蜂窩活性炭VOCs處理設備在摩托車涂裝線的應用
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摘要：文章解讀了涂裝大氣污染物(VOCs)排放標準,闡述了對摩托車涂裝車間噴漆室和烘干爐廢氣現狀,介紹了廢氣處理系統的選擇過程及其工藝原理和工藝流程,并結合實際總結分析了分子篩吸附轉輪+蓄熱氧化燃燒廢氣處理系統在改造中的難點和生產中出現的問題及其對策。
前言
隨著國家對環保越來越重視，國家及地方法規均對涂裝廢氣的各項排放指標進行嚴格控制，對VOCs排放濃度及速率進行嚴格限制，加上涂裝廢氣末端治理技術日漸成熟，全國各地相繼進行涂裝廢氣末端治理設備的投入以滿足最新環保法規新標準要求。重慶建設·雅馬哈有限公司綜合考慮涂裝生產線現狀、設備投資、運行成本和處理效率等因素，選擇“分子篩吸附轉輪+蓄熱氧化燃燒”方式對涂裝車間的廢氣進行處理，有效降低了VOCs排放，并對該套系統改造和運行中存在的問題給出對策方向。
1 廢氣處理政策
1.1 政策背景
2016年1月22 日，重慶市環境保護局聯合重慶市質量技術監督局聯合發布了重慶市地方標準DB50/660-2016《摩托車及汽車配件制造表面涂裝大氣污染物排放標準》，并于2016年2月1日實施。本標準規定了摩托車整車指導及汽車、摩托車零部件制造過程中表面涂裝過程大氣污染物排放控制要求、污染物監測要求，實施與監督管理要求。
1.2 政策法規
摩托車整車制造及汽車、摩托車配件制造企業應通過在涂裝生產過程中降低VOCs原料使用、工藝更新和控制、過程管控、安裝VOCs 污染治理設備等方式滿足達標排放。新建企業自標準實施之日起執行表1、2規定的大氣污染物排放限值;現有企業中，主城區企業自2017年1月1 日起執行表1、2 規定的大氣污染物排放限值;其它區域企業自2018年1月1日起執行表1、2 規定的大氣污染物排放限值。
2 現狀
2.1 涂裝工藝流程
VOCs治理的兩條涂裝線中，Fe\Al線主要涂裝油箱基本色和發動機鋁合金外觀部品，涂裝方式為靜電旋碟(DISK)往復機噴涂加手工補正，ABS線主要噴涂ABS覆蓋件和油箱罩光，涂裝方式為全手工。涂裝室為側吸式水簾型(見圖1)，采用傳統的2C1B 工藝，具體工藝流程為：上掛→前處理→水汽烘干→靜電除塵→下涂→流平→上涂→流平→固化烘干→下掛。工藝流程中從噴涂區到烘烤區有VOCs排放(見圖2)，有以下三種形式：
(1)下涂室、上涂室VOCs通過水簾吸收后排放;
(2)下涂流平室、上涂流平室VOCs直排;
(3)脫臭爐VOCs催化燃燒(以下簡稱“RCO”)后排放。
兩條涂裝線中含有有機氣體的排風口各10個，其中下涂室、上涂室各3個排風口，上涂流平室、下涂流平室、固化烘干爐、脫臭爐各1個排風口，排風管道高度均為15m。
2.2 涂裝廢氣特點
Fe\Al線和ABS線VOCs來源于涂料和稀釋劑，VOCs物質構成如表3 所示，從表中可以看出，VOCs主要為甲苯、二甲苯、醇、酯、非甲烷總烴，此外還含有少量高沸點物質。
兩條線噴涂室和流平室廢氣為大風量低濃度廢氣，風量范圍為12-17 萬m3/h，濃度范圍約為40-300mg/m3，為典型的大風量低濃度有機廢氣;兩條線烘干爐、脫臭爐廢氣為小風量高濃度廢氣，風量范圍為2500-3500m3/h，濃度>1000mg/m3。
3 廢氣處理工藝
3.1 廢氣處理工藝
廢氣處理工藝主要包括“直接末端治理”和“自動化噴涂+循環風改造+末端治理”兩種方式。“直接末端治理”的缺點是風量大，設備的投入費、使用費等也較高;而“自動化噴涂+循環風改造+末端治理”是在技術升級的同時實現了無人化噴涂，因此可以實現循環風改造，能大程度的減少處理風量，使得末端處理設備的投入費和使用費降低。
摩托車的涂裝部品種類多，且部品形狀復雜，多為混線生產，全部部品均實現自動化噴涂困難。而現有兩條涂裝線以人工噴涂為主，而循環風只能應用于自動噴涂設備，想進行循環風改造以降低廢氣處理量的方案無法實現;即使針對自動噴涂區改造，也牽涉到自動噴涂段和人工噴涂區的風道隔斷，若收集人工噴涂區的排放廢氣送至循環空調中進行過濾、除濕，再送到自動噴涂區二次利用，會涉及到土建和空調的改造，改造周期長，且無足夠的空調安裝位置和車間電容量，故無法實施“自動化噴涂+循環風改造+末端治理”方式。
3.2 末端治理廢氣處理工藝對比及選擇
VOCs廢氣末端治理工藝較多，主要包括燃燒技術、冷凝技術、吸收技術、生物處理技術、光催化氧化技術、低溫等離子技術[1]等，但往往一種技術已經很難滿足實際需求。目前應用較廣泛的有UV 氧化技術、直接燃燒、濃縮+燃燒等。
目前常見的三種濃縮和三種燃燒方式如表4、表5所示：分子篩吸附轉輪相比于傳統的蜂窩活性炭和纖維活性炭吸附轉輪，具有吸附效率高、安全性好、使用壽命長、運行穩定、應用范圍廣等優點;蓄熱氧化燃燒相比于直接氧化燃燒和催化氧化燃燒而言，在換熱效率、氧化能耗上均有明顯優勢。近幾年，分子篩吸附轉輪+蓄熱氧化燃燒形式應用到VOCs廢氣治理技術較為成熟，全國各地均有實績可以借鑒，汽車涂裝線已廣泛應用。
考慮到摩托車制造業產生的VOCs氣體濃度低(普遍小于1000mg/m3)，且要滿足地方標準的高處理效率(≥90%以上)，綜合投入成本、使用年限、占地面積、維護便捷性等，最終選取“直接末端治理”中的“分子篩吸附轉輪+蓄熱氧化燃燒”形式。
3.3 分子篩吸附轉輪+蓄熱氧化燃燒
3.3.1 工藝原理
噴涂室和流平室的大風量VOCs廢氣經過多級過濾后通過分子篩吸附轉輪的吸附區，廢氣中的有機物被吸附在轉輪上，廢氣得到凈化處理并達標排放。分子篩吸附轉輪連續旋轉，濃縮的有機物質在脫附區進行脫附。脫附后的高濃度有機廢氣，通過蓄熱式氧化爐進行燃燒，轉化成CO2和H2O排入大氣中。通過兩種處理技術的結合，共同實現了對大風量低濃度VOCs廢氣的處理。
3.3.2 廢氣處理方案
一方面，涂裝線噴漆室和流平室產生的大風量低濃度的VOCs廢氣經過收集，通過前端的前處理系統，去除大風量廢氣中的漆渣和高沸點VOCs后，再經過分子篩吸附轉輪吸收大風量廢氣中的VOCs，VOCs被吸附在轉輪中，凈化后的大風量氣體通過煙囪向外排放;另一方面，干燥爐產生的小風量高濃度VOCs廢氣和經分子篩脫轉輪附后的VOCs廢氣先經過蓄熱燃燒裝置的蓄熱陶瓷加熱后，再進入蓄熱氧化燃燒爐凈化處理，凈化處理后的高溫氣體的一部分再循環利用于分子篩轉輪的脫附，其余排放至大氣中，詳見圖3。
4 改造難點及應用中的問題
4.1 風管施工困難
涂裝室排氣風管由直接高空排放改為收集后集中排放，風管改制難度大。經過計算車間房梁承重無法滿足主風管吊重，只能從地面做支撐。在施工過程中主風管與現有設備干涉(見圖4)。廠房內部結構復雜，主風管頂部距離房梁很近，截面積大(2.5米×2米)，施工難度特別大(見圖5)。在保證對現有設備影響最小的前提下，主風管支撐位置經過數次論證和修訂，最終滿足了主風管支撐定位要求。
4.2 風平衡調整困難
涂裝室風平衡直接關系到涂裝品質、環境安全、消防安全、職業衛生安全，是涂裝車間正常運轉的必要依據。VOCs廢氣處理系統重新對原有排氣風管進行了改建，將分散排放改為集中收集處理排放，破壞了原有風管結構和風量平衡，需建立新的風平衡。在試生產初期，涂裝室風量不平衡，漆霧抽不走，導致噴漆室作業環境惡劣、品質差而影響生產。
針對風量不平衡問題，對策方向主要如下：
1)保證送風風速(送風量)一定的情況下，排氣風閥全部打開逐一調整，遇到有竄室的情況下調整該處排氣風閥的高度(調整完畢后需固定位置);
2)風管改建時，風管的設計需嚴格按照流體力學進行整體設計(遠端變徑)，充分考慮管道大小，減少轉彎次數、彎管處設定導風片以減少風阻(圖6);
3)風管末端的引風機須留有足夠大的富余量，一般不低于20%，保證其克服抽風過程中的阻力;
4)從油漆烘干爐→流平室→涂裝室反向調整整體送排風平衡，最終流平室相對于環境和油漆烘干爐入口保證微正壓，涂裝室相對與流平室微負壓。
通過上述四個步驟的綜合改善和調試，串風、抽風不良等風平衡問題得到對策，恢復正常生產。
4.3 運行成本高
VOCs系統的運行成本主要包括前處理系統所用過濾袋的耗材費和處理費以及燃燒爐所用的天然氣費和整個系統的風機等運行的電費。VOCs 系統運行以來，按16H/日稼動時間，6天/周工作日計算，前處理耗材更換頻次為G4玻纖板框3~4次/月，F7玻纖濾袋1 次/月，活性碳顆粒1次/年，F9玻纖濾袋1次/3月，僅前處理耗材運行費用就達25萬，加上天然氣和電費，每年VOCs運行成本約150萬。且前處理耗材屬于危費，需要委托專門處理公司進行回收(3000元/噸)。為降低能耗采取的措施如下：
1)排氣風機葉輪、排氣風管定期除漆、提高涂裝室水簾渦卷板除漆頻度，減少漆渣進入前處理系統造成濾網壓差增大;
2)玻纖式樣優化、增加袋數、延長更換周期;
3)縮短VOCs系統在FE\AL線和ABS線之間切換的時間，減少空運轉能源費用;
4)減少RTO 冷爐啟動的次數，節約天然氣能耗。
5 結語
重慶建設雅馬哈涂裝VOCs系統于2018年3月通過了重慶市環保局的最終驗收，成為重慶市首批通過DB50 新地標環保驗收的摩托車企業，承擔了行業標桿企業應有的行業責任和社會責任。目前，VOCs處理設備實際生產中會出現很多問題，對應這樣的新設備，只有邊對策邊學習，逐步積累經。同時，在保證法律法規的前提下，如何進一步降低設備的運行費，還需整個行業繼續努力。隨著國家環保要求的日益嚴格，廢氣處理系統的應用已逐漸廣泛，由于廢氣處理技術選擇性多，如何實現有效投入、連續運行和達標排放是摩托車制造業的關注焦點。相信隨著環保法規的持續規范化和國家環保力度的加強，會有更多環保企業致力于對VOCs系統進行優化，同時也會有更多包括摩托車企業在內的企業進行VOCs處理，到時候城市空氣質量會越來越好。
