍,因此,需要最终处理的有机废气具备了浓度高、风量小、温度高的特点,能够与烘干室的废气合并后进入RTO集中处理,VOCs的净化率可达到95%以上。RTO焚烧产生的一部风热能可用于转轮脱附空气的加热;末端排放的高温烟气可进行余热回收,进一步做到节能、环保。

4 沸石浓缩转轮系统技术特点:

特别适用于处理大风量、低浓度的有机废气,净化效率稳定、VOCs去除率达到90%以上。

转轮低压损、无吸附损耗、对于高沸点的挥发性有机气体,也能够能有效处理。

沸石转轮由无机氧化物组成,具有不燃性,使用安全。

转轮热稳定性极高,反复通过加热脱附来实现再生,理论使用寿命可达到10年左右。

浓缩后进入RTO处理的废气风量小,故可以与烘房共享一套RTO设备,减少了设备投资,降低了RTO运行能耗。

沸石转轮可适应较高湿度的有机废气吸附,对于湿式喷漆室废气处理,可减少除湿的设备投资及运行能耗。

可采取单只或多只转轮并联组合的方式,以适应不同风量的废气处理。

5结束语

目前,国内的北京奔驰、沈阳宝马、大众宁波、广汽日产、北汽增城等涂装项目均开始使用沸石浓缩转轮系统对喷漆室废气进行处理,通过使用的信息反馈,均达到了设计要求。北汽镇江、南京依维柯桥林、北汽昌河等新建涂装项目,也规划投入该设备。国内部分设备制造企业,也开始具备了沸石浓缩转轮系统设备的设计、安装能力。

随着国家对大气污染防治的要求越来越严格,汽车涂装VOCs排放限值必然将逐年下调,对于涂装喷漆室废气排放的治理迫在眉睫。沸石浓缩转轮技术,是现有技术条件下,处理大风量、低浓度、高湿度有机废气的最佳选择,在汽车涂装废气治理中的应用将会越来越广泛。



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红头文件—详见中华环保联合会(环保部主管)官网
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