汽车维修4S店有机废气净化装置应用研究

2016-12-19周荣建

资源节约与环保 2016年11期

关键词：喷漆活性炭废气

周荣建杨阳

（重庆永同环保工程有限公司重庆404100）

汽车维修4S店有机废气净化装置应用研究

周荣建杨阳

（重庆永同环保工程有限公司重庆404100）

介绍了汽车维修4S店有机废气的点源、组分、浓度等特征，分析了主流有机废气净化技术在4S店有机废气治理中的适用性，结合4S店有机废气特征，阐述了采用高分子纳米材料的多级光氧催化组合装置的结构和应用特征。

汽车维修4S店；有机废气；净化装置

1 前言

汽车维修4S店表面涂装工艺产生的大气污染排放物，除含有一定浓度的漆雾外，其主要有害成分包括：芳香烃、醚酯类有机溶剂、部分增塑剂和树脂单体挥发性成分，以及热分解生成物和反应物。该类有机废气如不经治理直接排放，会严重影响大气质量，并对动植物和人类的健康造成威胁[1]。当前，有机废气治理是大气污染防治工作中的重点，我国各级政府相继出台汽车维修4S店有机废气治理要求。但目前针对4S店有机废气的研究相对较少，本文将基于实地调查数据，详细介绍4S店涂装工艺、组分、浓度特征。1.1汽车维修4S店表面涂装工艺特征

4S店涂装过程有其自身独特的工艺：钣金整形后→刮原子灰及打磨→喷漆→流平晾置→烤漆，如图1所示。

图1 汽车维修4S店表面涂装工艺流程

涂装车间实际布局与配置：调漆房、刮原子灰及喷漆烤漆房如图2所示。

图2 汽车4S店维修现场图

1.2 汽车维修4S店VOCS组分与浓度特征

大多数情况下，调漆室、刮灰打磨区域废气为无组织排放。该区域产生的挥发性有机废气及颗粒物通过自由逸散的方式弥漫于室内，该部分废气呈现出废气量小，浓度低的特征。喷漆、晾置和烤漆工艺在喷漆烤漆房内完成，该部分废气通过管道收集后排放。根据涂装工艺清洁生产标准，每100m2涂装面积将产生5kg左右的VOCS。以做整车漆为例（喷涂面积约为20m2），喷漆、晾置和烤漆过程中将挥发1kg左右的VOCs。其中，喷漆和晾置约占80%左右，烤漆过程占约20%左右。

喷漆过程由于保持持续换风，所以喷漆废气浓度较低，通常在100mg/m3以下，流平晾置过程同样保持连续换风，换风速率控制在0.2m/s左右，废气成分与喷漆废气成分相近，但不含漆雾，一般情况下，废气浓度为喷漆废气的2倍左右。

溶剂型面漆烘干废气的主要组成为面漆溶剂，成分与喷漆废气相近，另含有少量增塑剂、树脂单体或固化反应产生的有机小分子等挥发成分。为充分利用能源及节约成本，烘干过程中，烘干室通常摆满待烘干汽车及其配件，总体待烘干面积在10m2~20m2，同时，烘干过程为周期性通风，因此烘干室内废气不仅挥发性快，而且浓度累积，导致VOCs浓度较高，通常在2000mg/m3左右。

目前，汽车维修4S店表面涂装所使用的涂料分为溶剂型和水溶性两种。需要特别指出的是：以前认为，水性涂料在烘干过程中VOCs浓度很低，可以不经处理排放，事实证明是一种误解。水性涂料在其烤漆废气中仍含有较多的有机成分，同时，烤漆过程中产生的小分子物质，如甲乙酮肟和多种醇醚类混合物，其恶臭物质，如甲乙酮肟，浓度更大，为消除恶臭扰民影响，水溶性涂料烤漆废气甚至更应处理。

2 VOCs主流净化技术在4S店废气治理中的适用性分析

2.1 活性炭吸附脱附技术

活性炭具有较高的比表面、丰富的微孔结构，是公认的高效吸附剂[2]。它能吸附绝大部分有机气体，如苯类，醛酮类、醇类、烃类等以及恶臭物质。适合活性炭吸附净化的挥发性有机物，其分子量主要介于50g/mol～200g/mol，对应沸点约介于20℃～140℃[3]。因此，活性炭广泛应用于有机废气的吸附脱附工程。

以公告号CN204485504U的中国实用新型专利为例[4]，该发明专利公开了一种“喷涂废气治理装置”。该装置采用无纺布过滤、滤芯过滤、活性炭过滤的组合方式。该种方法处理汽车维修4S店中的漆雾具有较好的效果，但过滤材料的更换频率高。同时，活性炭吸附饱和后需要作危险废弃物处置，为此，将产生较高的运行成本。其次，由于汽车维修4S店中喷漆废气浓度和温度与烤漆废气温度和浓度差异很大，该方法将无法适应温度和浓度差，最终导致有机物净化效率低和恶臭气味净化效果差。

大量的工程实例表明，以下情形不宜用活性炭吸附处理：（1）废气中存在能够发生蓄热反应的化合物：如醋酸、甲醛、环己酮、丁酮；（2）废气中存在能够与再生蒸汽反应的化合物如：乙酸甲酯、氯化乙烷；（3）能够在活性炭上进行聚合反应的化合物如：苯乙烯；（4）实际再生步骤中难以去除的化合物如：可塑剂、树脂等高沸点或高分子量的化合物；（5）废气湿度过大：当有机废气湿度较高时，活性炭对有机物的净化能力迅速下降。

此外，除以上活性炭吸附缺陷外，活性炭脱附过程也存在明显的缺陷：（1）活性炭吸附床着火点低，安全系数低。由于吸附本身是放热反应，会导致吸附床内温度升高，提高运行风险。而在活性炭脱附运行工程案例中也进一步证实活性炭脱附床安全性较差：当采用热气流脱附再生，脱附温度达到100℃以上时，脱附床容易着火；而当有机溶剂中含有酮类、脂肪酸等有机物时，由于常温状态下，该类有机物吸附在活性碳上会发生局部氧化放热反应，进而造成活性碳局部过热，一旦过热温度达到活性碳燃烧温度时会引起活性碳燃烧，具有极大的安全隐患。（2）活性炭吸附脱附床不适用于高沸点有机物的脱附工作[5]。采用热气流吹扫再生活性炭，为保障安全，脱附温度不能超过120℃。但汽车维修4S店中使用的涂料及稀释剂中含有大量高沸点溶剂（如：丙二醇、甲醚、醋酸酯等）。该类有机物在过低的脱附温度下，不能被解析出来。

2.2 高温氧化（焚烧）技术

高温燃烧技术以RTO（热力燃烧）、RCO（催化燃烧）为代表，适用于大风量、中高温、中高浓度的有机废气治理。有机废气燃烧反应具有三个重要参数：时间（time）、温度（temperature）、扰动（turbulence）。亦即：在满足3T条件的前提下，RTO和RCO工艺处理有机废气具有较高的净化效率，但满足3T条件，对设备和控制条件有着高规格要求，导致投资成本和运行费用不菲。

2.3 低温氧化技术

燃烧3T条件。RTO工艺将燃烧温度控制在820℃～900℃之间，有机废气停留时间控制为1.0s～1.2s时，有机废气处理效率可达95%以上。RCO工艺将燃烧温度控制在240℃～350℃，有机废气停留时间在0.1s～0.2s时，在保证必要的进气扰动空气与有机物充分混合条件下，处理效率可达95%。，低温等离子技术、光解催化氧化作为一种低温氧化技术，可在常温常压下利用催化剂的光特性，使有机废气迅速光解，逐步氧化成一些低分子中级产物，最终氧化成无毒无害的CO2、H2O等小分子物质。

低温氧化技术根据污染物组分和浓度的不同，其净化过程停留时间有所差异。例如，在在中低浓度条件下，苯乙烯、苯和乙酸乙酯的停留时间分别为3.6s、4.8s和6s。该技术能耗低、易操作，无二次污染，且对净化恶臭气体有独特效果。同时，使用后的催化剂可用物理或化学方法再生循环使用。

针对中小风量、中低浓度的有机废气，市场上出现一类采用喷淋或活性炭吸附加等离子体催化的组合方式，但都存在一定缺陷。例如，中国发明专利（公告号CN103785254A）中公开的“一种汽车涂装废气的处理方法”，该发明提供了一种采用喷淋与光电协同低温等离子体催化技术处理汽车喷涂废气的方法[6]。

2.4 低温氧化技术缺点

2.4.1 汽车维修喷漆过程会产生大量漆渣，在采用低温等离子处理技术时，一旦漆渣处理效率低于95%，不但会降低净化效率，而且会提高爆炸风险。而采用喷淋预处理方式形成的漆渣废水会造成二次污染，采用活性炭吸附的前端处理方式则容易饱和，需要经常更换活性炭，同时但气体中存在苯乙烯时，采用活性炭吸附会发生聚合反应，会加快活性炭饱和速度。

2.4.2 低温等离子体采用的是高压放电技术，在设计过程中应当充分考虑到爆炸问题，尤其是在喷涂过程中产生丙酮、环己酮、乙酸乙酯等易挥发低燃点物质。

2.4.3 低温等离子体氧化反应速度慢，而废气在设备中通过速率过快，停留时间过短，进而不能保证维持净化效果所需要的必要时间，导致排放无法达标。

光解催化氧化技术是另外一种具有较高市场占有率的中小风量有机物治理技术。该技术对光源和催化剂等具有较高的要求[7]。光源和催化剂影响臭氧的生成，而臭氧的浓度直接影响有机物的去除效率，臭氧浓度越高，有机物降解越彻底。当前，常规光解催化设备存在的普遍问题是：催化反应速度慢、效率低，与废气排放速度快两者“共反应时间”不足，导致实际去除效率约在60%左右。

3 基于4S店有机废气特征的多级光氧组合装置

4S店排放的有机废气组分复杂、排放不规律、废气风量和温度存在波动性。因此，在设计治理汽车维修行业有机废气的工艺时，除考虑投资、运行成本外，还需要全面考虑其表现出的漆雾、温度、浓度、组分等特征。

光氧组合技术，诸如光催化与低温等离子或活性炭吸附技术相结合的工艺在市场上有一定的应用，但低温等离子的安全性对设备安全、操作要求较高，而活性炭在吸附4S店废气的过程中存在一定的吸附盲区，同时活性炭更换、委托处理过程相对麻烦。综合考虑安全性与操作方便的特性，开发新的吸附材料尤为重要。以高分子纳米材料作为吸附材料能够兼顾上述两种特性，很好的适应4S店有机废气治理。

该多级光氧组合装置采用紫外光催化氧化+高分子纳米氧化吸附净化工艺，该部分分为三个功能区：（1）均流预处理区，高流速废气经过均流板后，可均匀分布在净化设备内；（2）光催化氧化还原反应区，高能UV紫外线光束分解空气中的氧分子产生游离氧，有机物具有极强的氧化作用，达到净化有机物的目的；（3）纳米高分子深度吸附净化区，当有机化合物浓度处在峰值阶段可捕捉吸附光催化未分解及难以分解的部分气体，进行彻底的二次净化过程。该装置采用的光解催化氧化与高分子纳米吸附氧化“耦合”设计工艺，达到催化氧化与吸附净化“协同”净化效果，通过延长VOCS催化氧化时间有效解决了光解催化氧化反应速度慢、净化效率低的问题。

以应用于重庆沙坪坝某4S店有机废气治理中的多级光氧组合装置为例，该设备对苯、甲苯等去除效率在90%以上。值得一提的是，该装置针对汽车维修4S店喷漆烤漆房排放特征，尤其是烤漆废气的高浓度特点，采取了传感装置控制废气流量、温度、浓度，使其满足设备的进气条件，降低设备运行负荷。此外，前端漆雾处理装置采用自主生产的漆雾净化设备，漆雾粒子在拦截、碰撞、吸收等作用下容纳在材料中，并逐步风化成粉末状。除渣率、除雾率大于90%。