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涂装车间VOCs处理工艺方案选择

作者: 来源: 日期:2018-3-8 17:22:28 人气:0

涂装车间废气主要是涂料所含的有机溶剂和涂膜在烘干时的分解物,统称为挥发性有机物(VOCs),对人的健康和生活环境有害,并且有恶臭,其中包含苯、甲苯、二甲苯、非甲烷总烃等以及其他有害气体。这些VOCs废气不仅威胁着车间生产作业人员的健康,对大气生态环境的损害也是不可逆转的。因此,对于涂装车间的VOCs处理刻不容缓。


1废气处理政策

1.1相关术语

挥发性有机物:参与大气光化学反应的有机化合物,或者根据规定的方法测量或核算确定的有机物。

苯系物:苯、甲苯、二甲苯(对-二甲苯、间-二甲苯、邻-二甲苯)、苯乙烯及三甲苯(1,3,5-三甲苯、1,2,4-三甲苯和1,2,3-三甲苯)等的合计。


1.2政策背景

2016年7月6日山东省环境保护厅与山东省质量技术监督局联合发布《挥发性有机物排放标准第一部分:汽车制造业》(DB37/2801.1-2016)于2017年1月1日实施。本部分规定了山东省汽车制造业挥发性有机物排放控制和监测要求,以及标准的实施与监督等有关要求。山东省汽车制造业排放水污染物、除挥发性有机物外的其他大气污染物、恶臭污染物、环境噪声适用相应的国家和地方标准,产生固体废物的鉴别、处理和处置适用相应的国家固体废物污染控制标准。

此标准适用于现有汽车制造企业挥发性有机物排放管理,以及汽车制造业建设项目的环境影响评价、环境保护设施设计、竣工环境保护验收、排污许可证核发及其投产后的大气污染物排放管理。


1.3政策规定

1.3.1法规标准

根据《挥发性有机物排放标准第一部分:汽车制造业》(DB37/2801.1-2016)电动汽车为M类、N类汽车,其涂装生产线VOCs排放浓度规定值,见下表:



1.3.2山东省大气排污收费政策

大气排污收费征收范围:2017年1月1日起,在试点行业基础上,结合山东省排放制定进程,对汽车制造业、家具制造业和铝型材工业开征VOCs排污费。

为更有效的控制以及激励企业VOCs排放治理,现企业VOCs排污收费将按照不同级别进行征收:企业VOCs排放浓度值在规定排放限值75-100%(含)的,排污费按收费标准征收;VOCs排放浓度值在50-75%(含)的,按标准的75%征收;VOCs排放浓度值低于50%(含)的,排污费减半征收。

企业VOCS排放浓度高于国家或山东省规定排放限值,或者VOCs排放量高于规定排放总量指标的,按山东省规定的征收标准加一倍征收排污费。企业生产工艺装备或产品属于国家规定的淘汰类的,按山东省规定的征收标准加一倍征收排污费。


2涂装车间现状

2.1涂装车间生产线介绍

涂装车间生产线有:前处理电泳线、电泳烘干、打磨涂胶线、中涂喷漆线、中涂烘干、中涂打磨、面漆喷涂线、面漆烘干、精饰、塑料件喷涂线、塑料件烘干,其中VOCS产生环节为电泳烘干、涂胶PVC喷涂、中涂喷漆线、中涂烘干、面漆喷涂线、面漆烘干、塑料件喷涂线、塑料件烘干。


2.2涂装车间VOCs

2.2.1涂装车间VOCs成分

目前涂装车间普遍使用油漆物料成分比较复杂,油漆物料的不同,其成分也各不相同。其中电泳漆主要包含环氧树脂、乙二醇单丁醚、正乙基丙二醇、封闭型异氰酸酯;面漆则包含聚酯树脂、氨基树脂、二甲苯、醋酸丁酯、丙二醇、甲醚醋酸酯、三甲苯、四甲苯、丁酮、环己酮等成分。

由以上油漆物料成分可知:涂装车间VOCS成分复杂,且成分物质沸点温度较高,沸点区间范围较广(111-196.8℃)。


2.2.2涂装车间VOCs的特点

1)喷漆室、流平室处理气量非常大、温度低、湿度高、VOCS浓度低;塑料烘干室、中涂烘干室、面漆烘干室和电泳烘干室处理气量小、温度高、VOCS浓度高。

2)废气含易燃易爆挥发性有机物,安全方面应重点考虑。

3)废气中VOCS的成分主要有二甲苯、三甲苯、四甲苯、醋酸丁酯等,组分比较复杂,且沸点大多比较高(117.6-196.8℃)。

4)PVC底涂室、点修补室由于溶剂使用量小,经测算其排放浓度能达到山东省《挥发性有机物排放标准第一部分:汽车制造业》的规定,为降低设备投资,可单独排放。


2.3VOC排污收费

2017年1月1日山东省将实施《挥发性有机物排放标准第一部分:汽车制造业》(DB37/2801.1-2016)。根据现场初步计算:

1)目前涂装车间VOCS含量远超标准规定限值,如不进行相关废气处理,根据排污收费政策,每年将交付数百万元排污费;

2)增加相关废气处理措施后,根据不同的处理效果会产生不同的排放量,较未处理前节省约数百万元/年。


3废气处理方案

为保证涂装车间排放废气浓度达到《挥发性有机物排放标准第一部分:汽车制造业》(DB37/2801.1-2016)规定标准,需进行一定的废气处理措施。通过了解现在制造业中存在的废气处理工艺有:UV光解催化氧化、活性炭吸附-脱附+催化燃烧、沸石转轮吸附+RTO,结合工艺原理、处理能力、处理效率、使用寿命等多方面考虑对这三种处理工艺进行介绍对比。


3.1UV光解催化氧化

3.1.1工艺流程

UV催化氧化废气处理基本工艺流程如下图.



3.1.2系统原理

UV光解氧化废气净化装置采用高强度纳米紫外线破坏、分解大分子链为小分子链,再利用臭氧和烃基自由基、催化剂进行催化氧化,使有机物变为二氧化碳和水。


Ⅰ破坏裂解阶段:采用特制高强度纳米紫外线光管在处理装置内产生高能C波段(253.7波段)紫外线,破坏破坏、裂解有机物分子链,改变物质结构,将大分子物质裂解、氧化成为低分子物质或无害物质,如水、二氧化碳。


Ⅱ催化氧化阶段:采用高强度纳米紫外线光管在处理装置内产生高能C波段(185波段)紫外线,此波段紫外线光束可分解空气中的氧分子产生游离的活性氧,游离氧因电子状态不稳定极易与氧分子结合产生臭氧。臭氧对有机物具有极强的氧化作用,可裂解恶臭气体分子键、破坏细菌的DNA,达到脱臭杀菌的目的。


3.1.3UV光解处理能力

根据UV光解废气处理原理得,此处理方案的处理关键点为通过特制纳米紫外灯管发射的辐射能量破坏裂解有机物分子键链接。

根据相关化学计算破坏裂解阶段使用的253.7波段紫外线能量为:471.35KJ/mol,催化氧化阶段使用的185波段紫外线能量为:676.37KJ/mol。

UV光解装置中253.7波段的紫外线能量不能破坏大部份物质的一个分子键,无法将污染物分子中的C、H破解单出,同时无法在催化阶段与氧分子结合为CO2和H2O。因此UV光解催化氧化工艺无法完全处理涂装车间的VOCs。


3.1.4方案结论

根据UV光解处理原理能力以及其执行标准方面得:UV催化氧化处理工艺只能处理涂装废气中小部分污染物质,无法完全处理涂装车间排放的废气,废气排放浓度无法达到标准要求。UV催化氧化不适于涂装车间VOC处理,建议汽车涂装行业废气处理工艺不予采纳UV催化氧化处理技术。


3.2活性炭吸附-脱附+催化燃烧

3.2.1材料介绍

活性炭是用木材、煤、果壳等含碳物质在高温缺氧条件下活化制成,它具有巨大的比表面积(500-1700m2/g)。


3.2.2系统原理

活性炭吸附:经预处理过滤处理的废气通过活性炭微孔吸附在活性炭表面,去除废气中的有机物,达到净化气体的作用。

活性炭脱附:当吸附床吸附饱和后,切换脱附风阀和吸附风阀,启动脱附风机对该吸附床脱附。脱附新鲜空气首先经过新风入口的换热器和电加热室进行加热,将新空气加热到120℃左右进入活性炭床,炭床受热后,活性炭吸附的溶剂挥发出来。

催化燃烧:溶剂经风机送入到催化燃烧室前的换热器,然后进入催化燃烧室中的预热器,在电加热的作用下,使气体温度提高到250-300℃左右,再进入催化燃烧床,有机物质在催化剂的作用下无焰燃烧,被分解为CO2和H2O,同事放出大量的热气体温度进一步提高,该高温气体再次经过换热器预热未经处理的有机气体,回收一部分热量。从换热器出来的气体再通过新风入口的换热器对脱附新鲜空气进行加热,经过换热后的气体通过烟囱引高排放。


3.2.3工艺流程

活性炭吸附-脱附+催化燃烧的工艺流程如下图:



3.2.4工艺处理

1)过滤装置

为了防止废气中的漆雾进入到吸附净化装置系统,以确保吸附处理系统的气源干净、干燥、无颗粒,在活性炭吸附装置前增加过滤装置对废气进行预清理工作。目前常用的过滤方式有两种:一种采用二级过滤方式,一种采用干式过滤材料。

二级过滤方式分为一级过滤为初效过滤器,二级过滤为袋式过滤器。干式过滤材料是由玻璃纤维多层复合而成。这两种方式均需定期清理更换,同时过滤装置将会产生固体废弃物,造成二次污染。


2)活性炭装置

含有机物的废气经风机的作用,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。随使用时间增长活性炭吸附能力下降,需进行定期更换。更换后的活性炭为固体废弃物,造成二次污染,需通过第三方处理公司进行处理。


3)催化燃烧

活性炭脱附时,启动催化净化装置,使热气流进入内部循环,当热气源达到有机物的沸点时,有机物从活性炭内解析出来,进入催化室进行催化分解成CO2和H2O。催化燃烧采用陶瓷蜂窝体的贵金属作为催化剂,需定期更换,同时废弃的催化剂为贵金属污染物,需第三方处理公司进行处理。


3.3沸石转轮吸附+RTO

3.3.1核心装置介绍

疏水性沸石:其为硅铝碱氢氧化合物,是由无数个四面体以三度空间所组成,藉由SiO2和AlO2来连接,其中心组成是铝原子和硅原子,四周则有氧原子连接(AlSiO4)。键结后的沸石会形成不同形状的孔隙。

蓄热式燃烧炉(RTO):利用高温氧化原理,将含挥发性有机物的废气在足够温度以及反应时间的条件下,经由燃烧过程而分解成CO2和H2O。


3.3.2系统原理

含挥发性有机物的废气通过空气过滤器等预处理后,再经过疏水性沸石浓缩转轮,废气中的VOCs能被有效吸附于沸石中,达到去除的目的。经过沸石转轮吸附后的净化气体,直接通过烟囱达标排放到大气中。

沸石浓缩转轮分为三个区:吸附区、脱附区和冷却区。沸石转轮以每小时1-6转的速度持续旋转,与此同时将吸附的挥发性有机物传送到转轮的脱附区。在脱附区中利用小股加热气体(180-220℃)将挥发性有机物进行脱附。脱附后的沸石转轮旋转到冷却区,经冷却后旋转至脱附区,持续吸附挥发性有机气体。

脱附后的浓缩有机废气送到RTO燃烧炉进行燃烧,转化成水和二氧化碳后排放到大气中。利用热交换将燃烧产生的热量用来预热脱附用气体,并提供废气在燃烧炉燃烧前的预热,使系统达到节能的功效。


3.3.3工艺流程

沸石转轮+RTO处理工艺流程如下图:



4方案对比总结

在涂装车间VOCs相关排放标准理解的基础上,结合涂装车间废气特点,在废气处理的相关方面对UV光解催化氧化、活性炭吸附-脱附+催化燃烧、沸石转轮吸附+RTO三种处理工艺进行对比。其对比情况详见下表:



结合上述方案对比,涂装车间废气(VOCs)处理工艺结论为:

1)UV光解催化氧化在理论处理能力方面无法达到废气处理效果,不予采用;

2)活性炭吸附-脱附+催化燃烧在日常­­生产中随时间推移处理效率下降,且产生固体废弃物造成二次污染,在投资成本与运行成本的考虑下,对此处理工艺不予采用;

3)沸石吸附+RTO在废气处理能力及效率方面达到标准要求,建议涂装车间废气(VOCs)处理方案采用沸石吸附+RTO处理工艺。


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