汽车涂装中沸石转轮废气处理设备的设计

许艳军，张敏

（1.华晨新日汽车有限公司工艺部，江苏 无锡 214104；2.北京北汽越野车研究院有限公司，北京 101300）

随着国家经济的发展，环境问题日益严重，在“十三五”发展规划政策落地以后，国家颁布的新环保法规对工业废气排放标准进行了修订，以减轻大气污染。新大气排放标准的出台对汽车制造业的影响极大。汽车制造过程中有冲压、焊接、涂装和总装四大生产工艺，涂装作为废气排放大户，成为汽车制造过程中重点关注的对象[1]。如何减少生产中废气的排放以及对排放的废气进行有效治理，是涂装行业的重要课题。

目前，在工业上已获得成功应用的有机废气净化方案有很多，汽车涂装喷漆废气具有风量大、VOC(volatile organic compound，即挥发性有机物)浓度低、废气组分复杂，且无回收价值的特点，多采用沸石转轮浓缩后高温燃烧，最终以水和CO2的形式排入大气，做到洁净处理[2]。

1 VOC及其危害

GB/T 38597-2020对VOC的定义是：参与大气光化学反应的有机化合物，或者根据有关规定确定的有机化合物。VOC以气态形式排放，危害极大。在大气环境中，VOC会发生光化学反应而破坏大气中的臭氧层。部分VOC组分带毒性，且具有脂溶性及渗透性，可通过呼吸以外的其他方式进入人体，危害人体健康。另外，VOC也是形成PM2.5的关键前驱物之一。

2 汽车涂装VOC治理

2.1 汽车涂装中产生VOC的工序

汽车涂装工艺种类较多(如图1所示)，生产过程中产生VOC的环节比较复杂，喷漆的所有工序中均有VOC排放[3]。

图1 几种常见的汽车喷漆工艺流程示意图Figure 1 Schematic diagram of several common automobile painting processes

2.2 沸石转轮废气处理工艺

汽车喷漆烘干工序产生的废气风量较小，烘干过程中挥发的VOC浓度较高，适合采用直接高温焚烧方式净化处理。喷漆的其他工序(如喷漆、检查、流平等)所产生的VOC具有风量大、浓度较低的特点，直接焚烧处理的能耗非常高，需要浓缩处理后才能高温焚烧[4]。沸石转轮是目前已经成熟应用的浓缩设备，其详细工艺流程如2图所示。

图2 沸石转轮设备的工艺流程Figure 2 Process flow of zeolite rotator

低浓度的VOC喷漆废气通过四级过滤后被沸石转轮吸附，经转轮吸附后的空气达到排放标准，被直接排入大气。沸石转轮旋转至脱附区时经高温空气反吹令VOC分子脱附，脱附后的气体中VOC浓度很高，转去焚烧炉高温焚烧，最后分解成CO2和水后排放。

2.3 沸石转轮系统的主要设备

沸石转轮系统主要分为沸石转轮和高温焚烧设备两大块。

2.3.1 沸石转轮

沸石又称沸石分子筛，是一种多微孔硅铝酸盐(或硅酸盐)晶体，依靠物理作用(范德华力)把比其孔径小的VOC分子吸附到孔腔的内部。沸石可以根据VOC分子的大小、极性及VOC分子的饱和程度与沸点的不同，将不同种类的VOC分子分离开来。

转轮是由疏水性沸石吸附介质与陶瓷或玻璃纤维加工成波纹状膜片，再卷制成蜂窝状的圆筒形框架结构而制成的，其中部安装有旋转轴承。转轮的机械结构上装有由耐VOC腐蚀、耐高温的材料制成的气体密封垫。根据所在区域的功能，可以将转轮分成不同大小的3个区域(如图3所示)：吸附处理区占比83.3%，再生脱附区占比8.33%，冷却区占比8.33%。通过沸石转轮的吸附浓缩，能够将废气中的VOC浓度提高10倍以上，吸附原理见图4。

图3 沸石转轮分区示意图Figure 3 Schematic diagram showing different zones of a zeolite rotator

图4 VOC吸附(a)、脱附(b)示意图Figure 4 Schematic diagrams showing the adsorption (a) and desorption (b) of VOC

2.3.2 高温焚烧设备

汽车涂装喷漆废气浓度较低、风量大、成分复杂，不能直接燃烧净化处理，通常借用辅助燃料(如天然气)来实现燃烧。目前常用的热力焚烧炉有RTO(regenerative thermal oxidizer，即蓄热式氧化焚烧炉)和TNV(德语thermische nachverbrennung的缩写，即回收式热力焚烧系统)2种。

RTO的构造见图5，其原理是在高温下将废气中的VOC氧化成CO2和H2O，令废气得到净化的同时将废气分解时所释放出来的热量存储在陶瓷蓄热体内，可用来预热后续进入的有机废气，从而达到降低燃料消耗的目的。

图5 旋转RTO结构示意图Figure 5 Structural sketch of rotary RTO

TNV是利用天然气或燃油直接燃烧加热含有机溶剂的废气，在高温作用下使 VOC氧化分解为 CO2和H2O。这是近年来兴起的一种高温焚烧设备，新建涂装生产线大多采用该系统，TNV设备的构造见图6。

图6 TNV结构示意图Figure 6 Structural sketch of TNV

2.4 沸石转轮系统的设计

2.4.1 除湿装置

制作沸石转轮时会对沸石分子筛进行改性处理，将沸石结晶分子中的亲水基团除去，形成疏水性分子筛，从而降低水分子对转轮净化效率的影响。如图7a所示，VOC废气的相对湿度超过80%后会影响到转轮的净化效率。另外，VOC废气的温度变化也会对转轮净化效率带来影响。如图7b所示，当 VOC废气温度超过35 °C时，沸石转轮的净化效率降至95%左右。所以，设计沸石转轮设备时需考虑VOC废气温湿度的变化对转轮净化效率的影响，以确保废气达标排放。

图7 进气湿度(a)和温度(b)对沸石转轮净化效率的影响Figure 7 Effects of humidity (a) and temperature (b) of inlet gas on purification efficiency of zeolite rotator

目前温湿度调控常用的方式为升温除湿，即通过提升VOC废气的温度来调整VOC废气的湿度。升温则是将RTO焚烧后排放的烟气送到废气混合箱，加热待处理的废气，从而降低废气的相对湿度。设计时系统设置温湿度在线检测装置且连接至PLC(可编程逻辑控制器)，在RTO排烟出口管路上安装电动比例调节阀，根据温湿度的检测信号与PLC连锁进行比例调节，确保温度和湿度在控制范围内。

2.4.2 过滤系统

汽车喷漆废气经过文丘里设备处理后，绝大部分漆雾会被吸附，但仍有小部分漆雾颗粒会被废气带走，被带走的漆雾颗粒如不处理彻底，会粘附到转轮表面堵塞转轮，影响转轮的吸附效率，令转轮设备的使用寿命缩短。转轮前的过滤装置就像一道屏障，保护转轮不受污染。

目前，转轮过滤箱通常设置4道过滤，即“G4 + M5 + F7 + F9”，过滤等级设置见表1。各级过滤间设置压力表，以便通过各级过滤间压差更换过滤袋。另外，过滤箱在加工制作时框架的强度及框架之间的密封也需要考虑，否则在运行时会因为风压变大而导致框架变形，进而引起漆雾泄漏，污染转轮。

表1 过滤等级及过滤效率[5]Table 1 Filtration grade and filtration efficiency [5]

2.4.3 沸石转轮

目前，沸石转轮主要靠进口。转轮供应商在设计转轮时会根据油漆材料的组分来调整沸石转轮的尺寸，以确保最终排放的废气达标。选择转轮时，需考虑转轮迎面风速、浓缩比等参数。以某汽车厂的沸石转轮项目为例，喷漆废气产生量Q= 160 000 m3/h，转轮半径R= 3 m、厚度δ= 0.5 m及吸附区占转轮截面比其设计原理见图8。

图8 沸石转轮设计时的相关计算Figure 8 Calculation for the design of zeolite rotator

为保证净化效率，通过转轮的迎面风速通常不高于2 m/s，即v＜ 2 m/s。

转轮净化效率η按式(1)[6]计算。

式中ρin是转轮进口气体污染物质量浓度(单位：mg/m3)，ρout是转轮出口气体污染物质量浓度(单位：mg/m3)，Qin是标准状态(温度273.15 K，气压101.325 kPa；后同)下转轮进口气体流量(单位：m3/h)，Qout是标准状态下转轮出口气体流量(单位：m3/h)。

转轮浓缩倍率n按式(2)[6]计算。

式中Qds为标准状态下转轮脱附出口气体流量(单位：m3/h)。

在面对不同分子量和不同沸点的有机物时，沸石的吸附效率会有差异，所以在选择转轮尺寸时需考虑吸附效果最差的VOC分子的吸附效率，以确保整个废气处理设备对所有VOC分子都处理达标。

转轮的转速通常在调试时不断优化，一般设定在1 ～ 6 r/h。当迎面风速增大时，需适当提高转轮的转速，最终以废气排放浓度达标为目标。沸石转轮的脱附温度一般设置在220 °C左右，温度过高时系统消耗的能量增加，温度过低则有脱附不净的风险。另外，设计转轮时要设置压力表，通过监控各区段的压差来判断转轮是否正常运行。

转轮出厂时通常设置消防喷淋，在转轮发生火灾事故时起到消防作用，减轻转轮的损坏。

2.4.4 焚烧装置

热力焚烧装置应根据具体需求来选型。如新建项目，处理废气总量小，可选择TNV，焚烧装置后设置预热回收设备，将焚烧后排放的尾气作为预热回收使用，从而降低设备运行综合能耗。如改建项目，处理废气总量较大，可选择RTO设备。目前，RTO和TNV的净化效率均可达到99%左右，排放的废气满足环保要求，其对比见表2。

表2 TNV和RTO焚烧装置优缺点对比Table 2 Comparison of advantages and disadvantages between TNV and RTO incinerators

2.4.5 其他设备

送排风设备主要有风机、风阀和风管。

风机在废气系统内为废气循环提供风压，一般选用防爆的不锈钢离心风机，同时配备变频电机，以便节约设备运行能耗。废气主风机设定的位置通常在转轮之后，可以避免废气中的漆雾污染风机，又能使转轮吸附区形成负压，防止废气外逸。

风阀可根据需求选择气动的或电动的，气动风阀较安全，电动风阀更灵敏。

风管因为长期暴露在室外且废气进风管湿度较大，更容易发生腐蚀，所以风管板材及骨架使用不锈钢。废气进风主管道最低点设置排水管及阀门，用以排出风管内的废气冷凝水。

3 结语

随着国家环保法规要求的提高，汽车涂装VOC废气排放标准越来越严格。在整车厂涂装车间逐步升级改造的过程中正推广使用沸石转轮废气处理设备。然而沸石转轮设备的运行过程会消耗大量天然气和电能，增加了企业制造成本。下一步研究的方向是在满足VOC排放达标的前提下，提高设备运行安全性，延长设备使用寿命，提高运行效率，等等。