涂装喷漆室有机废气VOC治理技术研究

摘要：文章介绍了涂装喷漆室有机废气VOC的几种常见治理技术,对比了浓缩+焚烧清洁净化理论的两种路线,并详细介绍了沸石浓缩吸附VOC的机理,同时对后续两种常用的有机废气焚烧处理方式进行了比较。

1 前言

随着社会的不断进步与科学技术的不断发展，现在人们越来越关心我们赖以生存的地球。近两年，汽车整车厂周围的居民投诉量与日俱增，国家出台了新环保法、大气保护法等，部分地区地方标准相继出台，环境保护已然提升到了国家发展战略层面的新高度。

为支撑国家重点区域大气污染防治“十二五”规划，某司作为环保急先锋，立即着手对汽车整车涂装车间有机废气VOC 进行治理。有机污染物种类繁多，特性各异，因此相应采用的治理方法也各不相同，常用的有：冷凝法、吸收法、燃烧法、催化法、吸附法等。涂装生产线喷漆室排放气体主要为烃类、醇类、酯类、丙二醇类、二甲苯等物质等。针对汽车涂装喷漆室有机废气污染物物理特性，且具有低浓度、大风量、易燃烧的特点，采取先浓缩+焚烧的清洁净化技术，将VOC 气体转换为二氧化碳(CO2)和水(H2O)，从而实实在在降低VOC排放量，以保护我们赖以生存的大气环保。

2 浓缩+焚烧技术的选择

根据浓缩+焚烧技术清洁净化理论，目前可供选择的方式主要有活性碳+催化燃烧法和沸石浓缩转轮+高温焚烧法两种。

2.1 活性碳吸附+催化燃烧法原理

含有机物的废气经风机的作用，经过漆雾过滤器再经过活性炭吸附层，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；经过一段时间后，活性炭达到饱和状态时，停止吸附，此时有机物已被浓缩在活性炭内。

催化净化装置内设加热室，启动加热装置，进入内部循环，当热气源达到有机物的沸点时，有机物从活性炭内脱附出来，进入催化室进行催化分解成CO2和H2O，同时释放出能量。利用释放出的能量再进入吸附床脱附时，此时加热装置完全停止工作，有机废气在催化燃烧室内维持自燃，尾气再生，循环进行，直至有机物完全从活性炭内部分离，至催化室分解。活性炭得到了再生，有机物得到催化分解处理,理论设计处理效率约为90%。流程图见图1。

2.2 沸石浓缩转轮+焚烧法原理

沸石浓缩转轮+高温焚烧法采用沸石转轮将大风量，低浓度废气转化为高浓度低风量气体，从而能选择较小的焚烧炉对高浓度有机废气进行焚烧。在低温条件下，有机废气通过沸石转盘，有机物被吸附在沸石转盘上，分出一部分气流量（约1/20）进入冷却区，冷却区气体进入换热器被加温到180℃ 到200℃，然后高温气体反向回到沸石转盘，将有机物脱附下来，浓度可做到原来的25倍以上。

在700℃-800℃温度下，将浓缩后的有机废气裂解为清洁的CO2和H2O，从而到达无害化排放。废气通过提升阀被提升到燃烧室进行燃烧，有机物处理效率99%以上。

2.3 两种方式的比较

涂装生产线面漆喷漆室排风量大、浓度低，场地狭窄，采用吸附法处理存在诸多问题，实施的可行性极低，以100万m3/h 风量为例，主要对比见表1。

目前，国内主要是电子、集装箱、汽配、化工等一些小型高浓度，低风量(排风量一般在25 万m3以下)，对喷涂车间喷涂风场要求不高，在环保要求严格的地域采用了“活性碳吸附+催化燃烧法”，该方法适用于低浓度（≤1000mg/m3）且不宜采用直接燃烧或催化燃烧法和回收处理的有机废气。

因汽车整车喷漆室风速高精度控制要求(垂直风速±0.05m/s)，活性碳占地面积大，吸附效率下降快，解附时存在相对较高的安全风险的原因，故选择沸石浓缩转轮+高温焚烧法。目前活性碳吸附+催化燃烧法在国内大型汽车整车涂装生产线无实际应用案例，国外已基本淘汰。

3 沸石浓缩转轮

3.1 沸石的吸附机理

沸石（又称分子筛）是一种硅铝酸盐多微孔的硅酸盐或硅铝酸盐晶体，是由硅氧四面体或铝氧四面体通过氧桥键相连而形成分子尺寸大小（通常为0.3~2 nm）的孔道和空腔体系，因吸附分子大小和形状不同而具有筛分大小不同的流体分子的能力。

分子筛对物质的吸附来源于物理吸附（范德华力），其晶体孔穴内部有很强的极性和库仑场，对极性分子（如水）和不饱和分子表现出强烈的吸附能力。分子筛具有均匀的微孔结构，它的孔穴直径大小均匀，这些孔穴能把比其直径小的分子吸附到孔腔的内部，并对极性分子和不饱和分子具有优先吸附能力，因而能把极性程度不同，饱和程度不同，分子大小不同及沸点不同的分子分离开来，即具有“筛分”分子的作用，故称分子筛。分子筛具有吸附能力高，热稳定性强等其它吸附剂所没有的优点，获得了广泛的应用。

3.2 沸石转轮(VOC 浓缩器)工作原理

沸石转轮的目的是为了将VOC 气体从大风量浓缩到小风量中。在小风量中，VOC 气体将更高效地被焚烧炉(TAR/RTO)处理。吸附的意思是流体分子在被称作“吸附介质”的“活性”物质上富集。类似于海绵，吸附介质将VOC 吸收进来，然后通过高温解吸再将VOC“挤”出去。VOC 浓缩器的转轮是由蜂窝状的陶瓷纤维片为材料组成，而其中又被浸渍了防水的沸石（分子筛）作为吸附介质。此浓缩系统是一个连续的运转过程，转轮一直在旋转。因此它被分为了三个区域：处理区，解吸区，冷却区，每个区域间相互隔离。含VOC 的废气在经过旋转转轮处理区的时候被收集，当气体过了转轮后，VOC 就被转轮上的吸附介质吸附了。净化的气体被释放进入大气。在解吸区域，附着在转轮上的VOC 被连续的高温及低流量解吸气体从反方向解吸收。高浓缩的VOC 气体从转盘中脱离并被送到热氧化系统做最后的VOC 净化。转轮中热的解吸区域接着被转到了冷却区域，在这里冷却气会将它冷却。VOC 废气一部分通过这块冷却区域，并去到解吸换热器中换热。在换热器中，冷却气会被TAR/RTO 等高温裂解设备出来的高温净化气体换热成为高温的解吸气体，沸石浓缩转轮分区见图6。

与其它吸附剂介质相比，沸石具有很多优势：可燃性低、由于解吸温度高，从而使用寿命长、高沸点化合物累积量减少、以及耐化学性高。

3.3 沸石浓缩转轮系统

沸石转轮浓缩系统由湿度控制系统、过滤系统、浓缩器构成。

温湿度调节系统，调节进入浓缩器废气的温湿度，通常沸石在40℃及相对湿度75%以下，吸附效果最佳。废气过滤系统，过滤喷漆室废气中易导致浓缩设备阻塞和失效的杂质、颗粒物；一般情况下，每套过滤系统分四级过滤，安装在每套温湿度调节系统后，最后一级过滤选用F9级，保证沸石转轮的最佳使用寿命。

沸石浓缩转轮系统，浓缩有低浓度机废气中的有机物(VOC)，并将大风量变为小风量，将VOC 浓缩废气送入RTO或TAR 进行清洁净化处理，根据某司涂装喷漆室的工艺、涂料特点，VOC爆炸浓度极限约为12g/m3(设计值必须小于极限值的25%)，通常我们会将浓缩器的浓缩比设计为25:1，VOC去除效率可达90%以上。利用VOC 具有可燃性，在保证安全的前提下，做到最大的浓缩比，以节约天然气的耗量。经沸石浓缩转轮净化后的气体中VOC 的浓度含量达到20mg/m3以下，与欧洲标准基本持平。

3.4 废气焚烧处理系统

根据某司多年TAR 与RTO的使用经验，TAR 具有环保与供能两个功能有效的结合，设备维护成本低，系统占地小，利于设备布置，通过加装余热回收装置，系统排烟温度可以做到110℃，节能水平与RTO 相当。从目前的绿色经济、环保、节能的方面看，TAR 这种废气处理与热能回收方式的优点已被某司所接受。TAR 与RTO 的优缺点对比见表2。

3.5 废气处理系统

TAR 设备的用途是将从KPR 浓缩器出来的VOC 脱附气体进行氧化处理。在进入TAR 燃烧腔前，废气会先被TAR 内的换热器预热。在燃烧腔中，燃烧器会提供热量来保证VOC 有效氧化需要的热量。VOC 的氧化是通过天然气燃烧器加热气流，使之达到760℃并保持这一温度至少1 秒而实现将有机物转化为无害的CO2和H2O 向大气排放。在通过燃烧腔后，净化的气体通过换热器的管道将其部分的热量传递给进来的废气。这台换热器就在TAR 出口。从燃烧腔出来的热的净化气体通过换热器将“冷”的解吸气体加热，然后去浓缩器进行解吸。

4 结语

环保已成为我国现阶段汽车涂装工业的发展趋势，也必将为我们带来巨大的社会效益。目前某司选择的沸石浓缩转轮+焚烧方式是世界一流的涂装喷漆室废气处理工艺，具有安全、高效、高热能利用率，废气排放可以满足最为苛刻的欧洲环保标准。