涂装喷漆室有机废气VOC治理技术研究

徐超 罗灯远

摘 要：文章介绍了涂装喷漆室有机废气VOC的几种常见治理技术，对比了浓缩+焚烧清洁净化理论的两种路线，并详细介绍了沸石浓缩吸附VOC的机理，同时对后续两种常用的有机废气焚烧处理方式进行了比较。关键词：VOC;沸石浓缩;TAR;RTO中图分类号：U466  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2019）01-165-04

Study on VOC treatment technology of organic exhaust gas in paint shop

Xu Chao， Luo Dengyuan

（Beijing Electric Vehicle CO.， LTD， Beijing 100176）

Abstract： In this paper， several common treatment techniques of organic exhaust gas VOC in paint shop are introduced， two routes of concentrated+incineration clean purification theory are compared， and the mechanism of zeolite concentrated adsorption VOC is introduced in detail， and the following two commonly used methods of organic exhaust gas incineration are compared.Keywords： VOC; Zeolite concentration; TAR; RTOCLC NO.： U466  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2019）01-165-04

1 前言

隨着社会的不断进步与科学技术的不断发展，现在人们越来越关心我们赖以生存的地球。近两年，汽车整车厂周围的居民投诉量与日俱增，国家出台了新环保法、大气保护法等，部分地区地方标准相继出台，环境保护已然提升到了国家发展战略层面的新高度。

为支撑国家重点区域大气污染防治“十二五”规划，我司作为环保急先锋，立即着手对汽车整车涂装车间有机废气VOC进行治理。有机污染物种类繁多，特性各异，因此相应采用的治理方法也各不相同，常用的有：冷凝法、吸收法、燃烧法、催化法、吸附法等。涂装生产线喷漆室排放气体主要为烃类、醇类、酯类、丙二醇类、二甲苯等物质等。针对汽车涂装喷漆室有机废气污染物物理特性，且具有低浓度、大风量、易燃烧的特点，采取先浓缩+焚烧的清洁净化技术，将VOC气体转换为二氧化碳（CO₂）和水（H₂O），从而实实在在降低VOC排放量，以保护我们赖以生存的大气环保。

2 浓缩+焚烧技术的选择

根据浓缩+焚烧技术清洁净化理论，目前可供选择的方式主要有活性碳+催化燃烧法和沸石浓缩转轮+高温焚烧法两种。

2.1 活性碳吸附+催化燃烧法原理

含有机物的废气经风机的作用，经过漆雾过滤器再经过活性炭吸附层，有机物质被活性炭特有的作用力截留在其内部，洁净气体排出;经过一段时间后，活性炭达到饱和状态时，停止吸附，此时有机物已被浓缩在活性炭内。

催化净化装置内设加热室，启动加热装置，进入内部循环，当热气源达到有机物的沸点时，有机物从活性炭内脱附出来，进入催化室进行催化分解成CO₂和H₂O，同时释放出能量。利用释放出的能量再进入吸附床脱附时，此时加热装置完全停止工作，有机废气在催化燃烧室内维持自燃，尾气再生，循环进行，直至有机物完全从活性炭内部分离，至催化室分解。活性炭得到了再生，有机物得到催化分解处理，理论设计处理效率约为90%。流程图见图1。

2.2 沸石浓缩转轮+焚烧法原理

沸石浓缩转轮+高温焚烧法采用沸石转轮将大风量，低浓度废气转化为高浓度低风量气体，从而能选择较小的焚烧炉对高浓度有机废气进行焚烧。在低温条件下，有机废气通过沸石转盘，有机物被吸附在沸石转盘上，分出一部分气流量（约1/20）进入冷却区，冷却区气体进入换热器被加温到180℃ 到200℃，然后高温气体反向回到沸石转盘，将有机物脱附下来，浓度可做到原来的25倍以上。

在700℃-800℃温度下，将浓缩后的有机废气裂解为清洁的CO₂和H₂O，从而到达无害化排放。废气通过提升阀被提升到燃烧室进行燃烧，有机物处理效率99%以上。

2.3 两种方式的比较

涂装生产线面漆喷漆室排风量大、浓度低，场地狭窄，采用吸附法处理存在诸多问题，实施的可行性极低，以100万m³/h风量为例，主要对比见表1。

目前，国内主要是电子、集装箱、汽配、化工等一些小型高浓度，低风量（排风量一般在25万m³以下），对喷涂车间喷涂风场要求不高，在环保要求严格的地域采用了“活性碳吸附+催化燃烧法”，该方法适用于低浓度（≤1000mg/m3）且不宜采用直接燃烧或催化燃烧法和回收处理的有机废气。因汽车整车喷漆室风速高精度控制要求（垂直风速±0.05m/s），活性碳占地面积大，吸附效率下降快，解附时存在相对较高的安全风险的原因，故选择沸石浓缩转轮+高温焚烧法。目前活性碳吸附+催化燃烧法在国内大型汽车整车涂装生产线无实际应用案例，国外已基本淘汰。

3 沸石浓缩转轮

3.1 沸石的吸附机理

沸石（又称分子筛）是一种硅铝酸盐多微孔的硅酸盐或硅铝酸盐晶体，是由硅氧四面体或铝氧四面体通过氧桥键相连而形成分子尺寸大小（通常为0.3～2 nm）的孔道和空腔体系，因吸附分子大小和形状不同而具有筛分大小不同的流体分子的能力。

分子筛对物质的吸附来源于物理吸附（范德华力），其晶体孔穴内部有很强的极性和库仑场，对极性分子（如水）和不饱和分子表现出强烈的吸附能力。分子筛具有均匀的微孔结构，它的孔穴直径大小均匀，这些孔穴能把比其直径小的分子吸附到孔腔的内部，并对极性分子和不饱和分子具有优先吸附能力，因而能把极性程度不同，饱和程度不同，分子大小不同及沸点不同的分子分离开来，即具有“筛分”分子的作用，故称分子筛。分子筛具有吸附能力高，热稳定性强等其它吸附剂所没有的优点，获得了广泛的应用。

3.2 沸石转轮（VOC浓缩器）工作原理

沸石转轮的目的是为了将VOC气体从大风量浓缩到小风量中。在小风量中，VOC气体将更高效地被焚烧炉（TAR/RTO）处理。吸附的意思是流体分子在被称作“吸附介质”的“活性”物质上富集。类似于海绵，吸附介质将VOC吸收进来，然后通过高温解吸再将VOC“挤”出去。VOC浓缩器的转轮是由蜂窝状的陶瓷纤维片为材料组成，而其中又被浸渍了防水的沸石（分子筛）作为吸附介质。此浓缩系统是一个连续的运转过程，转轮一直在旋转。因此它被分为了三个区域：处理区，解吸区，冷却区，每个区域间相互隔离。含VOC的废气在经过旋转转轮处理区的时候被收集，当气体过了转轮后，VOC就被转轮上的吸附介质吸附了。净化的气体被释放进入大气。在解吸区域，附着在转轮上的VOC被连续的高温及低流量解吸气体从反方向解吸收。高浓缩的VOC气体从转盘中脱离并被送到热氧化系统做最后的VOC净化。转轮中热的解吸区域接着被转到了冷却区域，在这里冷却气会将它冷却。VOC废气一部分通过这块冷却区域，并去到解吸换热器中换热。在换热器中，冷却气会被TAR/RTO等高温裂解设备出来的高温净化气体换热成为高温的解吸气体，沸石浓缩转轮分区见图6。

与其它吸附剂介质相比，沸石具有很多优势：可燃性低、由于解吸温度高，从而使用寿命长、高沸点化合物累积量减少、以及耐化学性高。

3.3 沸石浓缩转轮系统

沸石转轮浓缩系统由湿度控制系统、过滤系统、浓缩器构成。

温湿度调节系统，调节进入浓缩器废气的温湿度，通常沸石在40℃及相对湿度75%以下，吸附效果最佳。

废气过滤系统，过滤喷漆室废气中易导致浓缩设备阻塞和失效的杂质、颗粒物;一般情况下，每套过滤系统分四级过滤，安装在每套温湿度调节系统后，最后一级过滤选用F9级，保证沸石转轮的最佳使用寿命。

沸石浓缩转轮系统，浓缩有低浓度机废气中的有机物（VOC），并将大风量变为小风量，将VOC浓缩废气送入RTO或TAR进行清洁净化处理，根据我司涂装喷漆室的工艺、涂料特点，VOC爆炸浓度极限约为12g/m³（设计值必须小于极限值的25%），通常我们会将浓缩器的浓缩比设计为25：1，VOC去除效率可达90%以上。利用VOC具有可燃性，在保证安全的前提下，做到最大的浓缩比，以节约天然气的耗量。经沸石浓缩转轮净化后的气体中VOC的浓度含量达到20mg/m³以下，与欧洲标准基本持平。

3.4 废气焚烧处理系统

根据我司多年TAR与RTO的使用经验，TAR具有环保与供能两个功能有效的结合，设备维护成本低，系统占地小，利于设备布置，通过加装余热回收装置，系统排烟温度可以做到110℃，节能水平与RTO相当。从目前的绿色经济、環保、节能的方面看， TAR这种废气处理与热能回收方式的优点已被我司所接受。TAR与RTO的优缺点对比见表2^[1]。

3.5 废气处理系统

TAR设备的用途是将从KPR浓缩器出来的VOC脱附气体进行氧化处理。在进入TAR燃烧腔前，废气会先被TAR内的换热器预热。在燃烧腔中，燃烧器会提供热量来保证VOC有效氧化需要的热量。VOC的氧化是通过天然气燃烧器加热气流，使之达到760℃并保持这一温度至少1秒而实现将有机物转化为无害的CO₂和H₂O向大气排放。在通过燃烧腔后，净化的气体通过换热器的管道将其部分的热量传递给进来的废气。这台换热器就在TAR出口。从燃烧腔出来的热的净化气体通过换热器将“冷”的解吸气体加热，然后去浓缩器进行解吸。

4 结语

环保已成为我国现阶段汽车涂装工业的发展趋势，也必将为我们带来巨大的社会效益。目前我司选择的沸石浓缩转轮+焚烧方式是世界一流的涂装喷漆室废气处理工艺，具有安全、高效、高热能利用率，废气排放可以满足最为苛刻的欧洲环保标准。