发动机涂装线VOCs废气治理技术方案的策划与分析

摘要：对增设沸石转轮吸附浓缩+蓄热式焚烧炉和由目前的溶剂型涂料升级为水性涂料这两种发动机涂装线挥发性有机化合物(VOCs)废气治理技术方案的策划进行了可行性分析和成本对比。指出了采用水性涂料的优势。

笔者所在公司的发动机涂装线废气排放目前执行GB 16297–1996《大气污染物综合排放标准》。随着国家对环境治理的决心及长三角区域、长江流域等地区环保升级要求，现有发动机涂装线废气的排放虽满足国家标准，但后续依然存在不能达标排放的高风险。基于风险的考虑，需对现有发动机涂装线VOCs(挥发性有机化合物)废气环保治理进行升级改造。结合现场实际情况，升级改造可能从以下2个方面进行：

(1) 末端废气采用沸石转轮吸附浓缩 + 蓄热式焚烧炉(RTO)处理。

(2) 从目前的溶剂型涂料向水性涂料升级。

1 沸石转轮吸附浓缩+RTO处理

1.1 原理及优势

沸石转轮浓缩吸附装置是利用“吸附─脱附─浓缩”三项连续变温的吸、脱附程序，使低浓度、大风量有机废气浓缩为高浓度、小流量的浓缩气体，特别适合处理大流量、低浓度、含多种有机成分的废气。通过转轮的旋转，可在转轮上同时完成气体的脱附和转轮的再生过程。进入浓缩转轮的有机废气在常温下被转轮吸附区吸附净化后直接排放至大气，接着因转轮的转动而进入脱附区，吸附了有机物质的转轮在此区内脱附，吸附在转轮上的有机物被分离、脱附后进入RTO系统进行焚烧，焚烧产生的热量供脱附区使用。如此循环工作，如图1所示。其特点与优势如下：

(1) 吸、脱附效率高，使原本高风量、低浓度的VOCs废气转变成低风量、高浓度的废气，降低了末端处理设备的成本。

(2) 沸石转轮吸附VOCs 所产生的压降极低，可大大减少电力能耗。

(3) 浓缩倍数达到5~20 倍，大大缩小了后处理设备的规格，令运行成本降低。

(4) 整个系统采用模块化设计，可提供持续性及无人化的操控模式。

(5) 经过转轮吸附净化后的废气可达到国家排放标准。

1.2 初步方案策划

1.2.1 喷漆房相关参数

发动机涂装线需要处理的废气源包括1 个底漆喷漆房和1个面漆喷漆房。喷漆房为上送风、下抽风的结构形式，底部设有水旋过滤装置。每个喷漆房内设置两段，其中一段为机器人自动喷涂(2个工位)，另外一段为人工补漆喷涂(1 个工位)。目前喷漆房的水旋过滤装置的漆雾净化效率不高，排风量72000m3/h，风压200Pa，废气排放口末端仍然有较多的漆雾。

1.2.2 相关设计参数

根据油漆相关资料进行分析，原漆和稀释剂的配比为10∶3。而根据油漆的MSDS(材料安全数据表)可知，底漆的原漆中有机溶剂占比大约18%，其主要组分为二甲苯和正丁醇;面漆原漆中的有机溶剂占比大约25%，其主要组分为二甲苯和醋酸丁酯。按照喷漆过程中有机溶剂的挥发量占总量的75%，喷房的废气收集效率为90%，单个喷房瞬时2 台机器人和1 个人工工位同时作业的情况进行核算，瞬时VOCs最高产生量大约为200 mg/m3。

处理方案需按照风量为144000m3/h，VOCs小于200 mg/m3，废气的成分为二甲苯、正丁醇、醋酸丁酯等进行设计。

1.2.3 执行标准

按照《上海市汽车制造业(涂装)大气污染物排放标准》(DB 31/933–2015)及相关排气筒设计要求，非甲烷总烃低于30mg/m3，排气筒设计高度20m，相关要求见表1。

1.2.4 初步设计方案

发动机涂装线末端废气处理项目具有风量大、浓度低的特点，同时含有较多的油漆颗粒物，而各种废气处理工艺各有利弊。根据现场实际工况及设备厂家的实际工程项目经验，综合考虑处理效果、占地面积、投资额、运行费用、操作维护等各方面因素，选用如下整体方案：水洗塔 + 三级干式过滤 + 沸石转轮 + 旋转RTO+风机。方案中，设备厂家设计将2个喷漆房的废气收集到一起进行处理，整套系统使用1 个转轮系统进行浓缩，同时在各个喷漆房的排风口处设置风量调节阀，便于平衡各个喷房的风量，而末端主风机采用变频控制，可根据各个喷漆房的运行情况进行调整。沸石转轮设计浓缩倍数为15~20倍，设计处理效率大于92%。旋转RTO的设计处理风量为7500Nm3/h。

1.2.5 预估成本及年维护费用

预计设备成本大于400万元，年维护成本约100万元。

2 溶剂型涂料向水性涂料升级

在溶剂型涂料喷涂过程中，过喷漆雾落入水池中会导致用于吸收过喷漆雾的循环水浑浊，水质发臭，漆渣沉淀多，常有堵塞设备的问题，影响生产的正常进行，需耗费大量人力物力来进行处理，增加了废水处理成本，而且水池的清理清洁比较困难。随着环保法规的日益严格，喷漆废水由于污染值高，有毒，且难以降解，不能直接排放。随着喷涂技术的迅速发展，以及人们对健康环保的更高要求，近年来全球兴起了水性涂料代替溶剂型涂料的潮流。水性涂料以其几乎不含有机溶剂的特性，在几个重要指标方面相对于溶剂型涂料具有压倒性的优势。

(1) 不含有机溶剂，以水为溶剂，因而不易燃易爆，大大减少了涂装车间的火灾隐患。

(2) 大幅度减少了车间内的有害气体，不再危害工人健康。

(3) 几乎不对外排放有毒的VOCs，大幅度减轻了空气污染，并减少(或直接免除)了工厂的废气处理投资。

(4) 漆渣无毒害，减轻对土壤的污染，并降低企业的固废处理成本。

2.1 生产线工艺的可行性分析

目前涂装生产线的工艺流程如图2所示。

2.1.1 前处理

切换水性涂料后需注意工件表面油脂的清洗，目前生产现场基本能满足要求，但需注意局部污染。

2.1.2 干燥过程

水性涂料烘烤前，需预留表干时间。以目前预留段链速及距离计算，表干时间足够。

2.1.3 输调漆系统

输调漆系统分为底漆和面漆循环线，项目设计之时预留了水性涂料输调漆功能，参数需摸索。

2.1.4 涂装线配套设施

在半开放式发动机涂装线中，水性涂料对镀锌板等材质的腐蚀影响较小。

2.1.5 其他

水性涂料与溶剂型涂料的特性有一定区别，涂装工人的喷涂技巧及机器人的喷涂参数都需摸索。

2.2 产品的主要技术指标

采用双组分水性环氧底漆 +“湿碰湿”+ 水性聚氨酯面漆，按照表2所述性能及相关标准进行检测。

2.3 施工要求

与溶剂型涂料相比，水性涂料的施工窗口窄，对施工应用环境的温度、湿度控制要求较高。涂装环境温度(23±2) °C，相对湿度(55±10)%的标准施工条件对获得高品质的漆膜外观，控制流挂等漆膜弊病而言至关重要。湿膜闪干、预烘烤及烘烤条件对漆膜外观的影响也较大。

2.4 设备要求

2.4.1 喷漆房

水性涂料的漆雾中含有大量的纯水和少量助剂，会直接腐蚀喷漆室内的结构件，因此要求这些结构件为不锈钢材质[2]。

2.4.2 空调系统

空调系统需具备制冷和除湿功能。

2.4.3 水性涂料的特殊闪干

油漆喷涂完成后需有10~15min 的闪干时间，之后再进入烘干室。

2.4.4 喷涂机器人

静电喷涂对机器人要求较高，但本线采用空气喷枪，对机器人无特殊要求。

2.4.5 输调漆系统

水性涂料需在5~30°C下储存，调漆间需要具备恒温恒湿的条件，以防止涂料结冰或过热，保证涂料的稳定性，调漆罐、管道等应使用不锈钢材质。

2.5 小结

发动机涂装线除机器人、输调漆系统需现场摸索施工参数外，前处理、喷涂、干燥等工艺均适合切换为水性涂料。若人工喷涂，直接采用现有的经典配套切换至水性涂料(水性底漆 + 水性面漆)，基本无客观风险。

3 两种改造方案的对比分析

现有生产线溶剂型涂料与水性涂料耗量及综合成本对比分析见表3。

总结：环保高压政策之下，生产企业采用环保水性涂料进行涂装的话，综合成本更低，安全管理、生产管理等更省心省力。

4 结语

随着环保管控的持续收紧，以及企业对成本降低的持续追求，综合发动机涂装车间现有工艺、设备等情况，VOCs废气治理方向可倾向于由溶剂型涂料向水性涂料的升级方案。该方案可以带来不少益处。

(1) 社会效益：采用低VOCs的水性涂料顺应了中央及地方政府对大气污染进行管控的环保法规，符合国家和地方环保政策，为地方VOCs治理起到模范带头作用，可向市、区财政及环保局申请改造补贴及减税(如环保税)、免税等政策。

(2) 经济效益：根据国家环保法规及工厂所在地马鞍山市地方政府的环保政策，要达到VOCs排放的严苛标准必须使用水性涂料涂装，其综合成本低于溶剂型涂料，企业经济效益突出。

(3) 品牌效益：“绿色、环保、安全”贯彻于企业及产品的所有环节，既体现企业的社会责任，又为广大客户提供有环保附加值的产品和服务，品牌形象进一步提升。

在实施时仅需重点考虑以下问题：

(1) 现场设备需符合水性涂料喷涂要求，否则要进行改造，且要综合考虑改造成本。

(2) 水性涂料开发选型需满足漆膜的技术指标要求。

(3) 设备升级改造的周期及对生产的影响。