有机催化燃烧法在喷漆有机废气治理中应用研究

摘要：随着国家工业化的快速发展，近年来人们对大气环境质量越来越关注，以挥发性有机污染物为代表的大气环境污染日趋严重，喷漆企业因使用溶剂型涂料和溶剂型稀释剂而成为挥发性有机废气的主要排放源。由于有机废气存在易挥发、成分复杂、挥发性不同等特点，难以去除。催化燃烧法是有机废气治理的其中一种方法，其在远低于直接燃烧温度条件下处理低浓度的VOCs 气体，具有净化效率高、无二次污染、能耗低的特点，是商业上处理VOCs应用最有效的处理方法之一。

随着经济快速发展，应用喷漆工艺的化工、汽车、机械、电子产品、船舶等行业也随之不断壮大。喷涂过程中排放的有机废气对周围环境甚至人类健康带来危害，喷漆废气主要以三苯为主，有些还兼具酯类、醚类、酮类等组分。这些挥发性有机物轻则使人头痛恶心，重则抽搐昏迷，伤害人体免疫系统。为有效解决这些问题，国家及部分省市已颁布一系列法律法规和大气环境保护标准限制和治理废气产生的危害。

一、慨述

催化燃烧是典型的气—固相催化反应，它在催化剂的作用下降低反应的活化能，使其在较低的起燃温度250～350℃下进行无焰燃烧，在固体催化剂表面有机物质发生氧化，同时产生CO2 和H2O，并放出大量的热量，因其氧化反应温度低，所以大大地抑制了空气中的N2形成高温NOx。而且由于催化剂有选择性催化作用，有可能限制燃料中含氮化合物的氧化过程，使其多数形成分子氮。

二、催化喷漆废气的成分及危害

在喷漆涂装过程中高压空气喷射的油漆绝大部分停留在工件上，其他未到达喷涂表面的喷雾微粒与溶解喷漆微粒的水珠悬浮在空气中，以及喷涂过程中产生的挥发性有机化合物形成喷漆废气污染环境。由于不同油漆涂料所用溶剂不同，因而在喷涂过程中产生的废气组分也不同。以汽车喷涂为例检测标准，不同油漆以及采用不同工艺生产的涂料其VOCs 成分及比例也大不相同。[1]某规模较大汽车涂料企业中发现VOCs 主要成分为乙酸仲丁酯、甲基异丁酮、甲苯、乙酸丁酯、乙苯和二甲苯，且二甲苯和乙酸丁酯所占比例接近50%。某工业园有关涂料的众多企业时检测出苯、甲苯、二甲苯和正乙烷为VOCs主要成分。研究涂装排放VOCs 特征谱后得出其主要VOCs 依次为乙酸乙酯、乙苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯和乙酸丁酯等。喷漆废气对人类危害不容忽视，散发在空气中的漆雾经呼吸道吸入后会引发急慢性中毒，损害人体的神经和造血系统。吸入高浓度的苯、甲苯、乙酸乙酯等废气短时间内会抑制人的记忆力、注意力和感觉运动速度，长时间接触会对肝脏造成毒性反应，甚至对中枢神经造成破坏。见表。

三、喷漆废气处理技术

喷涂废气不仅含有挥发性有机物，还包含喷涂过程中悬浮在空气中的漆雾，漆雾会影响后续有机废气处理，所以喷漆废气净化前需要去除其中的漆雾，以便对其中挥发性有机物净化治理。

1、湿式净化法。湿式净化法是依据相似相溶原理，通过溶剂吸收喷漆废气中的漆雾，常用的处理法。

（1）水帘式净化法。水帘式净化法是经过水泵循环喷淋产生流动的帘状水层，水幕捕集飞散的漆雾，一般大型水帘式喷漆室将水帘斜坡放置在室底，通过专用循环水泵调节水帘形状，当喷漆气流通过水帘时，漆雾被附着留下。工业上常见的水帘式喷漆室设备主要由喷漆室室体、漆雾净化器、水气分离器、水过滤器、水循环管、照明装置、风机、水泵及电器控制系统等部分组成。水帘式净化法可有效降低喷漆废气中漆雾的排放量，操作方便，结构简单。但水幕净化产生含有漆雾的废水，需废水处理防止二次污染；对于大型水帘喷漆室，大面积水帘会增大室内空气湿度，影响工人工作环境和涂层质量。

（2）无泵水幕式净化法。无泵水幕式净化法是利用空气诱导提水形成水幕，当喷漆废气与水幕碰撞后，水幕截留雾状微粒及其携带油漆的水珠；然后废气穿过水帘进入气水搅拌通道，在通道中与水混合；进入集气箱后由于气速降低发生气液分离，净化后的气体排放到大气中，被分离的水在集气箱中汇集流向溢水槽，再通过泛水板形成水幕，循环重复净化喷漆废气，相对于水帘式净化法，无泵式净化法去除了水泵设备，优化了净化流程，节约成本和占地面积，同时克服了漆雾黏附管道内壁导致水泵阻塞的现象。

2、干式净化法。干式净化法是将喷漆废气进入过滤器，利用滤层阻留喷漆废气中的漆雾和颗粒物，常用玻璃纤维棉、炉渣等作为滤料。过滤法可以去除大部分漆雾，并对其中的挥发性有机物进行少量吸附。该方法无二次污染，不产生废水；缺点是过滤不够彻底，对设备污染严重，易堵塞。从表5 可以看出，相对于湿式净化法，干式净化法在性能上不够稳定，但由于美国等已将湿式净化排放的含涂料废水视为危险废弃物，企业开始放弃湿式净化法，转而使用没有废水排出的干式净化法。

三、有机废气的净化处理

经去除漆雾处理后的喷涂废气主要含有挥发性有机物，其处理技术包括传统净化技术、新型净化技术和复合型净化技术。燃烧法是将喷漆废气中的有机物燃烧氧化，转换成CO2 和H2O 无害物质达到废气净化目的。燃烧法可分为直接燃烧法、热力燃烧法、催化燃烧法、蓄热燃烧法等类型。

1、直接燃烧法。高浓度可燃有机废气宜采用直接燃烧法。直接燃烧法需要足够高温度，并保证燃烧空间内拥有足够氧气。若氧气量不足则燃烧不完全；若氧气量过多，会使可燃物浓度不在着火界限范围内导致不完全燃烧。为防止气体爆炸，一般在锅炉或敞开的燃烧器中燃烧废气，燃烧温度大于1100℃；但当燃烧不完全时，会导致一些污染物和烟尘排放到大气中，同时燃烧的热能无法回收，造成燃料能量损失。

2、热力燃烧法。低浓度可燃有机废气可采用热力燃烧法处理。浓度低可燃性物质导致在燃烧过程中不足以释放支持整个燃烧过程所需的能量，因此需加辅助燃料作为助燃气体，通过燃烧助燃气体提高热量，使废气达到反应温度并充分燃烧，热力燃烧法温度一般在500～900℃范围内，低于直接燃烧法温度。如图所示。

3、催化燃烧法。催化燃烧法被视为处理VOCs 的一种高效技术，在催化剂作用下VOCs 可在较低温度下（通常为200～400℃）氧化生成无污染的CO2 和H2O。催化燃烧法无二次污染，工艺操作简单，安全性高，起燃温度低；但催化剂性能优劣决定VOCs 净化效果，因此，高性能催化剂选择和研究开发是高效新型催化燃烧法，处理高浓度、小风量有机废气可采用催化燃烧法，但喷漆废气风量大、VOCs 浓度一般低于300mg/m3，不太适合处理喷漆废气。

4、蓄热燃烧法。当有机废气浓度不高时，常规的热力燃烧和催化燃烧不足以维持自燃，需要额外补充大量热能，因此宜采用蓄热燃烧。目前应用的蓄热燃烧器分两种：蓄热式热力燃烧反应器（RTO）和蓄热式催化燃烧反应器（RCO）。对于RTO 装置，一般由蓄热式换热器、热力燃烧室和切换阀门组成，常见的基本形式有二室、三室和多室RTO。二室RTO在进行阀门切换过程中会发生管道残留有机废气同净化后的废气一同排放问题，导致在净化周期内有一半以上时间内无法实现达标排放，净化效率低于80%；三室RTO 在二室RTO 的基础上增加了冲洗室，解决了废气未处理就排出问题，但阀门过多很难实现同步切换，使未处理废气同净化气体混合，无法实现达标排放；对于多室RTO 亦是如此。RCO 装置一般由蓄热催化炉和旋转换向阀组成，蓄热催化炉内分隔成多个蓄热催化室，有机废气通过旋转换向阀的进气口进入蓄热催化室中加热，待气体温度达到200～500℃后通过另一个蓄热催化室，在催化剂作用下得到净化并释放热量，净化后的高温气体被蓄热体吸收能量并降低温度，最后通过旋转换向阀的排气口排出，蓄热燃烧技术优势在于净化效率高、无二次污染，同时实现能量回收，节约燃料，具有良好应用前景。

选择合适工艺治理喷漆废气污染很有必要，干式净化漆雾过滤效率较低，应用范围较窄；湿式净化前期设备投资较高，但性能稳定、净化效率高、运行成本较低，大部分企业选用该方法。 随着科技不断进步和实验研究的不断深入，喷漆废气治理由单一净化工艺向多种工艺结合的方向发展，在发挥不同工艺优势的同时，也规避单一工艺的不足，最大程度提高喷漆废气的处理效率。