航空发动机零件喷漆废气治理研究与应用

2022-07-20中国航发成都发动机有限公司申阿芳

区域治理 2022年29期

中国航发成都发动机有限公司申阿芳

“十三五”以来全国337个地级及以上城市臭氧浓度上升20.9%，而挥发性有机物（VOCs）是形成O3的重要前体物，所以，加强VOCs治理势在必行。航空发动机零件经铸造、抛光等处理后需进行表面喷漆，喷漆采用的原料漆、稀释剂、固化剂等原辅材料中主要含有苯、甲苯、二甲苯等有害的挥发性有机物。挥发性有机物对环境的污染不容忽视，可能会诱发光化学烟雾、雾霾等环境污染事件，长期停留在空气中更会影响动植物的生长；对人体的毒害也不可小觑，长时间吸入会对人体的呼吸系统、血液神经系统、肝肾脏、皮肤、眼睛等造成不可逆的伤害，更严重的可引起白血病、各类癌症等疾病的发生。为了降低VOCs气体的排放浓度，减少对环境和人体的伤害，首先研究了喷房的喷漆工艺特征、废气参数、VOCs浓度等，经过多种工艺对比，选择采用以催化氧化为主体，过滤、吸附为预处理的工艺替代原单一活性炭吸附工艺，最终达到减排的目的。

一、研究目的

为了降低VOCs气体对环境的危害，本次研究决定对原喷漆废气的单一活性炭处理进行改造，改造后，可达到以下目的：

（1）废气净化设施改造后，苯、甲苯、二甲苯和VOCs稳定达到《四川省固定污染源大气挥发性有机物排放标准》（DB51/2377-2017）要求。

（2）在满足相应标准的前提下，减少VOCs气体至少1t/a。

二、前期参数研究

在废气处理设施改造前，首先对喷漆工艺、风量、VOCs浓度等相关参数进行了研究。

（一）喷漆工艺特征研究

某航空发动机制造公司喷漆房内设手工喷漆工位，主要针对航空发动机机匣、叶片等零件喷漆。航空发动机对零件的防锈、防腐蚀要求非常高，与水性漆相比，油性漆具有良好的防锈、防腐蚀效果，且附着力好，在表面可形成致密的保护膜，不易被水浸润和氧化，所以，从源头削减VOCs排放量的可能性较小，主要考虑末端治理。

本次研究的喷漆具有以下特点：1.航空发动机零件众多，面积大小不一，大至1.5m，小至0.1m，喷漆量差异大；2.航空发动机非流水线生产，作业连续性差，负荷时高时低；3.风量较大，各生产负荷下废气中VOCs浓度差别大，经过对各种负荷下喷漆废气VOCs浓度的监测，发现VOCs产生浓度范围为50mg/m3-120mg/m3不等。

表1 排气筒挥发性有机物排放限值

原有喷漆废气处理方式为单一的活性炭吸附，因废气风量大，VOCs浓度低，吸附效果差，出口浓度不稳定，处理效率低，所以，迫切需要研究新的废气治理工艺。

（二）风量的计算

喷房为全封闭结构，作业人员为手工室内作业，设机械送排风系统，

Qs=3600FV

式中：F—送风截面积m2

v—为空载风速，按要求送风风速在0.5m/s

Qs—总送风量m3/h

考虑顶部镶嵌安装照明等设施，实际送风面积为：4*3.5=14m2

Qs=3600×14×0.5=25200m3/h

为保证喷房微正压，排风风量约为送风量的98%，即24696m3/h，最终确定设计排风量为26000m3/h。

（三）VOCs浓度的确定

公司委托资质单位对喷房内各生产负荷下产生的废气进行监测，浓度范围约为50-120mg/m3，属低浓度废气。

三、工艺的选择和确定

目前，VOCs末端治理工艺有吸收法、吸附法、冷凝法、燃烧法、生物降解、光催化等，可单独使用，实际应用中大多采用组合工艺，以下分别从各类处理工艺的应用范围、行业、优缺点、适用浓度和风量、投资和运营成本几方面进行了对比。

由前期喷房喷漆工艺及相关参数可知，废气产生不连续，VOCs浓度变化较大，但总体浓度偏低，任务量最大时，VOCs浓度可达到120mg/m3，风量为26000m3/h。经过工艺优缺点、适用范围、投资及后期运营费用比较，最终选择过滤-吸附-浓缩-催化氧化法对喷漆VOCs进行处理。

四、工艺设计及设备

喷漆废气首先通过室内无泵水帘去除颗粒物后，会有水汽和未处理的颗粒物带入后续处理设备，从而对活性炭吸附造成堵塞，所以废气经干式过滤器通过物理阻挡的方式去除颗粒物后，再进入活性炭吸附器。活性炭吸附器内填充有针对有机废气专用的活性炭，活性炭具有高孔隙率高吸附性的特点，废气中的有机成分的小分子和活性炭间通过分子间力的吸附作用，捕集其中的有机成分。吸附饱和后进行脱附，脱附的VOCs气体进入催化燃烧系统，在250℃的温度下进行催化反应，最终生成CO2和H2O，同时释放能量，废气由排气筒排至大气环境中。催化反应式如下：

（一）过滤设备

喷漆废气首先经过喷房内无泵水幕去除部分漆雾后，进入干式过滤器除水雾和颗粒物。本次研究过滤设备为碳钢喷塑，选用的是弹性强、抗断裂、耐高温的玻璃纤维材质的过滤棉作为滤材，纤维成递增结构能拦截5μm以上的微粒，具有很好的疏水性和低阻力，去除效率可达到95%以上。过滤棉通量为8000m3/m2，20mm时初始阻力只有不到40Pa。过滤棉四周加装耐腐蚀的金属边框固定，更换方便。

（二）活性炭吸附设备

1.吸附

吸附原理：废气经过干式过滤器处理后进入活性炭吸附器，活性炭吸附器是系统中关键部分。吸附器内填充有针对有机废气专用的活性炭，活性炭具有高孔隙率、高吸附性的特点，废气中的VOCs小分子和活性炭间通过分子间力的吸附作用，捕集其中的VOCs，经过一定时间的吸附后，活性炭接近饱和时需进行更换。

表2 常规VOCs治理技术比较

吸附介质：在废气处理上使用的活性炭一般有柱状炭和蜂窝状炭。本次研究就两种炭进行探讨，最终选取蜂窝状炭，主要是因为其为多面体结构、孔隙度良好，孔密度为16孔/cm2、比表面积大＞800m2/g、吸附性能好、风阻小的优点，可大大提高对VOCs的吸附性能。

本次研究的活性炭吸附设备主体采用碳钢制作，内部采用格栅和不锈钢丝网，罐体采用卧式装填活性炭，装填面积大、装填量多、阻力小，阻力损失为400Pa。

活性炭吸附器为多层设计，气流分布均匀、稳定，空塔风速0.8-1.0m/s时，实测压损小于50mmAq，器层厚度300mm，具有良好的吸附效果和经济压损。本次研究的喷漆浓度约100mg/m3，每天工作10h，单位时间排风量按负荷96%计算，即25000m3/h，则每天产生污染物的量约25kg。

2.脱附

活性炭吸附器达到饱和状态时停止吸附，进入脱附状态，并联的活性炭进入吸附状态，根据现运行效果看，约3天需进行一次脱附。

脱附和吸附方向相反，吸附工作时废气从上至下通过活性炭层，VOCs在活性炭中浓度也是自上而下递减的。脱附时热空气从下部进入，更有利于有机物的吹脱下来，上部高浓度的废气直接被热空气带走。带走的废气进入催化燃烧室内进行高温分解处理。脱附风机风量为1500m3/h，浓度为10400mg/m3，脱附温度为120℃，主要考虑浓度必须低于苯的爆炸下限20%-25%。

脱附是一个吸热的过程，经过论证，催化燃烧释放出的热量足够脱附使用，所以，无须另外增加外部热源。

（三）催化氧化设备

浓缩后的VOCs废气由管道系统进入焚烧炉，先经过一个初步热交换器预热，产生的热空气进入吸附器用于脱附。脱附后的VOCs进入辅助燃烧室的燃烧器加热到催化剂反应需要的温度（250℃）。加热后的气体经过催化器时会发生快速的化学氧化反应，生成二氧化碳和水，同时放出热量，这些热量又可以用于加热新的VOC进气。

燃烧时产生的热空气被用来加热活性炭脱附吸附的有机物，形成热量的循环利用，减少辅助燃烧时燃烧器的耗能。当燃烧后的烟气温度过高时需启动补冷风机调整脱附空气的温度，使活性炭吸附器处在安全有效的脱附环境。

表3 设备运行结果

表4 设备运行效果

催化燃烧是一种无焰（无明火）氧化过程，需利用高效的催化剂来加速VOCs的分解，所以催化剂的选择非常重要。根据本次研究对象喷漆类有机废气成分复杂，催化剂的服役条件恶劣，最终选择贵金属催化剂，主要是铂和钯的合金，这种合金具有低温高活性和起燃温度低的特点，对S的抗毒性也强于金属氧化物。

五、运行结果及分析

（一）设备运行结果

1.废气达标排放

系统安装完毕、调试后开始正常运行，经过资质单位取样监测后，结果表明废气经“过滤+吸附+浓缩+催化氧化”工艺处理后，废气中VOCs浓度为8.01mg/m3，处理效率达到了93%，可满足《四川省固定污染源大气挥发性有机物排放标准》（DB51/2377-2017）要求限值：60mg/m3，同时与单一活性炭相比，可减排VOCs量约1.14t/a。

2.后期运营情况

后期运营主要包括活性炭、过滤棉和催化剂的更换、定期检修。活性炭平均1.5年更换一次，更换量约为3m3；过滤棉平均一个月更换一次，更换量为两块1.2m×1.5m的棉，催化剂4年更换一次，更换操作简便。后期运营费用约12万元（包含电费）。