隨著國內(nèi)工業(yè)的迅速發(fā)展以及生活水平的提高，政府和民眾對環(huán)境問題日益重視，對環(huán)境污染排放加大控制。同時(shí)，環(huán)保低碳是末來主要的經(jīng)濟(jì)增長方式，我國已經(jīng)把節(jié)能減排提高到戰(zhàn)略層面。
汽車涂裝汽車制造業(yè)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(yè)的大氣污染排放經(jīng)歷了三個(gè)階段，排放要求日益嚴(yán)格[1]。隨著環(huán)保要求的提高，近20年來，汽車涂裝行業(yè)采用新的環(huán)保型的涂裝材料，新工藝、新設(shè)備，創(chuàng)建低VOCs、低碳、無害化的“綠色涂裝車間”[

自2010年后，隨著霧霾現(xiàn)象的嚴(yán)重，環(huán)境問題尤為重視。廣東、北京、重慶、上海陸續(xù)頒布了汽車制造業(yè)(涂裝)大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)，其中，上海市規(guī)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(guān)其它排放指標(biāo)。隨著各地標(biāo)準(zhǔn)的頒布，新建的涂裝車間和已經(jīng)投產(chǎn)的涂裝車間需要對不達(dá)標(biāo)的噴漆廢氣進(jìn)行單獨(dú)處理。噴漆廢氣VOCs的處理方式現(xiàn)多采用沸石轉(zhuǎn)輪濃縮后進(jìn)入氧化焚燒裝置進(jìn)行處理，廢氣處理系統(tǒng)的主要能源需求是天然氣和電，在滿足環(huán)保要求的同時(shí)，整套系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)的節(jié)能措施也是重要研究課題。
1噴漆廢氣處理系統(tǒng)介紹
涂裝車間噴漆廢氣處理系統(tǒng)工作對象是未達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的噴漆室廢氣，對于水性漆車間，閃干烘房廢氣若未達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，也可通過該系統(tǒng)進(jìn)行處理。廢氣處理系統(tǒng)由三部分子系統(tǒng)組成：廢氣過濾系統(tǒng)、沸石濃縮轉(zhuǎn)輪、熱氧化燃燒系統(tǒng)，其主要工作原理是：噴漆廢氣在經(jīng)過轉(zhuǎn)輪之前，需通過過濾系統(tǒng)進(jìn)行多級過濾，去除廢氣中的顆粒物，然后通往沸石濃縮轉(zhuǎn)輪，經(jīng)過轉(zhuǎn)輪后的廢氣體積將相應(yīng)的濃縮為原來的1/8-1/25，廢氣的VOCs濃度也相應(yīng)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(jìn)行燃燒，最終形成潔凈氣體進(jìn)行排放。其中，為保證沸石轉(zhuǎn)輪的處理效果，進(jìn)口處廢氣溫度不宜超過35℃。
經(jīng)過沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)后的廢氣VOCs處理效率能達(dá)到90%-95%[4]，濃縮后的高濃度VOCs廢氣經(jīng)過熱氧化焚燒系統(tǒng)處理后，VOCs處理效率達(dá)到98.0%-99.5%。
2節(jié)能措施的規(guī)劃與分析
在廢氣處理系統(tǒng)規(guī)劃中，噴漆室采用循環(huán)風(fēng)方式可減少噴漆室運(yùn)行時(shí)的能耗，同時(shí)減少廢氣的處理量，提高廢氣經(jīng)轉(zhuǎn)輪濃縮后的濃度，進(jìn)而降低廢氣處理系統(tǒng)的運(yùn)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(shè)備以及排放廢氣的熱回收利用都是在廢氣處理系統(tǒng)規(guī)劃中有效的節(jié)能措施
2.1噴漆室的循環(huán)風(fēng)方式
現(xiàn)國內(nèi)少數(shù)先進(jìn)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(huán)風(fēng)模式，但多數(shù)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(fēng)送風(fēng)模式，即噴漆室各區(qū)域的送風(fēng)直接排放至噴漆煙囪，特別對于水性漆油漆車間，噴漆室區(qū)域能耗較大，廢氣處理裝置的設(shè)備投資和運(yùn)行能耗顯著提高。
在廢氣處理系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)，噴漆室可采用循環(huán)風(fēng)技術(shù)，現(xiàn)濕式噴漆室循環(huán)風(fēng)模式有兩種，一種是噴漆部分循環(huán)風(fēng)模式，其原理是將噴漆線的流平、補(bǔ)漆區(qū)域的送風(fēng)返回至外噴機(jī)器人噴漆段，以減少外噴段新風(fēng)風(fēng)量。此類模式的循環(huán)風(fēng)使用量低，可適當(dāng)減少噴漆室新風(fēng)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(jī)器人，內(nèi)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(huán)風(fēng)模式，噴漆線送風(fēng)由全新風(fēng)空調(diào)和循環(huán)風(fēng)空調(diào)的送風(fēng)組成，噴漆室外噴和內(nèi)噴機(jī)器人段由循環(huán)風(fēng)空調(diào)送風(fēng)，循環(huán)風(fēng)空調(diào)的供風(fēng)除由流平、補(bǔ)漆段、氣封段返回的循環(huán)風(fēng)組成之外，另由外噴段的排風(fēng)的循環(huán)風(fēng)組成。此循環(huán)風(fēng)模式應(yīng)用在外噴與內(nèi)噴均為機(jī)器人噴涂條件下，可大幅度降低噴漆室與廢氣處理系統(tǒng)的投資與運(yùn)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(fēng)溫度通常在70℃-80℃，多采用熱水或者天然氣進(jìn)行空氣的加熱。噴完色漆的車身經(jīng)過閃干烘房，大量含VOCs的廢氣經(jīng)過循環(huán)排放大氣，經(jīng)測量，廢氣中VOCs含量已超出地方標(biāo)準(zhǔn)排放要求。若直接送至廢氣焚燒系統(tǒng)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(zhuǎn)輪的失效。為避免影響轉(zhuǎn)輪的使用壽命，同時(shí)降低閃干區(qū)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(fēng)。
閃干烘房的廢氣排放溫度約為80℃，與閃干新風(fēng)通過板式換熱器進(jìn)行換熱后，可將閃干新風(fēng)溫度提高20-30℃，使得熱能得到了回收利用。同時(shí)，閃干烘房的廢氣排放溫度約為45℃-55℃，在經(jīng)過廢氣濃縮轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)備結(jié)構(gòu)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(dá)到110℃-130℃，TAR出口潔凈氣體溫度可達(dá)到320℃-350℃。通常情況下，當(dāng)采用RTO設(shè)備時(shí)，脫附氣體的加熱多采用獨(dú)立的加熱箱加熱方式。焚燒裝置若采用TAR設(shè)備時(shí)，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(dá)到200℃-220℃。
通過RTO和TAR設(shè)備最終排放溫度的對比，采用RTO設(shè)備可降低廢氣處理系統(tǒng)的能源消耗。
2.4其他相關(guān)節(jié)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(shù)車間直接排放。若將此氣體通過換熱器給其它介質(zhì)加熱，長時(shí)間后形成換熱器內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)化合物的凝結(jié)，造成換熱器內(nèi)換熱效率降低，且難以處理凝結(jié)物質(zhì)。可將該氣體就近通過管路送至油漆除渣區(qū)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(nèi)噴機(jī)器人取代人工噴涂，是噴涂行業(yè)的趨勢。內(nèi)噴機(jī)器人噴漆上漆率一般為45%-65%，手工噴涂上漆率為35%-40%，內(nèi)噴機(jī)器人可降低油漆材料消耗;內(nèi)噴機(jī)器人噴漆室風(fēng)速為0.35-0.4m/s，手工噴涂噴漆室風(fēng)速通常為0.5m/s;連續(xù)式內(nèi)噴機(jī)器人噴漆室比手工內(nèi)噴噴漆室長度短，且可使用全循環(huán)風(fēng)模式，故采用內(nèi)噴機(jī)器人在油漆車間規(guī)劃中是精益的，有效降低了噴漆室運(yùn)行成本之外，也大幅度降低噴漆廢氣處理系統(tǒng)的投資和運(yùn)行成本。
3規(guī)劃案例分析
以年產(chǎn)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(fēng)送風(fēng)，經(jīng)計(jì)算和檢測分析，該車間清漆噴漆和閃干烘房排放均不能達(dá)標(biāo)，需要對清漆和閃干排放進(jìn)行處理[7]。
清漆噴漆室由外噴機(jī)器人段、內(nèi)噴手工段、人工補(bǔ)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(jì)算值約為155mg/m3，故廢氣處理設(shè)計(jì)中采用三套過濾系統(tǒng)、三套沸石轉(zhuǎn)輪，濃縮比采用20:1，RTO廢氣焚燒系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)量約25,000m3/h。
現(xiàn)將清漆噴漆室的流平段、補(bǔ)漆段送風(fēng)循環(huán)使用到外噴機(jī)器人噴漆段，噴漆室可減少145,000m3/h的新風(fēng)量;為降低面漆閃干的排放溫度，對廢氣進(jìn)行熱回收利用，用于閃干新風(fēng)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(nèi)噴段改為機(jī)器人噴涂，噴漆室循環(huán)風(fēng)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(jīng)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(tǒng)相關(guān)理論設(shè)計(jì)參數(shù)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(huán)風(fēng)的使用，可降低噴漆廢氣的風(fēng)量，提高廢氣中VOCs的濃度，減少相關(guān)設(shè)備的電耗與天然氣消耗。噴漆室循環(huán)風(fēng)使用率越高，廢氣處理系統(tǒng)的設(shè)備投資和能耗越低。
廢氣焚燒設(shè)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(huán)風(fēng)(含內(nèi)噴機(jī)器人)方案而言，經(jīng)理論計(jì)算，采用RTO及獨(dú)立加熱箱加熱脫附氣體方案，運(yùn)行時(shí)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(yùn)行時(shí)所需天然氣約為68Nm3/h。明顯看出，采用RTO更加節(jié)約天然氣。
4結(jié)語
節(jié)能減排是涂裝技術(shù)發(fā)展的主要趨勢，隨著各地陸續(xù)制訂涂裝大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)各涂裝車間將逐步開始規(guī)劃噴漆廢氣處理系統(tǒng)，本文重點(diǎn)闡述了在廢氣處理系統(tǒng)的規(guī)劃中節(jié)能減排的幾種有效措施——噴漆室循環(huán)風(fēng)技術(shù)、面漆閃干廢氣的余熱回用、廢氣焚燒處理設(shè)備采用RTO設(shè)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(shí)間短、經(jīng)濟(jì)效益明顯等特點(diǎn)，在新車間新建噴漆廢氣處理系統(tǒng)及老油漆車間噴漆廢氣處理系統(tǒng)改造中均可選擇實(shí)施。