汽车行业涂装废气净化处理设计探讨

朱文康

（广东凯特净环保工程有限公司，广东 佛山 528000）

引言

我国汽车行业迅猛发展，已经逐步成为我国国民经济的一个主要支柱。为适应不断增加的市场需求，国内各大车企都在加紧扩建生产基地，利用这一历史性的机会，在全国范围内启动大量的整车生产基地。与此同时，公众对环境特别是空气质量日益重视，雾霾、PM2.5、AQI空气质量指数等已经成为气象预测中不可或缺的一部分，每年的空气优良天数也被作为衡量地方政府绩效的一个重要标准。

1 工程概况

该汽车企业位于广东省清远市，从所掌握的信息来看，该项目在运行过程中将会排放大量的油漆烟雾等有害物质。由于其具有较强的毒性，如果未经治理，会对工厂内部及周围住户的生活造成一定危害。鉴于此，根据相关环保法规，该企业对已建成的尾气净化设备进行改造，使其达到排放标准。因此，公司在所提交的汽车行业相关信息的基础上，就该项目二期涂装生产线所排出的油漆雾烟气的净化处理方案进行了详细规划，以供用户制定相关政策。

2 净化工艺的选择

2.1 工艺选择原则

每种技术均有其应用范围，相关人员应结合实际情况进行归纳和优选，并制定相应的技术方案。相关人员要根据处理规模、废气成分、处理效果、土地条件、工程地质、环保等因素进行综合考量，确定合适的废气处理技术。

废气处理工艺选择原则为：（1）技术成熟，对废气变化适应性强，运行稳定；（2）经济节约，电耗少、造价低、占地少；（3）易于管理，操作方便，设备性能稳定；（4）重视环境，防护臭气，控制噪声，环境协调，清洁生产。

2.2 净化工艺

2.2.1 吸收法净化气态污染物

吸收法是指选择适当的液态吸收剂对混合介质进行处理，以达到对一种或多种有毒物质进行净化的目的。在VOCs治理方面，吸收法由于具有较强的吸附能力，可与大多数石油类污染物发生混溶，因此被广泛采用。

根据吸附原理，吸附法可划分为物理吸收法和化学吸收法。VOCs的吸收一般通过物理吸收方式进行，基于有机化合物的类溶性原则，一般使用高沸点和低蒸汽压的柴油或煤油作为溶剂，将挥发性VOCs由气相迁移至液相，再经脱附去除，在去除挥发性VOCs的同时实现溶剂的再生。在吸收剂在水中的情况下，通过蒸馏法可以将其中的有机溶剂分离；若吸收剂为非水性，为了减少操作费用，往往需要对其进行再生。

吸收剂是一种可以在吸收过程中对混合物进行选择性溶解的液体，主要分为两大类：一类是物理吸收，另一类是化学吸收。吸收剂与溶剂间没有发生任何化学发应，其溶解度仅依赖于气液两相平衡。该吸收剂包括高沸点的碳氢化合物、水、酸（碱）溶液、胺溶液等。

以往使用的各种吸收剂均有其各自的缺点，比如80年代以来，主要使用无极性的石油溶剂（如轻柴油、洗油等）来吸附，80年代初期已开始实用化，吸附率达到90%以上。然而，该类矿物油属于可燃物质，其成本不断攀升，后处理工艺繁琐，容易产生二次环境污染。

水是最廉价、最易获得且最安全的液体，是最理想的吸收剂，然而VOCs在水溶液中溶解度较低（如100 g水溶液中，VOCs的溶解度只有0.07 g），因此需添加具有促进其分散、乳化和溶解性的无机添加剂来提高其发泡特性。为提高挥发性有机物在水溶液中的溶解性，一般采用强碱弱酸作为添加剂，配合表面活性剂，其也具有较好的助洗效果；此外，还可以通过添加不同的表面活性剂来改善吸附效果，实验结果表明，选择合适的表面活性剂对污染物的去除效果优于单独使用吸收剂。

2.2.2 吸附法净化气态污染物

有毒气体吸附技术是一种以多孔材料为载体的新型高效吸附技术，可有效去除含水分、有机溶剂蒸汽、恶臭及其它有毒有害物质的气态污染物。在实际应用中，吸附材料有多种类型，如活性土、活性炭、活性氧化铝、硅酸等。作为一种广泛使用的吸附材料，其性能稳定，耐腐蚀性强。因其具有良好的憎水性能，可用于对较小的有机溶剂和恶臭物质的吸附。

近年来，我国对医药、化工、食品等行业进行了大量的净化和脱臭研究。通过大量的实际应用，证明了该技术对各种有机污染物的高效吸收能力。目前，国内外普遍使用的是固定床吸附法，该方法具有结构简单、使用简便、吸收剂易受污染等特点，还存在需要定期替换吸附剂等不足。

2.2.3 冷凝法净化气态污染物

冷凝法是基于相同温度下具有相同蒸汽压力，且相同材料具有不同饱和蒸汽压的特性，对两种气体进行降温或增压，从而实现一种或多种组分的分离，尤其适合对含10 000 ppm以上尾气的有机溶剂蒸汽进行处理。该法从原理上来说可以实现较高的纯度，但如果是有害材料，则需要经过两个步骤的凝结，即先凝结后冻结，成本较高。因此，凝结方法不宜用于对低浓度烟气进行净化，通常用于对高浓度烟气进行吸附、焚烧等预处理，以达到减压的目的。

2.2.4 低温等离子体净化气态污染物

与传统的固态、液态、气态不同，等离子体需要在周围形成一个巨大的磁场，然后将其击碎，形成一个由电子、各种离子、原子及自由基组成的混合物，这个混合物中正离子与负离子具有相同的带电性，因此被称作等离子体。在极高的电子和极低的温度下，系统处于极低的温度，因此被称作“冷等离子体”[1]。低温等离子体对有机污染物的处理主要是通过高能电子、自由基等活性颗粒与尾气中的有机污染物相互作用，快速将其分解，从而实现对有机污染物的高效降解。

利用低温等离子体技术可以在常压下去除大气中的挥发性有机物，其主要降解产物为CO2、H20、Cl2、Br2等，但对于处理高浓度、大流量的挥发性有机废气效果较不理想。

2.2.5 生物除臭法净化气态污染物

生物脱臭法是利用微生物对尾气中的有害物质进行捕捉和降解，并将其氧化成无害的CO2、H2O和其他无机物质如硫酸、硝酸等。硫酸和硝酸被硫杆菌和硝酸菌进一步分解，成为无害的材料。当尾气浓度较低时，可利用循环泵将培养液循环至生物填料顶端，并将其喷洒于生物填料表面，为微生物提供养分，促进其生长与增殖。

生物滤池是一种新兴的环境异味治理方法，其嗅味存在短流量或在流道截面上不均布等问题，目前我国对该领域的研究才刚刚起步，相关的研究与应用还很缺乏，相关技术还需要深入探讨。

2.2.6 直接焚烧法净化气态污染物

目前，利用直接燃烧技术处理有机气体具有不依赖于污染物特性和排放特性、处理效率高达99%的优点，是目前使用最为普遍的一种处理方式。直燃技术可适应微小流速的扰动，但当流速增大时，会因滞留时间缩短及不均匀而造成燃烧不充分，进而影响污染物的脱除效率，因此不利于大流速条件下的废气处理。在排放气流被稀释后，为了确保所需的燃烧温度，可以将其作为燃油来处理。目前采用的方法较多，且工艺较为完善，但存在焚烧炉和预热器材料高温氧化和操作成本高等问题。

3 净化工艺流程

3.1 有机废气处理工艺流程

本项目漆雾有机废气净化系统主要包括喷淋吸收塔、干式过滤器、活性炭吸附器、催化燃烧再生装置、气流管道、调节阀、风机、烟囱和电控系统等。工艺流程见图1。

图1 有机废气处理工艺流程图

3.2 有机废气工艺流程说明

3.2.1 吸附气体流程

在吸附过程中，电动阀1和2开启，而人工阀1被封闭。开启吸收风扇，将车间排出的有机尾气通过风道排出；先经过洗涤塔，过滤器进行除尘；再净化废气流中的漆雾灰尘，将经过过滤的气体通过风扇送至聚合物筛的吸收层中，将其中的有机物吸收到活性碳上并将其捕获；将该气体净化，然后将其送至烟囱进行排气。

3.2.2 脱附气体流程

待活性炭吸附饱和后，该设备可切换到脱附过程，对活性炭进行再生。脱附时首先停止吸附风机，关闭电动阀门1、2，打开手动阀门1，启动催化床的预热功率；启动脱附风机，再自动调节电动阀门2、3之间的开度，可使脱附温度稳定在100～120 ℃左右，对活性炭进行脱附；脱附出来的有机物质，送入催化床，在催化剂的作用下被分解成CO2和H2O，同时放出大量的热，使气体温度进一步升高[2]；经过催化床的高温气体分两部分，一部分直接排空，另一部分与新鲜的冷空气混合后进入吸附室，用来脱附活性炭。一般达到脱附～催化燃烧自平衡过程须启动电加热器2～3小时左右，达到热平衡后可关闭电加热装置。这样的再生处理系统利用废气中的有机溶剂做燃料，在无须外加能源的基础上，使再生过程达到自平衡循环，极大减少了能耗，且无二次污染。

4 相关设备及参数设计

4.1 系统处理风量的设计

根据厂方提供的资料，汽车行业在生产过程中会产生职业卫生危害因素，主要包括废气、废水、高温、有机溶剂及噪声污染等，本项目主要是针对该汽车行业二期涂装线作业过程中产生的漆雾废气进行治理。按业主要求，设计风量为135 000 m3/h，考虑各废气点的平面布局及作业时净化系统的运营费用等因素，各废气净化系统的处理风量及其分类如表1所示。

表1 系统分类及其设计风量参数

4.2 设备选型及设计

4.2.1 喷淋塔的设计

本工程中的烟尘、油污、漆雾等杂质采用洗涤法净化，同时可对气体降温。设备采用高效多相洗涤，其原理是含尘气体与水混合后，产生高速旋转，液体进入后成流化状态，气液分布均匀，颗粒物与液体接触、碰撞而被洗涤下来，实现气体的除尘、除污、降温。洗涤塔结构由贮液箱、水泵、填料层、喷淋段、进风段、布气层、支撑层、脱水填料层、出风段和排水系统等组成[3]。

在洗涤塔内部安装的喷淋系统，管道采用SS304不锈钢制作，支管采用活接（或卡扣式）安装，以便拆装清洗。喷淋管道安装了涡旋喷头，能够保证废气与循环液的接触效果。

4.2.2 吸附器的设计

根据本项目所处理气流的性质、浓度及成分特性，吸附器采用固定床设计，吸附剂采用高碘值防水蜂窝状活性炭。吸附器采用单元化制作，根据废气的处理风量，配置相应数量的装填框及吸附器。

根据活性炭吸附剂的特点及系统的处理风量，本方案中吸附单元统一制作，吸附单元的设计处理风量为22 500 m3/h，因此，吸附处理系统需要配置6个吸附单元，其中5个单元在线吸附，1个脱附，交替轮流操作。

吸附单元设计炭层厚度为600 mm，根据业主需求及维保经验，活性炭装填框高度设计为125 mm，按4层设计，以减轻装填框重量并方便清洁、装卸。

4.2.3 风机的设计

本设计方案各净化系统选用德通/粤协离心引风机，根据本系统的设计风量及系统阻力计算，其性能参数如表2所示。

表2 风机性能参数表

由于风机位于楼面，为了尽可能降低风机震动带来的影响，本方案风机降震采用混凝土基础及两级减振处理措施。

5 结语

为了保护生态环境，实现经济社会的可持续发展，我们需要在工业生产的各个环节都尽量减少能源消耗，同时在污染物排放末端进行净化处理，以尽量减少污染物排放量。采用本方案对涂装车间喷漆室的废气进行处理后，该设备运行稳定可靠，大大减少了VOC排放总量，取得了较好的社会效益。