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喷漆室及废气治理规划的系统化思考

北极星VOCs在线  来源:现代涂料与涂装  作者:徐春  2020/4/1 14:59:34  我要投稿  
所属频道: VOCs治理  关键词:废气治理 VOCs排放 漆雾分离

北极星VOCs在线讯:0 引言

自2014年来,北京、上海、江苏等地响应国家号召,陆续发布了史上最严的汽车制造业大气污染物排放地方标准,其中将关键排放指标——非甲烷总烃排放浓度限值,从原先执行了十多年的《GB 16297—2004 大气污染物排放标准》中规定的150 mg/m³骤降至20~30 mg/m³,标志着汽车制造业正式开始环保转型。

在法规陆续出台并完善的这5年时间里,关于废气治理技术成为了汽车涂装行业最热点的话题,针对不同工况下的废气治理办法也在不断讨论分析实践中固化。然而在这一过程中,导致不同工况产生的源头——生产设备,却鲜有被提及。

本文以喷漆室为例,将生产设备与后续治理建立关联,并给出规划指引。

1 漆雾分离装置的选择

一套完整的喷漆室系统通常由送排风、动静压室、喷漆室体、漆雾分离装置四大部分组成。前三者的规划设计受到节拍、产品尺寸、喷涂形式等因素的影响,但主体结构大同小异,对于喷漆室系统而言最主要的分歧集中在漆雾分离形式的选择上。采用不同形式的漆雾分离装置会对一次投资、维护运营、废气排放等方面造成不同程度的影响。表1列举了目前汽车制造业主流的喷漆室漆雾分离装置,根据分离装置对漆雾颗粒捕集媒介的选择,可以简单分为湿式和干式两大类。

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1.1 湿式文丘里

湿式文丘里用于漆雾分离在涂装行业的应用历史悠久,目前仍是国内最主流的漆雾分离形式之一,原因有以下几点:

1)机械结构稳定可靠。湿式文丘里在循环水的动力提供方面采用了离心水泵,漆渣上浮后的刮渣环节采用了电机驱动的往复机构,除此以外再无其他可动部件。稳定可靠的机械结构减轻了车间维修的压力,同时也降低了车间运维的难度。

2)制造难度低、技术门槛低。作为目前主流形式中历史最悠久的一种,其技术核心及结构细节已经普及,门槛降低的同时也降低了一次投资的规模。

3)分离效率相对稳定。稳定的机械结构使得湿式文丘里漆雾分离装置在运行过程中的系统参数变化较小。通常只需要保证水量稳定、淌水板洁净,就可以维持初次投入时的分离效率。有关药剂添加及水质维持方面的工作一般由外包专业供应商负责,几乎不会影响到设备运行。

尽管湿式文丘里有以上诸多优点,然而从整个喷漆室系统的角度来看,湿式原理导致的空气湿度上升成了当前车间选择该形式的最大阻力。当喷漆室系统采用循环风时,选择湿式文丘里会导致付出更多的循环风除湿能耗,即使喷漆室系统不采用循环风,较高的排风湿度仍然会给后续沸石浓缩转轮的治理增加难度。这也是近期行业内都在寻求可靠的干式系统来取代湿式文丘里的最重要原因。

1.2 石灰石漆雾捕集

石灰石漆雾捕集系统在德系供应商提供的方案中被广泛应用,该系统除具备干式系统空气状态变化小的优势外,还提供了目前业内最高的分离效率,在核心参数占据绝对优势的情况下,阻碍用户选用的主要原因集中在以下两点:

1)高昂的一次投资。石灰石漆雾捕集系统最为核心的滤芯目前仍然依赖进口,且滤芯在使用过程中会有所损耗,一般整体更换周期为3 a,造成了一次投资的高昂费用以及后续周期发生的更换费用。所以通常用户会搭配高比例的循环风来使用石灰石系统,用极低的循环风能耗来体现石灰石系统的精益性。

2)废石灰处理问题。目前采用石灰石系统的所有车间都将废石灰按固废价格外包后处理。然而,废石灰中含有漆雾颗粒、VOC、金属粉末等成分,这些物质是否会使废石灰在日益收紧的环保政策下重新定义为危废,这个不确定项将严重影响该系统的可用性。

1.3 静电漆雾捕集

静电漆雾捕集系统在整体机电设计上较为复杂,通过静电将漆雾吸附至电极板上,再通过清洗剂洗去电极板上的积漆,从最终的分离效果上来看能够媲美石灰石系统,但是一次投资不占优势,且设备维护门槛较高,虽然是一项可用的优秀技术,但在国内的应用案例比较少。

1.4 纸盒式漆雾捕集

纸盒式漆雾捕集系统近年来发展迅速,因为技术门槛较低,也造成了纸盒供应商鱼龙混杂,最终呈现的效果差异较大。目前使用该系统需要关注的要点如下:

1)核心纸盒的选择。纸盒过滤的原理是采用离心碰撞捕集漆雾,所以对于纸盒本身的流道设计合理性要求极高。首先流道设计需要产生足够的折流以满足碰撞需求,其次还需要保证流道在捕集漆雾后不产生塌缩导致过早地堵塞,最后还需要在合理的空间内设计尽可能多的漆雾堆积位置来提升容漆量。同时结合以上三点设计的纸盒才能够充分发挥出干式系统运营成本低的特性。

2)纸盒后过滤的选择。就纸盒原理及现有纸盒的实际表现来看,单纯的折流离心碰撞仍然无法独立承担漆雾捕集的任务,最终的漆雾捕集依然要借助过滤袋完成。精度较低的过滤袋会导致漆雾透过量大,精度较高的过滤袋会导致滤袋堵塞快。结合纸盒本身效率来选择搭配后续过滤是产线建成后需要持续摸索的关键。

3)更换周期及周期内的变化。纸盒系统最早诞生针对的是离线修补等低产能、非连续生产的场合,采用纸盒系统可以减少设备占地,且滤材更换成本更低。在应用到整车流水线后首要考虑的因素是如何在车间生产的状态下进行纸盒更换,且对喷漆室风平衡不产生影响,其次还要考虑在一个更换周期内纸盒的阻力变化,如何设置更换周期对整个系统运行的影响最小。

1.5 漆雾分离装置的选择对废气排放的影响

无论选用哪种形式的漆雾分离装置,最终都将产生漆雾捕捉媒介与过喷漆雾的混合物,假设该混合物在收集后可以做到密闭保存、运输,那么最终混合物内的VOC含量就是漆雾分离装置对喷漆系统的VOCs减量。不同漆雾分离装置对VOCs排放的影响见表2。

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VOC在最终混合物中的残留量取决于捕捉媒介在整个系统内的滞留时间。

湿式文丘里的循环水更换频次很低,除了少量的蒸发、漆渣携带造成的适当补液外,循环水整体置换频次可长达1年甚至更久,这导致了油漆所含VOC几乎都在喷漆室系统中充分挥发,湿式文丘里对废气减排几乎没有作用。

石灰石漆雾捕集装置在使用石灰粉捕捉漆雾颗粒后会在短时间内通过管道将废石灰收集至密闭容器内,很大程度上限制了过喷漆雾在喷漆室系统内的挥发。

静电漆雾捕集系统在采用电极板吸附过喷漆雾颗粒后,为了使电极板保持清洁,满足连续生产要求,会不断使用清洗剂冲洗电极板表面,在这个过程中过喷漆雾会被收集至密闭罐体中,也能限制过喷漆雾的挥发。

纸盒式漆雾捕集装置受到产能、喷涂量以及纸盒本身容漆量的影响,纸盒更换周期从3 d至7 d不等,更换频次越高对生产运维压力越大,但却有助于减少挥发。

2 原材料挥发情况

在实际规划废气治理设备时,原材料的挥发情况虽然未被忽视,却也几乎没有被准确预估过。通常情况下一个新建车间在正式满产前,规划者并不清楚最终的排放值会是多少。通过油漆材料的MSDS信息可以大致了解VOC成分所占比重,但即使准确测定了VOC在源头的量,对于这些挥发性物质会在什么场合以什么速度挥发却依然无法明确。

例如业内规划计算阶段常常提到的定理:喷房挥发与烘房挥发的比例为7∶3。然而这是正确的吗?色漆先于清漆完成喷涂对挥发比例有影响吗?7∶3中包含清洗溶剂了吗?色漆采用水性漆或是溶剂型漆对该比例有影响吗?在油漆体系、喷涂设备和送风参数不断变化的现状下,7∶3的经验比例却几乎没做过任何修订仍然作为规划依据,这和缺少基础学科的支撑和检测仪器的支持有关。

为了明确油漆车间各工艺环节的实际排放情况,本文就国内某工厂2C1B工艺全自动喷涂线的实际情况做了以下实测统计。

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表3统计了该车间内所有含VOC原料的单车耗量,以及所有委外废弃物、非生产排放物的VOC含量,最终得到正常满产期间单车VOC排放量约为2.8 kg/h。该车间满产节拍为40台/h,合计总排放速率为112 kg/h。

再对该车间所有废气排放口进行实测,尝试找出各排放口的VOC排放比例,结果见表4。

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由表4可知,色漆排风、清漆+闪干排风这两路喷漆室主要废气排放总和达到了55.13 kg/h,几乎占了全车间排放总值的一半,与面漆烘房的排风比例也更接近于6∶4,与业内默认的7∶3存在差异。

至此,我们完成了对全车间物料的统计及排口的测量,得到的原材料的挥发数据完整性较高,具备规划参考意义。采用相同工艺的产线可以使用以上数据通过产能折算来类比使用,当然前提是同样采用湿式文丘里漆雾分离系统,对于干式漆雾捕集系统而言,最终排放值需要根据漆雾捕集媒介的实测VOC含量做扣除使用。

3结合循环风选择合适的治理手段

3.1 循环风与排放浓度的关系

喷漆室是否采用循环风以及循环风比例的选取,这些规划决策对于喷漆室结构本身影响并不太大,在项目规划阶段通常会根据自动化比例、供风需求、能源消耗、滤材消耗等因素综合考虑后决定。近年来,随着油漆体系逐步转型为水性漆,更高的温湿度要求导致的空调能耗提升迫使业内开始选择更高的循环风比例。

然而,循环风比例对后续废气治理设备规划的影响在喷漆室规划过程中很少考虑。废气治理设备似乎总是在被动接受,当然这也和早期废气治理项目大多为改造项目相关,就新建产线而言,喷漆室规划应当在工艺允许的范围内,更多地思考如何去配合废气治理设备,以得到双赢的结果。

我们继续使用表3和表4得出的结论,假设采用2C1B工艺后单车VOC排放量为2.8 kg/h,而喷漆室排风占总量的一半,达到单车1.4 kg/h。配合产能信息及喷漆室排风量,喷漆室排放浓度与节拍、风量的关系见表5。

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由表5可知,最终喷漆室排废气的浓度与生产节拍成正比,与喷漆室排风量成反比。

3.2 治理手段的对应选择

将排放浓度与30 mg/m³的排放指标挂钩后,可以得到不同工况下废气治理设备所需具备的治理效率,见表6。

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由表6可见,当产量较低、排风量较大时(表6左下角区域),几乎不需要治理排放也能达标(治理效率要求0%);当产量较高、排风量较小时(表6右上角区域),治理难度极大(治理效率要求>95%)。

当一个新建项目确定了产品尺寸、最大产能以及喷涂形式后,喷漆室布局也基本确定,通过沉降风速与投影面积的乘积得到的总送风量也就确定了下来。在这些前提下,想要调整排风量的大小,只能通过调整循环风比例的方式来完成。循环风比例设计得越高,废气浓度就越高,所需配套的治理设备效率就要越高。换言之,当后续治理设备的效率无法提高时,就要通过循环风比例的调整来适当增加排风量,换取较低的治理难度。

在整车制造涂装行业内被证明最为适用的治理手段有2种:浓缩+燃烧,直接燃烧。

“浓缩+燃烧”的设备核心为沸石浓缩转轮和焚烧设备,焚烧设备可以选择RTO或者TNV,不同的焚烧设备影响到整体系统配置、余热利用等方面的设计,但对于治理效果来说区别不大。“浓缩+燃烧”的治理手段因为存在转轮吸附效率以及燃烧净化效率的串联,其系统整体治理效率会低于直接燃烧。沸石浓缩转轮设备作为治理设备来说,存在运行维护难度高、运行效率不稳定的特点。它对于入口废气的状态有着严格的要求,温度、湿度、浓度稍有偏离就会造成整体运行效率的下降。漆雾颗粒引起的转轮堵塞案例也在业内广泛出现,然而转轮设备厂家却极少对入口颗粒计数做明确量化规定。

相比较而言,直接燃烧治理的净化效率及运行稳定性都远高于“浓缩+燃烧”治理。但是我们通常认为喷漆室排风具有大风量低浓度的特征,所以采用直接燃烧会消耗大量的天然气,通常仅用在烘干室废气的治理上。

就目前业内的使用情况来看,稳定运行的情况下“浓缩+燃烧”的治理效率可以达到93%(根据不同工况的计算结果会有差异,以厂家计算数为准),而直接燃烧的治理效率则能达到99%以上。结合表6来看,当所需治理效率低于93%时,我们可以使用“浓缩+转轮”的方案,当所需治理效率高于93%时,“浓缩+转轮”方案会无法应付高浓度的废气,采用直接燃烧治理会更为合理。并且当条件允许的情况下,尽可能提升喷漆室循环比,配合直接燃烧的治理方式,既能够降低空调能耗、治理能耗,又可以把治理量最大化,做到真正的绿色环保方案。

4 结语

行业环保近年来不断颁布新规,更新旧规,排放相关的标准越来越严格、精准,同时对原材料的控制也在完善的过程中。几乎所有人都认为加强治理、控制源头是行业环保发展的两条路径,然而从表6的结果可以看到,假设企业在愿意承担能耗费用的情况下,刻意选择大风量全新风的规划理念,那么排放的浓度值将会急剧降低,对治理设备投入需求也随之下降,但最终的结果却是实际排放值的增加;假设企业希望尽可能减少能源浪费,合理控制喷漆室排风量,又会陷入排放浓度较高,治理后依然超标的风险,但是最终的排放总量却会得到有效控制。为了在节能环保的道路上持续进步,研究设备规划对终端治理的影响,并规范与排放相关的生产设备规划原则,才是目前最具挖掘空间的地方。

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