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前言
汽車(chē)涂裝生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的揮發(fā)性有機化合物（簡(jiǎn)稱(chēng)VOCs）的排放，是大氣污染防治的重點(diǎn)，國家及地方環(huán)保部門(mén)針對汽車(chē)生產(chǎn)的特殊性，出臺了越來(lái)越嚴格的排放標準。2015版江蘇省《表面涂裝（汽車(chē)制造業(yè)）揮發(fā)性有機物排放標準》中明確規定：汽車(chē)涂裝生產(chǎn)線(xiàn)的噴漆室和烘干室應安裝VOCs污染治理設備，且烘干室VOCs廢氣處理效率應當在90%以上，并對涂裝VOCs排放限值做出了明確規定（見(jiàn)表一）：
表一 排氣筒VOCs排放限值
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項目
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排氣筒排放濃度限值（mg/m3）
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VOCs*高允許排放速率（Kg/h）
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污染物排放監控位置
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苯
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1
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0.6
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車(chē)間或生產(chǎn)設施排氣筒
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甲苯
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3
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1.2
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二甲苯
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12
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3.6
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苯系物
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20
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8
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TVOCs
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乘用車(chē)
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30
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32
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其他車(chē)型汽車(chē)
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60
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2 汽車(chē)涂裝VOCs排放概算
汽車(chē)涂裝生產(chǎn)中的VOCs來(lái)源于涂料中的溶劑，主要通過(guò)噴漆、油漆晾干(水性漆預烘干)和烘干工序產(chǎn)生排放。烘干工序產(chǎn)生的有機廢氣，由于VOCs濃度和溫度較高，可直接進(jìn)入焚燒爐(TNV)或者蓄熱式熱力焚化爐(RTO)處理，凈化率可達到98%以上。而噴漆室排出的廢氣，由于風(fēng)量大、VOCs濃度低、濕度大，常規的過(guò)濾、吸附等工藝措施難以有效處理，目前,國內大多數的汽車(chē)涂裝車(chē)間都不作處理，與晾干區的廢氣一起經(jīng)集中排氣筒，直接高空排放。
以生產(chǎn)節拍為16JPH，采取3C2B水性漆工藝的廂式商用車(chē)涂裝為例，中涂漆及底面漆為水性漆，罩光清漆為1K溶劑型。水性漆預烘干產(chǎn)生的廢氣直排，清漆晾干區的排風(fēng)補至噴漆室循環(huán)利用，再與噴漆室的廢氣一起經(jīng)集中排氣筒排放；中涂及面漆烘干區廢氣經(jīng)RTO凈化處理后排放。 其VOCs排放速率概算見(jiàn)表二；噴漆室風(fēng)量及VOCs排放濃度概算見(jiàn)表三：
表二 涂裝VOCs排放速率概算
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項目
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油漆溶劑含量
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噴涂上漆率
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涂層干膜厚度(um)
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油漆密度
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噴涂面積
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單臺噴漆耗量(Kg/h)
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小時(shí)噴漆耗量(Kg/h)
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區域VOCs排放速率
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集中排氣筒VOCs速率
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烘房VOCs排放速率
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(g/ml)
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(m2)
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(Kg/h)
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(Kg/h)
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(Kg/h)
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VOC%
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η
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d
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ρ
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s
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Q
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Qh
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噴漆室
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晾干區
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烘干區
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水性中涂
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15%
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80%
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25
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1.3
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40
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1.53
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24.5
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2.1
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0.6
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1.0
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36.6
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0.24
|
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水性素色底漆(內表面)
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12%
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40%
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18
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1.1
|
9
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0.51
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8.1
|
0.76
|
0.53
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11.2
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水性素色底漆(外表面)
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12%
|
80%
|
18
|
1.1
|
40
|
1.125
|
18
|
1.21
|
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清漆（內表面）
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50%
|
40%
|
25
|
1.02
|
9
|
1.15
|
18.4
|
6.98
|
7.45
|
|
清漆（外表面）
|
50%
|
80%
|
40
|
1.02
|
40
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4.08
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65.3
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17
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注：水性中涂、水性素色底漆VOCs揮發(fā)比例按噴漆室：預烘干：烘干區=45%：20%：35%計算
清漆VOCs揮發(fā)比例按噴漆室：晾干區：烘干區=40%：25%：35%計算
中涂及面漆烘房VOCs經(jīng)RTO處理，凈化率按98%計算
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表三 噴漆室風(fēng)量及VOCs排放濃度概算
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項目
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室體截面尺寸
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風(fēng)速
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區域排風(fēng)量
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VOCs揮發(fā)速率
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VOCs區域排放濃度
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長(cháng)(m)
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寬(m)
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m/s
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m3/h
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Kg/h
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mg/m3
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中涂噴涂段
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中涂噴漆室
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12
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5
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0.3
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70000
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2.1
|
30.0
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中涂預烘干
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33.5
|
4.5
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10
|
19000
|
0.6
|
31.6
|
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水性底漆噴涂段
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水性素色底漆(內表面)手工噴涂段
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12
|
6
|
0.45
|
120000
|
0.76
|
6.32
|
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水性素色底漆(外表面)自動(dòng)噴涂段
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14
|
5
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0.3
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77000
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1.21
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15.71
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水性底漆預烘干
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33.5
|
4.5
|
10
|
19000
|
0.53
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28.84
|
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清漆噴涂段
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清漆(內表面)手工噴涂段
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9
|
6
|
0.45
|
92000
|
6.98
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178.6
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清漆(外表面)自動(dòng)噴涂段
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14
|
5
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0.3
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84000
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17.0
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清漆晾干段
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31
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3.5
|
0.1
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7.45
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集中排氣筒合計
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481000
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36.6
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76.2
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根據概算：集中排氣筒的VOCs排放速率36.6Kg/h，排放濃度76.2mg/m3，均超過(guò)了排放標準。其中清漆噴漆室及晾干區的VOCs排放量達到了31.4Kg/h，占到了排放總量的86%。由此可見(jiàn)，即使采取水性漆工藝，使用常規配套的溶劑型清漆，仍具有較多的VOCs排放，為了達到排放要求，需要對清漆噴涂段的廢氣進(jìn)行凈化處理。
目前，對于大風(fēng)量、低濃度的有機廢氣，常規*有效的方法是通過(guò)蓄熱式熱力焚化爐（RTO）來(lái)進(jìn)行處理。 其工作原理是：系統將有機廢氣加熱升溫至750℃以上，在燃燒室內停留0．7～1．0 s，使廢氣中的有機污染物氧化分解，成為無(wú)害的C02和H2O。廢氣燃燒產(chǎn)生的熱量被蓄熱體“貯存”起來(lái)，用于預熱新進(jìn)入的有機廢氣，從而節省廢氣升溫所需要的燃料消耗，降低運行成本。RTO的*大處理風(fēng)量一般低于100000 m3/h，廢氣VOCs處理濃度為1000～20000mg/m3，當廢氣濃度低于1500mg/m3時(shí)，廢氣燃燒產(chǎn)生的熱量較少，設備需額外增加較多的燃料消耗，用于對新進(jìn)入的有機廢氣升溫。而需處理的清漆噴涂段廢氣總排風(fēng)量達到176000m3/h，VOCs濃度僅有178.6mg/m3，由此可見(jiàn)，RTO設備并不直接適用于這樣的廢氣處理。
3 沸石轉輪濃縮系統在噴漆室廢氣治理中的應用
近年來(lái)，一種適合處理高流量（大風(fēng)量）、低濃度、高濕度、多成分VOCs廢氣的凈化設備——沸石轉輪濃縮系統，在歐美及日本等經(jīng)濟發(fā)達國家的汽車(chē)涂裝廢氣處理方面取得了較多的應用和良好的效果。
系統設備由兩大主要部分所組成，即疏水性沸石轉輪串連蓄熱式焚化爐。它的工作原理是利用沸石分子篩所具備的的高吸附性能，對有機廢氣進(jìn)行吸附濃縮，再由RTO設備凈化處理濃縮后的有機廢氣。
3.1 沸石分子篩的性能特點(diǎn)
沸石分子篩是一種鋁硅酸金屬鹽的多微孔晶體，由硅氧四面體和鋁氧四面體通過(guò)共享氧原子相互連接形成骨架結構，其表面為固體骨架，內部為多微孔的篩狀構造。內部孔穴之間有孔道相互連接，其孔徑相同，分布非常均一，分子篩依據其內部孔穴的大小，可對分子進(jìn)行選擇性吸附。沸石分子篩具有很大的比表面積（300～1000m2/g），內部孔穴有強大的庫侖場(chǎng)和極性，因此，對吸附質(zhì)分子的吸附能力很強，遠超過(guò)其他類(lèi)型的吸附劑，即使在較高的溫度和較低的吸附質(zhì)分壓（或濃度）下，仍有很高的吸附容量，是一種高性能的分離吸附材料。
通過(guò)對沸石分子篩進(jìn)行表面改性，去除結晶中的鋁原子，可消除其親水的極性，從而形成疏水性沸石分子篩。它不僅具有一般沸石分子篩的共性，在相對濕度達到80 %時(shí),都能保持幾乎不吸附水的特點(diǎn)，即使對于含水的空氣，也能夠選擇地吸附所需的物質(zhì),并且吸附量幾乎不受影響。疏水性沸石由無(wú)機氧化物組成，具有不可燃性，在900 ℃下焙燒2 h ,其結晶度仍保持不變，故熱穩定性極高，可反復通過(guò)加熱來(lái)實(shí)現脫附再生，并保證較長(cháng)的使用壽命。
3.2 沸石轉輪濃縮系統的原理及構成
沸石轉輪濃縮系統的關(guān)鍵部件是吸附輪（轉輪）, 轉輪由疏水性沸石吸附介質(zhì)與陶瓷纖維加工成波紋狀膜片，再卷制形成蜂巢狀的圓筒形框架結構，其中部安裝有旋轉軸承。轉輪的機械結構上，裝有耐VOCs腐蝕、耐高溫的材料制成的氣體密封墊，將轉輪隔離成三個(gè)區域：吸附處理區、再生脫附區、冷卻區。
全套設備主要由以下部分組成：廢氣過(guò)濾器、沸石轉輪、排氣風(fēng)機、RTO焚化系統、熱交換器、自動(dòng)控制系統。
目前，*大型號的單只沸石轉輪，廢氣處理量可達到100000m3/h，能夠將廢氣中的VOCs濃度提高5～20倍。
3.3 沸石轉輪濃縮系統工藝流程
3.3.1 廢氣的除濕、過(guò)濾處理：
沸石轉輪在吸附濃縮過(guò)程中，待處理廢氣的相對濕度低于80%時(shí)，對VOCs的吸附率可達到90%以上，當廢氣濕度大于90%時(shí)，吸附效率則下降至80%左右。
目前，國內汽車(chē)涂裝噴漆室采取水旋處理的濕式噴房較多，其排出的廢氣，相對濕度超過(guò)90%，因此在廢氣進(jìn)入沸石轉輪之前，需要進(jìn)行加熱除濕。同時(shí)，由于廢氣中含有少量漆霧等顆粒雜質(zhì)，需進(jìn)行過(guò)濾處理，避免影響轉輪的吸附效率。
3.3.2 轉輪吸附濃縮VOCs與再生脫附：
過(guò)濾后的大流量的低濃度有機廢氣被送至轉輪吸附區，轉輪可根據廢氣處理量，以1～6轉/小時(shí)的速度持續緩慢旋轉。廢氣中含有的VOCs被截留吸附在轉輪上的沸石分子篩內部，凈化后的潔凈空氣則直接排放至大氣。轉輪持續旋轉吸附VOCs，逐漸趨向吸附飽和，當轉輪旋轉進(jìn)入至脫附區時(shí)，脫附風(fēng)機提供200℃左右的高溫熱空氣，穿過(guò)吸附飽和的轉輪區域，將其中吸附的VOCs脫附并帶走，轉輪從而恢復吸附能力。脫附后的轉輪進(jìn)入冷卻區，經(jīng)冷卻空氣吹掃，恢復至常溫，再次旋轉至吸附區 ，重新開(kāi)始下一輪的工作。
3.3.3 有機廢氣凈化處理：
轉輪吸附的VOCs經(jīng)脫附后，隨脫附熱空氣送往RTO進(jìn)行凈化處理。由于，脫附熱空氣風(fēng)量?jì)H為5000～20000 m3/h，廢氣中的VOCs被濃縮了5～20倍，因此，需要*終處理的有機廢氣具備了濃度高、風(fēng)量小、溫度高的特點(diǎn)，能夠與烘干室的廢氣合并后進(jìn)入RTO集中處理，VOCs的凈化率可達到95%以上。RTO焚燒產(chǎn)生的一部風(fēng)熱能可用于轉輪脫附空氣的加熱；末端排放的高溫煙氣可進(jìn)行余熱回收，進(jìn)一步做到節能、環(huán)保。
4 沸石濃縮轉輪系統技術(shù)特點(diǎn)：
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特別適用于處理大風(fēng)量、低濃度的有機廢氣，凈化效率穩定、VOCs去除率達到90%以上。
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轉輪低壓損、無(wú)吸附損耗、對于高沸點(diǎn)的揮發(fā)性有機氣體，也能夠能有效處理。
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沸石轉輪由無(wú)機氧化物組成，具有不燃性，使用**。
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轉輪熱穩定性極高，反復通過(guò)加熱脫附來(lái)實(shí)現再生，理論使用壽命可達到10年左右。
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濃縮后進(jìn)入RTO處理的廢氣風(fēng)量小，故可以與烘房共享一套RTO設備，減少了設備投資，降低了RTO運行能耗。
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沸石轉輪可適應較高濕度的有機廢氣吸附，對于濕式噴漆室廢氣處理，可減少除濕的設備投資及運行能耗。
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可采取單只或多只轉輪并聯(lián)組合的方式，以適應不同風(fēng)量的廢氣處理。
5 結束語(yǔ)
目前，國內的北京奔馳、沈陽(yáng)寶馬、大眾寧波、廣汽日產(chǎn)、北汽增城等涂裝項目均開(kāi)始使用沸石濃縮轉輪系統對噴漆室廢氣進(jìn)行處理，通過(guò)使用的信息反饋，均達到了設計要求。北汽鎮江、南京依維柯橋林、北汽昌河等新建涂裝項目，也規劃投入該設備。國內部分設備制造企業(yè)，也開(kāi)始具備了沸石濃縮轉輪系統設備的設計、安裝能力。
隨著(zhù)國家對大氣污染防治的要求越來(lái)越嚴格，汽車(chē)涂裝VOCs排放限值必然將逐年下調，對于涂裝噴漆室廢氣排放的治理迫在眉睫。沸石濃縮轉輪技術(shù)，是現有技術(shù)條件下，處理大風(fēng)量、低濃度、高濕度有機廢氣的*佳選擇，在汽車(chē)涂裝廢氣治理中的應用將會(huì )越來(lái)越廣泛。