铁路涂装作业漆雾预处理方式探讨

段建国，田立红，刘海娇，徐 琼，齐 跃

（1.中国铁路武汉局集团有限公司 计划统计部，湖北 武汉430071；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 节能环保劳卫研究所，北京100081；3.中国铁路武汉局集团有限公司武汉通信段，湖北 武汉430071）

0 引言

铁路涂装作业过程会产生涂装废气,涂装废气是指油漆中不形成漆膜而最终挥发到大气的有机化合物(VOCs)和漆雾的混合物,其化学成分包含烷烃类、芳烃类、酯类、醛类等,最常见的有苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、三氯乙烯、三氯甲烷、三氯乙烷、二异氰酸酯等[1]。VOCs是环境中细颗粒物PM2.5和臭氧O3形成的前体物,会对呼吸系统、血液神经系统及免疫系统带来严重伤害[2]。因此,需要对涂装废气进行综合治理,以满足职业接触限值和达标排放的要求。

对铁路车辆检修喷漆工艺进行深化治理,其效益体现在以下方面：通过防止企业员工发生职业病风险而减少产生的经济损失；降低违反《中华人民共和国职业病防治法》《中华人民共和国环境保护法》等法律法规产生潜在经济损失的风险；通过治理,涂装废气实现达标排放后,全天24小时均可实施喷涂作业,提高生产效率。

结合某铁路局集团公司铁路车辆检修喷漆工艺深化研究项目,探讨如何进一步加强对劳动者健康的保护,减少职工职业病的发生,改善厂区及周边地区的空气环境质量。在此,重点对铁路涂装作业治理系统中的漆雾预处理方式进行探讨。

1 涂装废气治理系统

铁路机车和车辆检修、维修喷涂工艺产生的废气属于大风量、低浓度废气,针对这一特点,需要综合高效收集、气流组织、漆雾预处理方式,以及设计适合的组合型净化技术。

由于涂装废气成分复杂,涉及的污染物种类繁多、性质各异,目前铁路车辆涂装行业最常用的组合型污染物治理方式为吸附浓缩+热氧化还原法[3]。该种治理方式可以实现吸附材料[4](活性炭、沸石转轮)的在线脱附再生,减少了危险固体废物的产生量,同时又可以彻底净化VOCs物质,使其转化为CO2和H2O。涂装废气治理系统示意如图1所示。

图1 涂装废气治理系统示意

喷漆房体为废气收集装置,配置上送下排或端送端排的气流组织方式,运用高效预处理+组合式高效治理技术,以实现连续清洁生产。这一治理方式可以有效针对涂装喷漆有机废气污染物的理化特性,以及涂装废气具有的低浓度、大风量、易燃烧、间歇性等特点,实现高效治理、稳定运行、节能减排和节省投资。

油漆以漆雾的形式从喷枪中高速喷出,可诱导周围的空气流动,使漆雾与工件周围的空气混合。由于反弹气流及车间内存在的横向气流均会影响漆雾的运动,并且喷漆工作点位也在不停移动,多因素耦合使漆雾发生无序散发,导致少量未形成漆膜的漆雾存在于喷漆废气中。总体上,喷漆废气中所含漆雾总量不大,粒径较小,但会使净化装置中的吸附材料发生堵塞,增加设备阻力,需在漆雾进入净化设备前去除。若未经处理或处理不当,漆雾易对活性炭和沸石转轮微孔造成堵塞使其失效,影响治理系统使用效果,也造成投资成本增加。因此,漆雾预处理方式的合理选择和使用,对于涂装废气治理系统的整体治理效果至关重要。

2 漆雾预处理方式

漆雾的预处理方式有湿式和干式2种,其中湿式预处理方式包括水帘喷漆室、无泵水幕喷漆室、水旋喷漆室等；干式预处理方式包括纸板漆雾过滤器、玻璃纤维棉、袋式过滤器等[5]。

2.1 湿式预处理

2.1.1 水帘喷漆室

水帘喷漆室为湿式漆雾预处理方式的一种,由水幕板、溢流槽、多级水帘过滤器、水帘板、水箱、水泵、涡卷装置等组成,如图2所示。

图2 水帘喷漆室

水帘喷漆室的工作原理：喷漆产生包含漆雾和VOCs物质的废气,污染物在气流带动下与水幕相遇,部分漆雾被冲刷到水箱内；其余漆雾在通过多级水帘过滤器的过程中被拦截在水中。

水帘喷漆室的工作流程：水箱、溢水槽、水幕内的水形成水循环系统,由水泵将水箱的水提升到多级水帘过滤器顶的溢水槽,溢水槽满后溢流的水在水幕板上形成水幕,冲刷、拦截废气中的漆雾颗粒后流入水箱,再循环往复。

水帘喷漆室中的涡卷装置和气水分离挡板可组拼、可拆卸,可组拼能够充分洗涤分离残漆和气水,可拆卸方便维护保养,以解决净化环境和方便清理漆渣。同时,为了提高涂装的上漆率和残漆捕捉率,需要保证室内气流速度,根据室内气流速度及对水幕的无中断带、连续、均匀、无水花飞溅等工作要求,还需对水幕板进行专门的结构设计。

2.1.2 无泵水幕喷漆室

无泵水幕喷漆室将排风系统与提水系统合二为一,采用空气诱导提水形成无泵的循环水幕,水经过气水通道,首先在集气箱汇集,之后流入溢水槽,经溢水槽溢流到泛水板上形成水幕,最终流回水箱,如图3所示。

图3 无泵水幕喷漆室

喷漆污染物在气流带动下与水幕发生撞击并与水混合,部分漆雾滞留在水中；穿过水帘的喷漆废气进入气水通道,通道里的水剧烈搅动,与喷漆废气再次发生强烈混合,所含漆雾也滞留在水中。混合有喷漆废气的水进入集气箱,流动截面变宽,流速突然降低,由于密度差发生气水分离；喷漆废气经过无泵水幕喷漆室的漆雾预处理后进入后段净化系统。

由于无泵水幕喷漆室不使用水泵循环供水,系统更加简单,占地随之减少；克服了因存在水泵供水系统而导致的漆渣堵塞问题,设备性能更加可靠,故障率低,方便使用和维护；含有漆雾的喷漆废气,经水幕、水帘及气水通道时,因水雾强烈的搅拌、充分混和而形成多级净化,提高了漆雾的净化效率。

2.1.3 水旋喷漆室

水旋喷漆室是在采用上送风下抽风的喷漆室,以水作为介质,使喷漆废气中的漆雾与水在喷漆室下部水池中充分混合的漆雾预处理设备,如图4所示。水旋喷漆室适用于大中型工件涂装作业的漆雾预处理[6]。

图4 水旋喷漆室

送风装置将新鲜空气送入喷漆室顶部的均压室,经均流、过滤后,以一定的断面风速,自上而下均匀送入喷漆室中,涂装作业产生的喷漆废气随着气流进入喷漆室下部的水池,水池中的水在水旋器作用下发生雾化后与喷漆废气充分混合,将喷漆废气中的漆雾滞留在水中,对混合有雾化水滴的喷漆废气进行气、水分离后,除去漆雾的喷漆废气进入净化系统,而含漆雾的水流入循环水池,通过添加专用凝聚剂凝聚净化后再经循环水泵送入水池中循环使用。该处理方式会产生漂浮的漆渣,需要定期捞出后进行深埋或焚烧处理。

由于铁路涂装作业为间断式生产作业,因而循环池中的漆膜易板结、积聚,导致循环水池和排水沟道内的漆污处理困难。循环水池和排水沟道内的漆污需定期清铲,工作量较大、现场存在明显恶臭,影响作业环境。

综上,湿式预处理的方式会产生大量的水汽,水汽进入净化吸附材料会影响其吸附性能,降低治理系统的净化效率。若吸附净化材料为活性炭,进水后的活性炭强度降低,可能造成活性炭的坍塌,存在一定的安全隐患。

2.2 干式预处理

干式预处理是指采用排风机带动漆雾通过地面的干式过滤装置将大部分颗粒状漆雾黏附在干式过滤器表面；去除漆雾后的空气通过净化装置,后经排风机排放到大气中,从而达到净化废气的目的。为提高净化效率可使用多级净化。

根据欧洲标准EN799,可以将空气过滤绵分为初效过滤G1、G2、G3、G4等级；中效过滤F5、F6等级；高中效过滤F7、F8、F9等级；亚高效过滤H10、H11等级；高效过滤H12、H13等级。合理选择滤料对VOCs废气净化系统的正常运行至关重要。滤料的性能,主要指过滤效率、透气性、容尘量、耐腐蚀性、阻燃性和强度等,这些都与滤料材质和结构有关[7]。

2.2.1 纸板漆雾过滤器

纸板过滤器多由回收利用环保纸做成,包括双层网格纸、迷宫纸箱、V型漆雾过滤纸等,应用抽滤除灰原理,容尘能力大、使用期长。采用纸板作为过滤器的优势是过滤后可作焚烧处理,更为环保、纳污能力强,缺点是纸质材料存在消防风险,过滤精密度低,对小颗粒漆雾捕捉能力较弱,需组合其他方式对小颗粒漆雾进行处置,在用于水性漆时有一定局限。纸板漆雾过滤器如图5所示。

图5 纸板漆雾过滤器

2.2.2 玻璃纤维棉

玻璃纤维棉是一种膨松的玻纤粗丝做成的过滤原材料,采用单纯性的物理阻拦原理,用于除去较大的漆雾颗粒物；玻璃长纤维以非织物方式制成,透风量大、阻力小,对漆雾捕集效率佳；高强度的玻璃纤维递增结构保证了纤维棉的强度；低压缩性能使其外型保持不变,有利于储存油雾灰尘；耐燃、耐170℃高温；价格低廉,可大量应用[8]。玻璃纤维棉对粒径在5 μm以上的漆雾颗粒去除效果较好,可作为初效过滤使用。

2.2.3 袋式过滤器

袋式过滤器在风机动力的牵引下,过滤器内部、管道及除尘罩口形成负压环境,喷漆废气在压差作用下进入过滤器,漆雾颗粒被截留在布袋表面,气体物质通过滤袋进入净化系统。随着截留的漆雾增加,布袋阻力增大,设备提示清灰,此时需要通过脉冲阀输入脉冲信号,应用压缩空气将黏附在滤袋表面的漆雾颗粒喷吹下来,并收集在积灰斗,实现漆雾回收。袋式过滤器如图6所示。

图6 袋式过滤器

一般来说,已使用的布袋由于表面附着颗粒物形成颗粒层,其除尘效果优于新布袋；各种材质的布袋中,聚四氟乙烯布袋的去除效果最佳。袋式过滤器可对1~5 μm粒径的漆雾颗粒进行有效过滤,可以作为玻璃纤维棉后的中效过滤段对全尺寸的漆雾颗粒进行过滤去除。

2.3 预处理方式比选

漆雾预处理方式比较如表1所示。

表1 漆雾净化装置综合比较[9]

结合现场实际情况,干式漆雾净化装置运行稳定,净化效率相对较高,维护简便,没有污水产生,推荐选用干式漆雾净化装置处理漆雾。干式漆雾预处理还可采用折流、沉降、吸附组合的预处理方式。在格栅下为折流板,含漆雾的气流经过时,大部分漆雾粘附在折流板上；经过折流板后,气流速度迅速下降,漆雾在重力作用下沉降到坑底(地坑内满铺塑料薄膜,积漆过多后更换)；剩余少量的漆雾随气流经过回风沟侧部的漆雾过滤装置(沿长度方向垂直立铺),固体颗粒被过滤棉吸附。漆雾过滤装置为板块式结构,便于清理及更换(饱和后的漆雾过滤棉应送进焚烧炉焚烧,以免污染环境)。

铁路车辆检修喷漆工艺深化治理项目中推荐采用多级过滤(G4+F5+F7),过滤效果可达到F7~F9级别,过滤器设置差压计,超压时报警更换滤材。多级过滤的漆雾预处理方式可有效保护后段的净化吸附材料,延长净化吸附材料的使用时间,从而降低维护频次、减少投资成本。

3 结束语

铁路涂装车间净化系统的净化效果取决于良好的设计,需要考虑漆料种类、成分、用量、节拍、工装、生产组织等。涂装废气具有低浓度、大风量、易燃烧、间歇性等特点,适宜采用组合治理方式“吸附浓缩+热氧化还原法”进行治理。漆雾预处理方式的选择和设计需要与整个治理系统相匹配,折流、沉降、吸附组合的预处理方式,漆雾净化效率高,无二次污染,不产生废水,适用于间歇式生产的喷涂车间。针对铁路涂装组合治理方式为“吸附浓缩+热氧化还原法”的涂装车间,推荐采用多级过滤(G4+F5+F7),使过滤效果达到F7~F9级别,有效去除漆雾对吸附材料净化效果的影响,实现高效治理、稳定运行、节能减排、降低投资。