活性炭吸附+RTO燃烧工艺在矿用设备喷漆生产线的应用

高 尚，高 健

(1.陕西陕煤陕北矿业有限公司，陕西 榆林 719000；2.煤炭绿色安全高效开采国家地方联合工程研究中心神南分中心，陕西 榆林 719000 3.陕煤集团神南产业发展有限公司，陕西 榆林 719300)

0 引言

挥发性有机物(VOCs)是对环境和人体健康都具有严重危害的一种污染物[1]，其不仅严重损害人体健康，而且是造成全球气候变暖的主要因素之一，同时还是造成光化学烟雾及雾霾现象的前驱体[2]。据统计，我国VOCs排放总量已超过3 000万t/a[3]，且来源广泛[4]，涉及行业较多[5]，造成的环境污染严重[6]。2019年生态环境部印发了《重点行业挥发性有机物综合治理方案》，2020年陕西省生态环境厅印发了《陕西省2020年挥发性有机物治理攻坚方案》，这些文件将工业涂装列入了VOCs排放和治理的重点行业。因此，探索节能减耗、环保转型的绿色涂装技术，已经成为行业关注的热点问题。金属涂装污染主要来源于喷漆、烘干过程中产生的有机溶剂挥发[7-8]。目前对涂装废气较为常见的控制技术方法主要包括了漆雾分离、后续吸附、催化氧化等工艺，其中吸附技术由于其效率高、能效低、成本低的特点，是应用最广泛、最成熟的技术之一[9]。常见的吸附剂包括活性炭、沸石分子筛、矿物黏土等。催化氧化较为成熟的技术有蓄热氧化(RTO)，催化燃烧(CO)及蓄热催化氧化(RCO)等[10]。由于VOCs废气成分及性质的复杂性和单一控制技术的局限性[11]，多种治理技术的组合工艺逐渐成为未来涂料废气处理的发展方向[12]，备受涂装企业青睐，并应用于生产线。我国是矿产资源大国，据《陕西省矿产资源报告》(2016年度)，截至2016年底，全省矿山数为4 288个，且矿业开采集中，开采强度大，对矿用设备的损耗量大。由于矿用设备维修工作完成后，需要进行喷漆、烘干再入井使用。因此，各类矿用设备生产或维修后的喷涂产生的VOCs排放，也是制约矿业领域绿色发展的因素之一。由于国家环保要求不断提高，喷漆、烤漆工作要在专用喷漆烤漆房内进行，且产生的挥发性有机物要达到国家和地方排放标准，矿用设备维修企业需要建设喷漆生产线，用于满足各类支架、三机、中部槽、采煤机等设备的外表面油漆喷涂生产需要。基于此，本文以矿用设备喷漆生产线VOCs废气治理为例，介绍了其生产线概况、VOCs治理工艺流程、设备选型及应用效果，以期为矿用设备喷漆VOCs废弃治理生产线建设提供参考。

1 矿用设备喷漆生产线项目概况

矿用设备喷漆生产线主要用于液压支架底座、顶梁、掩护梁、连杆、侧护板、推杆、片帮、前梁、立柱、千斤顶等外表面的喷漆、烘干。喷漆生产工艺流程为工件运入→预热→底漆喷涂→底漆流平→底漆烘干→平移车→面漆喷涂→面漆流平→面漆烘干→强冷→下件。

1.1 喷漆生产线概况

矿用设备喷漆生产线整体为箱式结构，设置有能够自动开合的进料门系统，中间设置隔离门系统，末端设置出料门系统，形成整套流水作业。工件使用平板车运入，经预热室预热，进入底漆室喷底漆，后进入流平室流平，再通过烘干室烘干，经摆渡车运输至面漆室喷漆，再经流平室流平，烘干室烘干，经强风冷却后输出成品。喷漆室废气采用活性炭吸附浓缩+RTO终处理的方式，为在线脱附方式，2台喷漆室合用一套活性炭吸附催化净化装置，同时考虑底漆、面漆单线运行的需求，烘干产生的有机废气通过废气引风机将废气引到喷漆室废气中，经活性炭吸附浓缩+RTO装置焚烧处理后高空排放。燃气燃烧机采用低氮燃烧机，氮氧化物NOx<50 mg/m3。

1.2 涂料类别

原漆主要由非挥发的固体分和有机溶剂等组成，涂料在喷涂前需要加入稀释剂进行调制。水性涂料的稀释剂主要为水，溶剂型涂料稀释剂主要为可挥发性有机化合物。涂料成分见表1。

2 活性炭吸附+RTO焚烧工艺

矿用设备喷漆生产线废气采用“活性炭吸附+RTO燃烧装置”处理。生产线喷漆废气通过废气风机送入干式过滤装置，干式过滤装置内置初效G4、F5二级过滤，去除废气中未处理干净的少量漆雾(去油漆漆雾)，达到进活性炭吸附床的固体颗粒物洁净要求。干式过滤装置出口气体通入放置有蜂窝状活性炭的活性炭吸附床，与蜂窝状活性炭充分接触，利用活性炭对有机物质的强吸附性将气体净化，处理后的气体达标排放。吸附床经过一段时间的运行后会达到吸附饱和，与此同时，自动开启脱附再生系统，对活性炭进行脱附再生，脱附出来的气体通过RTO氧化分解生成二氧化碳、水和部分的热量等无害气体。

2.1 活性炭吸附+RTO焚烧工艺流程

主要包括有机废气吸附流程、活性炭脱附流程、电气控制系统3部分。

2.1.1 RCOs废气吸附流程

待处理的有机废气由风管引出后进入过滤器，颗粒物及杂质被过滤材料拦截，再进入活性炭吸附床，气体中的有机物质被活性炭吸附而附着在活性炭的表面，从而使气体得以净化，净化后的气体再通过风机排向高空，排放烟囱高度原则不低于15 m，具体高度由经批复的环境影响评价文件确定。

2.1.2 活性炭脱附流程

当吸附床活性炭吸附饱和后，脱附气体首先经过RTO装置，在燃烧机加热的作用下，使气体温度加热到800 ℃左右，使有机物质氧化分解为CO2和H2O，同时放出大量的热量，一部分进入吸附床对活性炭进行脱附再生，另一部分直接排放。

2.1.3 电气控制系统

控制系统对风机、加热器、温度、阀门进行控制，当系统温度达到预定的氧化温度时，系统自动停止燃烧器的加热，当温度不够时，系统又重新启动燃烧器，使氧化燃烧温度维持在一个适当的范围，此外，系统中还有阻火器，可有效地防止火焰回串，确保系统安全。

2.2 活性炭吸附+RTO焚烧装置设备选型

2.2.1 过滤装置

废气中含有一定量的漆雾，为了防止漆雾进入到活性炭吸附净化装置，影响吸附效果，过滤材料采用合成纤维无纺布和铝复合物制成褶皱状，具有通风量大、阻力小、容尘量大的特点。

2.2.2 活性炭吸附装置

吸附箱采用碳钢制作，外涂油漆，内部装有一定量的活性炭，并设置高温检测装置，当含有机物的废气经风机的作用经过活性炭吸附层(整齐堆放)，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；经过一段时间活性炭吸附饱和时，停止吸附。活性炭吸附技术参数见表2。

表2 活性炭吸附技术参数Table 2 Technical parameters of activated carbon adsorption

2.2.3 RTO燃烧装置

RTO燃烧装置包括主体室、陶瓷蓄热体、风向切换阀、风压检测装置及燃烧器。RTO燃烧装置技术参数见表3。

表3 RTO技术参数Table 3 Technical parameters of RTO

主室体：外板为6 mm钢板，外设加强筋，壳体无缝焊接；主室体内衬防火材料内设蓄热陶瓷体和格栅等；整体装置外表面温度不超过室温15 ℃。

RTO陶瓷蓄热体：每个蓄热室装有一定量陶瓷蓄热体，且每个蓄热室的侧面安装有温度传感器，用来检测废气进口和陶瓷换热后废气温度的情况，同时在主体设备的进出管路上安装有压力传感器，以监测填料的阻力变化，并在阻力超高时提供安全报警，进出管路的压力是启动燃烧程序的条件。

风向切换阀：由于风向快速切换阀性能的好坏对RTO设备的运行非常关键，因此系统中风向切换阀要求，切换阀精度高，泄漏量小(≤1%)，寿命长(可达100万次)，启闭迅速(1 s)。风阀气动执行器设有限位开关，显示阀门的位置并反馈信号。为确保风阀工作稳定，配备有储气罐稳压。

风压检测装置：RTO装置的主进风管上配备风压检测装置，确保主风管的微负压，避免废气外溢；炉膛按照压力检测装置，防止炉膛超压危险。

燃烧器：主件为机体、马达、叶轮、电磁阀、风门控制器、旋流板、火焰监测器、火焰筒、自动点火变压器、程序控制器；使用燃料天然气(热值8 000 kcal/h，表压10～30 kPa)。

2.2.4 控制系统

系统控制面板采用触摸屏，可显示设备运行主要参数及设备的运行状态，出现异常情况可报警及自动停机，具有启动、运行、停机等功能。设备可采用自动、手动2种控制方式，自动控制具有自动启动、运行、停机及连锁功能；手动控制用于装置调试及维修。

催化脱附再生装置具备温度过热保护，若系统处于自动运行状态，不会因停电造成系统退出运行，但可根据工艺条件退出运行。

设备具有自动和手动两种操作方式。当采取自动工作方式时，设备自动运行；当采用手动工作方式时，可根据需要随意启闭任一密闭阀。可根据工况条件而改变吸附、再生周期及排气时间程序。设备带有触摸屏显示器，具有显示废气温度、故障报警等功能。

3 应用效果

该生产线自使用以来，运行稳定。根据2021年2次废气监测结果，颗粒物平均为6.2 mg/m3，氮氧化物及二氧化硫均未检出，非甲烷总烃平均为3.44 mg/m3，二甲苯平均为0.076 9 mg/m3。废气排放达到国家及陕西省排放标准；喷漆废气采用干式过滤装置去除漆雾，再与流平和烘干废气一并经活性炭吸附浓缩+RTO燃烧装置处理，挥发性有机物去除效率高，可确保达标排放。

4 结论

(1)喷漆生产工艺流程为工件运入→预热→底漆喷涂→底漆流平→底漆烘干→平移车→面漆喷涂→面漆流平→面漆烘干→强冷→下件。

(2)矿用设备喷漆室废气采用活性炭吸附浓缩+RTO终处理的方式，生产线喷漆废气进入干式过滤装置，去除漆雾，干式过滤装置出口气体通入活性炭吸附床净化达标排放。吸附床吸附饱和后自动开启脱附再生系统，对活性炭进行脱附再生，通过RTO氧化分解生成二氧化碳、水和部分的热量等无害气体。

(3)活性炭吸附+RTO燃烧工艺在矿用设备喷漆生产线的应用具有运行稳定性好、处理效率高的特点，挥发性有机物处理效果好，可满足清洁生产要求，在挥发性有机物废气治理方面具有借鉴意义。