汽車涂裝噴漆廢氣處理設備的的節能方案

　隨著國內工業的迅速發展以及生活水平的提高，國家政府和民眾對環境問題日益重視，對環境污染排放加大控制。同時，環保低碳是末來主要的經濟增長方式，我國已經把節能減排提高到戰略層面。

　　汽車涂裝汽車制造業的污染源和能耗大戶，其中涂裝車間大氣污染的主要污染物為VOCss，苯、二甲苯等。我國對汽車涂裝行業的大氣污染排放經歷了三個階段，排放要求日益嚴格[1]。隨著環保要求的提高，近20年來，汽車涂裝行業采用新的環保型的涂裝材料，新工藝、新設備，創建低VOCs、低碳、無害化的“綠色涂裝車間”。

　　自2010年后，隨著霧霾現象的嚴重，環境問題尤為重視。廣東、北京、重慶、上海陸續頒布了汽車制造業(涂裝)大氣污染排放標準，其中，上海市規定自2017年1月1日起，非甲烷總烴排放濃度限值不超過30mg/m3，單位涂裝面積VOCss排放量不超過35g/m2，以及相關其它排放指標。隨著各地標準的頒布，新建的涂裝車間和已經投產的涂裝車間需要對不達標的噴漆廢氣進行單獨處理。噴漆廢氣VOCs的處理方式現多采用沸石轉輪濃縮后進入氧化焚燒裝置進行處理，廢氣處理系統的主要能源需求是天然氣和電，在滿足環保要求的同時，整套系統規劃時的節能措施也是重要研究課題。

　　1.噴漆廢氣處理系統介紹

　　涂裝車間噴漆廢氣處理系統工作對象是未達到排放標準的噴漆室廢氣，對于水性漆車間，閃干烘房廢氣若未達到排放標準，也可通過該系統進行處理。廢氣處理系統由三部分子系統組成：廢氣過濾系統、沸石濃縮轉輪、熱氧化燃燒系統，其主要工作原理是：噴漆廢氣在經過轉輪之前，需通過過濾系統進行多級過濾，去除廢氣中的顆粒物，然后通往沸石濃縮轉輪，經過轉輪后的廢氣體積將相應的濃縮為原來的1/8-1/25，廢氣的VOCs濃度也相應提高至原來的8-25倍，含高濃度VOCs的廢氣送往氧化焚燒裝置，在730℃以上的溫度進行燃燒，最終形成潔凈氣體進行排放。其中，為保證沸石轉輪的處理效果，進口處廢氣溫度不宜超過35℃。

　　經過沸石轉輪系統后的廢氣VOCs處理效率能達到90%-95%[4]，濃縮后的高濃度VOCs廢氣經過熱氧化焚燒系統處理后，VOCs處理效率達到98.0%-99.5%。

　　2.節能措施的規劃與分析

　　在廢氣處理系統規劃中，噴漆室采用循環風方式可減少噴漆室運行時的能耗，同時減少廢氣的處理量，提高廢氣經轉輪濃縮后的濃度，進而降低廢氣處理系統的運行能耗。此外，閃干烘房的熱回收利用、廢氣焚燒裝置采用RTO設備以及排放廢氣的熱回收利用都是在廢氣處理系統規劃中有效的節能措施[5][6]。

　　2.1噴漆室的循環風方式

　　現國內少數先進的涂裝車間采用了干式噴漆室，干式噴漆室一般都采用了循環風模式，但多數涂裝車間多為濕式噴漆室，對于濕式噴漆室的涂裝車間，多采用的是全新風送風模式，即噴漆室各區域的送風直接排放至噴漆煙囪，特別對于水性漆油漆車間，噴漆室區域能耗較大，廢氣處理裝置的設備投資和運行能耗顯著提高。

　　在廢氣處理系統規劃時，噴漆室可采用循環風技術，現濕式噴漆室循環風模式有兩種，一種是噴漆部分循環風模式，其原理是將噴漆線的流平、補漆區域的送風返回至外噴機器人噴漆段，以減少外噴段新風風量。此類模式的循環風使用量低，可適當減少噴漆室新風量，降低噴漆室排往廢氣處理裝置的廢氣量，多使用在外噴段為機器人，內噴段為人工的情況下，其原理圖如圖2所示。另一種是噴漆全循環風模式，噴漆線送風由全新風空調和循環風空調的送風組成，噴漆室外噴和內噴機器人段由循環風空調送風，循環風空調的供風除由流平、補漆段、氣封段返回的循環風組成之外，另由外噴段的排風的循環風組成。此循環風模式應用在外噴與內噴均為機器人噴涂條件下，可大幅度降低噴漆室與廢氣處理系統的投資與運行能耗，其原理圖如圖3所示。

　　2.2閃干烘房的熱回收利用方式

　　對于水性漆油漆車間，在色漆和清漆之間有低溫閃干烘房，排風溫度通常在70℃-80℃，多采用熱水或者天然氣進行空氣的加熱。噴完色漆的車身經過閃干烘房，大量含VOCs的廢氣經過循環排放大氣，經測量，廢氣中VOCs含量已超出地方標準排放要求。若直接送至廢氣焚燒系統燃燒處理，廢氣中VOCs濃度較低，會消耗大量天然氣;若與噴漆室廢氣混合，混合后的廢氣溫度較高，從而引起廢氣濃縮轉輪的失效。為避免影響轉輪的使用壽命，同時降低閃干區的能耗，可將閃干烘房的排放廢氣的熱量用于加熱閃干段新風。

　　閃干烘房的廢氣排放溫度約為80℃，與閃干新風通過板式換熱器進行換熱后，可將閃干新風溫度提高20-30℃，使得熱能得到了回收利用。同時，閃干烘房的廢氣排放溫度約為45℃-55℃，在經過廢氣濃縮轉輪前與噴漆廢氣混合后，只將噴漆室廢氣提高至2℃-4℃，此方法既可有效降低混合廢氣的溫度，也有效降低了混合廢氣的相對濕度，避免廢氣高濕度對沸石轉輪壽命的影響。

　　2.3廢氣焚燒裝置的選擇

　　濃縮后的廢氣焚燒裝置通常有RTO和TAR兩種形式，其原理均為通過高溫將廢氣中VOCs燃燒分解成CO2和H2O，最終形成潔凈氣體直接排放。因RTO和TAR設備結構形式不同，從而兩者出口排放溫度不同，RTO出口潔凈氣體溫度可達到110℃-130℃，TAR出口潔凈氣體溫度可達到320℃-350℃。通常情況下，當采用RTO設備時，脫附氣體的加熱多采用獨立的加熱箱加熱方式。焚燒裝置若采用TAR設備時，TAR的出口溫度高溫可用于給脫附氣體加熱，使得換熱后的潔凈氣體達到200℃-220℃。

　　通過RTO和TAR設備最終排放溫度的對比，采用RTO設備可降低廢氣處理系統的能源消耗。

　　2.4其他相關節能降本措施

　　廢氣處理裝置安裝使用后，RTO排放的110℃-130℃高溫氣體，多數車間直接排放。若將此氣體通過換熱器給其它介質加熱，長時間后形成換熱器內揮發性有機化合物的凝結，造成換熱器內換熱效率降低，且難以處理凝結物質。可將該氣體就近通過管路送至油漆除渣區域，用于干燥油漆漆渣，降低漆渣的含水率，從而降低漆渣處理的成本。

　　此外，采用內噴機器人取代人工噴涂，是噴涂行業的趨勢。內噴機器人噴漆上漆率一般為45%-65%，手工噴涂上漆率為35%-40%，內噴機器人可降低油漆材料消耗;內噴機器人噴漆室風速為0.35-0.4m/s，手工噴涂噴漆室風速通常為0.5m/s;連續式內噴機器人噴漆室比手工內噴噴漆室長度短，且可使用全循環風模式，故采用內噴機器人在油漆車間規劃中是精益的，有效降低了噴漆室運行成本之外，也大幅度降低噴漆廢氣處理系統的投資和運行成本。

　　3.規劃案例分析

　　以年產27萬輛整車的某涂裝車間為例，該車間采用的是水性漆3C2B工藝，清漆為溶劑型油漆，噴漆室采用的是濕式噴漆室，全新風送風，經計算和檢測分析，該車間清漆噴漆和閃干烘房排放均不能達標，需要對清漆和閃干排放進行處理[7]。

　　清漆噴漆室由外噴機器人段、內噴手工段、人工補漆段及流平段組成，最終清漆排放排往煙囪的廢氣量為420,000m3/h，排放溫度約為25℃，閃干烘房廢氣排放量為17,000m3/h，排放溫度約為80℃。若直接混合后送往廢氣處理裝置處理，總廢氣量約為437,000m3/h，混合溫度為26.8℃。清漆廢氣排放濃度計算值約為155mg/m3，故廢氣處理設計中采用三套過濾系統、三套沸石轉輪，濃縮比采用20:1，RTO廢氣焚燒系統進風量約25,000m3/h。

　　現將清漆噴漆室的流平段、補漆段送風循環使用到外噴機器人噴漆段，噴漆室可減少145,000m3/h的新風量;為降低面漆閃干的排放溫度，對廢氣進行熱回收利用，用于閃干新風的加熱，使得最終排放溫度降低至50℃;最終混合廢氣處理量約為290,000m3/h，排放溫度為26.2℃。

　　若將清漆手工內噴段改為機器人噴涂，噴漆室循環風利用率大幅度提高，清漆噴漆室排放廢氣量降低至95,000m3/h，閃干廢氣經過換熱利用后排放，最終混合后廢氣總量約為11,0000m3/h，排放溫度為28.3℃。

　　各方案的噴漆廢氣處理系統相關理論設計參數如表1所示，各方案的理論能耗狀況如表2所示。綜合上述三種方案，可以看出，噴漆室循環風的使用，可降低噴漆廢氣的風量，提高廢氣中VOCs的濃度，減少相關設備的電耗與天然氣消耗。噴漆室循環風使用率越高，廢氣處理系統的設備投資和能耗越低。

　廢氣焚燒設備選擇采用RTO或TAR，最終消耗的天然氣有較大差異。就全循環風(含內噴機器人)方案而言，經理論計算，采用RTO及獨立加熱箱加熱脫附氣體方案，運行時所需天然氣約為30Nm3/h;采用TAR及排放余熱加熱脫附氣體方案，運行時所需天然氣約為68Nm3/h。明顯看出，采用RTO更加節約天然氣。

　　4.結語

　　節能減排是涂裝技術發展的主要趨勢，隨著各地陸續制訂涂裝大氣污染排放標準，國內各涂裝車間將逐步開始規劃噴漆廢氣處理系統，本文重點闡述了在廢氣處理系統的規劃中節能減排的幾種有效措施——噴漆室循環風技術、面漆閃干廢氣的余熱回用、廢氣焚燒處理設備采用RTO設備、焚燒后的潔凈高溫氣體再次利用。這些措施具有投資回收時間短、經濟效益明顯等特點，在新車間新建噴漆廢氣處理系統及老油漆車間噴漆廢氣處理系統改造中均可選擇實施。