VOCs沸石浓缩转轮净化系统在汽车涂装废气治理上的技术应用

发布时间：2018-01-02 22:41:00 点击：

在汽车涂装生产线中，废气主要产生于烘干室、喷漆室及晾干室区域。汽车涂装废气成分复杂，种类繁多。目前采用较多的治理技术主要有：直接燃烧法、催化燃烧法、液体吸附法、活性炭吸附法等。在大量的实践应用中以上方法均存在处理效果不好、使用安全性不高等问题。近年来，汽车涂装废气开始采用沸石浓缩转轮配合蓄热式焚烧炉（RTO焚烧炉）的方法治理。文章主要探讨介绍沸石浓缩转轮技术在汽车涂装废气治理上的应用。

前言

VOCs是挥发性有机化合物的总称，主要是指在正常状态下蒸气压大于0.1mmHg、沸点低于260℃的挥发性有机化合物，其广泛存在于石化、汽车喷涂、印刷等领域，其中化工涂料占绝大部分。VOCs中含有大量致癌物质如：甲苯、二甲苯、对-二氯苯、乙苯、苯乙烯、甲醛、乙醛等。VOCs在太阳光和热的作用下能与大气中NOx等经过复杂的化学、光化学作用，形成光化学烟雾，是灰霾源的主要来源。

VOCs的控制和治理，将会成为未来环保产业发展的重要方向，继PM2.5之后,VOC将成为下一阶段大气污染防治部门强调的重点。主要有以下措施：

(1)环保重点城市开展VOCs监测，并逐步在全国推广;

(2)严格控制工业VOCs排放。重点加强石化行业生产过程排放控制，推进燃料油和有机溶剂输配及储存过程的油气回收，减少泄露;

(3)鼓励溶剂和涂料使用类企业使用水性、低毒或低挥发性的有机溶剂;

(4)建设有机废气回收利用与治理设施，完善有机废气收集和处理系统。

1汽车涂装业VOCs现状

汽车涂装是汽车制造过程中“三废”最多的环节;涂料中含有VOCs，但不释放VOC;涂料在涂装过程中，70%的VOCs将挥发;一条大型的车身涂装线每年排放的气体污染物总量可能高达数百吨。目前汽车涂装主要排气点如下：

(1)喷漆室废气

劳动安全卫生法规定，涂装工厂喷漆室的风速度应控制在0.25～0.35m/s的范围，排出废气为喷漆挥发的有机溶剂，主要成分为甲苯、二甲苯等，还含有少量未处理完全的漆雾，危害物质为微量的苯、甲苯和二甲苯。其中二甲苯在废气中含量较高，对眼睛及上呼吸道有刺激作用，高浓度时对中枢神经系统有麻醉作用;同时二甲苯在大气中主要通过光解进行转化，转化速度慢，滞留大气时间相对较长，所以涂装车间通常以二甲苯排放浓度和排放速率作为对环境影响的主要依据。

(2)晾干间废气

中涂、面漆的湿漆膜在晾干过程中有机溶剂进行挥发，为防止晾干间的有机溶剂聚集发生爆炸事故，晾干间应进行送排风，风速一般控制在0.2m/s左右，排风废气的成份与喷漆室排风废气的成份相近，但没有漆雾，有机废气的总浓度比喷漆室废气偏大，通常与喷漆室排风混合后集中处理。调漆间、废水处理间也有类似晾干间的有机废气排放。

(3)烘干室废气

电泳涂料与中涂面漆烘干均有废气排出，烘干废气的成分包含有机溶剂、树脂固化、热分解生成物等成份。电泳烘干废气中的总有机物浓度一般在500～1000mg/m3，中涂面漆烘干废气的主要组成为有机溶剂，烘干废气中总有机物浓度一般在2500mg/m3左右，都超过了CB16297-1996《大气污染综合排放标准》的废气浓度限值要求，必须处理达标后才能排放。电泳涂料烘干废气的有机物浓度虽然比面漆烘干废气低一些，但其恶臭物质，如甲乙酮肟的浓度更大，嗅觉更易察觉，更应该进行处理。

2沸石浓缩转轮处理汽车涂装VOCs技术

2.1沸石的概念

沸石是一种多孔性骨架型硅铝酸盐，选择吸附、高效吸附，可作为离子交换剂、吸附分离剂、催化剂;内部的孔穴对大小不同的分子可进行选择性吸附，通过改性得到新型的人造沸石，新型复合材料由于较高的空隙率、好的化学稳定性，可调的孔结构和高的比表面积(介孔壁上附有微孔)，大为提高了吸附VOC的能力。沸石在介孔孔壁上存在微孔结构，微孔对低浓度甲苯显示出了良好的吸附性能，这是因为沸石的孔径更大，在有序的介孔壁上附有微孔，这些结构上的差异使沸石的传质阻力非常小，从穿透点到吸附饱和之间的时间要短，吸附速率更快。沸石的比表面积为1126m2/g，平均孔径更大，介孔壁上附有微孔，因此传质阻力小，吸附有机物速率更快，微孔和介孔共存的特点，平均孔径大，对大分子和高浓度的VOCs具有更好的吸附能力。

2.2沸石的制备

将6g三嵌段共聚物P123溶于225mL1.6mol⋅L-1的盐酸溶液中,搅拌至溶解，将溶液转入40℃水浴中，600r⋅min-1下搅拌10min后逐滴加入13.8mL正硅酸乙酯(TEOS)，滴定完成后，继续搅拌24h，移入聚四氟乙烯内衬的晶化釜，100℃晶化24h后，冷却、抽滤、洗涤、烘干，以2℃⋅min-1的速率升至500℃，在该温度下焙烧5h去除模板剂，得到沸石。结构中含有大约20%的水分，因水分会受热而失去，溫度降低而再吸收，使得它在水中煮沸时会冒泡泡，故以希腊语“ZEO”(沸騰)和“litos”(石头)命名称为Zeolite(沸石)。1立方微米的这种“超级旅馆”内竟有100万个“房间”!的这些房间能根据“旅客”(分子和离子)的性别、高矮、胖瘦、嗜好的不同自动开门或挡驾，绝对不会让“胖子”到“瘦子”的房间去，也不会使高个子与矮个子同住一室。根据沸石的这一特性，人们用它来筛选分子，获得很好的效果。这对在工业废液中回收铜、铅、镉、镍、钼等金属微粒具有特别重要的意义。

2.3沸石与活性炭吸附的比较

活性炭成本较低，但存在寿命短、不稳定、受水气影响大、难脱附高沸点有机物、热气流再生过程中易发生火灾等缺点。

沸石具有均匀微孔，其孔径与一般有机分子大小相当，具有耐高温、不可燃、良好的热稳定性和水热稳定性等优点。

2.4沸石吸附的后续处理

涂装废气采用沸石转轮吸附+蓄热式燃烧方式，配用蓄热式焚化炉更高效、节能。蓄热式焚化炉(RTO焚烧炉)：废气经过一级换热器至460～500℃，如此可减少焚化炉之燃料消耗量，直燃式焚化炉一般操作温度约為730～760℃，利用高温将VOC废气燃烧反应成CO2及H2O转轮为蜂窝状结构，参见图2。转轮吸附材料是可以吸附有机溶剂的疏水性分子筛。

转轮被分为3个区域即处理区、冷却区和再生区，转轮在一个电机带动下旋转，旋转速度1-6转/小时。转轮为蜂窝状结构，参见上图图2。转轮吸附材料是可以吸附有机溶剂的疏水性分子筛。转轮被分为3个区域即处理区、冷却区和再生区，转轮在一个电机带动下旋转，旋转速度1-6转/小时。含有机溶剂的气体从处理区流过后变成相对干净的空气，其有机溶剂含量最低可降至50mg/m3以下，达到国家环保排放要求。部分含有机溶剂的空气在再生风机的作用下从冷却区流过后，被再生加热器加热到180℃左右，然后流过转轮的再生区。当再生空气流过转轮时，吸附在转轮上的有机溶剂在高温作用下被脱附出来，同时被再生空气带走。转轮工作时，再生空气与处理空气的比例在1/3～1/10之间，再生空气中有机溶剂的浓度最高可达到处理前浓度的10倍。

2.5沸石脱附及换热

蓄热式焚化炉对经转轮脱附出来的VOCs进行高温732℃裂解，裂解后的成分与O2反应，生成二氧化碳和水蒸汽换热系统：氧化炉出来的气体与脱附后的气体进行热交换，以使将进入氧化炉的气体温度达到合适温度，从而减少氧化炉燃烧燃料。将换热后的热空气回收后通入到转轮的脱附区域，利用疏水型沸石的高温脱附性能，将吸附在沸石里面的小分子VOCs颗粒与沸石分开，并与热空气一起进入下一个环节的过程。

3设备参数对去除效率的影响

(1)废气的温、湿度：控制进流温度低于40℃、相对湿度小于80%以下;

(2)转轮转速：每小时转轮转速3至4.5圈之间(随进流VOC浓度值略变);

(3)浓缩倍率：增加浓缩倍率将使得系统去除效率随之降低，但却可使得后端焚化设备减少燃料使用;

(4)脱附温度：足够之脱附温度有助于脱附程序之进行，但过高之脱附温度将可能使得转轮基材之余热无法于冷却区有效降温，以致于吸附区时转轮轮体仍处高温状态、不利于吸附程序进行。

4沸石浓缩转轮技术进展

目前沸石转轮主要依靠进口，世界范围内沸石技术较完善的有瑞典Munters公司和日本西部技研公司。瑞典Munters产品以某汽车厂涂装生产线烟气流量为20000Nm/h3,排烟温度为200℃的1台电泳烘干炉为改造案例，在其烟气排烟管末端改造安装余热回收系统，将烟温降至110℃排放，回收的余热将70℃的工艺回水加热至90℃,用于前处理槽液加热。项目实施后既能减轻环境污染，满足企业生产工艺要求，又达到节约燃料的目标。

4.1设计方案

该汽车厂涂装车间一楼设置有蒸汽站，蒸汽通过板式换热器加热热水，热水通过循环水泵送至前处理各槽体对槽液进行加热，换热后的水再送至板式换热器与蒸汽进行换热，热水的送水温度约为90℃，回水温度约为70℃。具体工艺流程如图2所示：

为回收余热，节约蒸汽用量，在电泳烘干炉高温排烟管末端设置一台与之匹配的复合管式余热回收系统，将烘干炉所排放的高温烟气降至110℃左右进行排放。

在原回水管路上新增循环水泵，通过水泵将回水送入余热回收系统内，与烘干炉排放的高温烟气进行换热后进入原回水管路，通过原循环泵将加热后的热水送至槽体加热槽液。电泳烘干炉余热回收系统工艺流程如图3所示：

4.2设计参数

余热回收系统的管式换热器采用复合管技术，材质全部采用304不锈钢，换热形式为气液换热。设计烟气阻力200pa左右，烟气接口尺寸与原烘干炉相一致。余热回收系统外形尺寸根据现场实际情况进行非标设计。

4.3经济效益分析

4.3.1回收热量的计算

已知烟气温度t1=200℃，烟气流量V=20000Nm3/h，经过余热回收系统后降至t2=110℃，则每小时回收热量Q可依据公式：Q=C.ρ.V.Δt

式中：Q为每小时回收的热量，单位kcal/h;

Δt为烟气温差，单位℃;

V为烟气在标准状态下的流量，单位为Nm3/h;

C为烟气定压比热容，单位是kcal/kg﹒℃;

Ρ为烟气密度，单位是kg/Nm3;

最终计算得Q≈75万kcal/h。

4.3.2加热热水量

已知热水进水温度t1=70℃，出水温度t2=90℃，余热利用率按85%，则可加热热水质量：

G=Q.0.85/[C(t2-t1)]

式中：G为热水量，单位为t/h:

Q为每小时回收的热量，单位kcal/h;

C为水的比热容，单位是kcal/kg﹒℃;

t1和t2为进出口水温

最终计算得G≈26t/h

4.4经济效益分析

余热回收系统每小时可回收热量Q2=Q*85%=75*0.85=63.75万kcal/h，节约大量蒸汽，降低生产成本，具体详见下表所示：

5结束语

根据工程实例表明，安装烟气余热回收系统，可以提高生产线热效率，降低总体能耗，回收余热也越大，节约能源越多。如果在实际生产中能够确保余热利用率，不仅可取得客观的经济效益，而且相应国家节能减排政策，为社会环境保护做出贡献。