近年来,轨道交通由于其快速、方便,并有效缓解城市交通压力的特点,得到了快速发展。但目前我国轨道交通车辆涂装还是以溶剂型涂料为主,随着需求量的不断增加,相应生产涂装过程带来的环境问题也引起了越来越多的关注,随着国家对大气污染防治的要求越来越严格,对轨道车辆涂装喷漆室、烘干室废气排放的治理迫在眉睫。
1 轨道交通车辆制造中产生的涂装VOCs废气特征
轨道交通车辆涂装涂层包括防锈底漆、腻子、中涂漆和面漆,车辆内表面和底架下表面喷涂阻尼降噪涂料,部分列车底部喷涂防火涂料,目前涂装主要采用的仍是溶剂型涂料。其中,涂料中的溶剂组分又以苯系物(甲苯、二甲苯较多)、酯、醇、醚、酮为主,一般的涂料中有机溶剂占比为40%~60%。在喷涂工序,车辆车体每次完成一个涂层的喷涂后,都将进入喷漆室和烘干室,喷漆室和烘干室的VOCs产生量比例大约为5∶1~6∶1。
喷漆室废气主要污染物为未附着至工件表面的漆雾和工件表面涂料挥发出来的VOCs。为保证喷涂后工件的表面质量,喷漆室的气流要参考我国相关设计标准,喷漆室通常采用上进下排的气流组织方式,喷涂作业区空载风速不小于0.35 m/s,有载时风速不低于0.5 m/s。温度条件为18~28 ℃。因此,喷漆室废气的特点是风量大、VOCs浓度低(大约为100~500 mg/m3),且含一定的雾滴(其中漆雾不超过1 mg/m3)。
烘干室由于要保持一定的温度,所以废气的风量不大,其组分与涂料中溶剂的组分基本一致(醇类、酯类、醚类、酮类、苯系物等),由于烘干室温度相对较高,所以溶剂会在此工序中大量挥发出来,VOCs浓度一般在2 500 mg/m3左右,产生的废气为VOCs中等浓度、高温型废气。
2 轨道交通车辆喷涂VOCs废气治理方案的选择
车辆喷涂车间生产一般都是喷漆室和烘干室同时工作,虽然烘干室废气的浓度和温度都较高,但是由于烘干室的风量较小(约为喷漆室的1/8~1/12),因此车辆喷涂车间产生的VOCs废气一般采用2个工段的废气经混合后集中处理,且废气特性基本属于低温、低浓度、大气量、易吸附的VOCs废气。
基于车辆涂装生产产生的VOCs废气特征和目前我国较高的排放标准要求,如北京地区工业涂装废气排放标准要求非甲烷总烃≤50 mg/m3,总VOCs处理效率≥90%。综合该治理系统的一次性投资、长期运行费用、环保达标排放等性能,车辆涂装废气治理较为合理的处理技术为 “废气的吸附浓缩净化+脱附废气的高温热氧化”组合治理方案。
2.1 吸附浓缩方案及其吸附剂的选择
废气的浓度一般采用质量-标态下体积浓度(C)表示,按式(1)计算:
式中:C—标准状态下废气中VOCs的质量浓度,单位为mg/Nm3;m—废气中污染物的总质量,单位为mg;Q—废气的总风量,单位为标态下体积Nm3。
吸附浓缩使用的吸附剂一般有分子筛和活性炭2种,即将大风量低浓度的废气,吸附后实现达标排放,动态吸附饱和的区域,经再生气再生,气量降低若干倍,但再生气中污染物浓度则增加若干倍(污染物遵循总质量m不变,实际受浓缩介质影响,会略微降低),从而实现系统处理能耗合理的目标。表1为分子筛和活性炭的性能对比。
表1 分子筛和活性炭的性能对比Table 1 Performance comparison of molecular sieve and activated carbon |
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表2是某活性炭设备厂的活性炭在某喷涂工厂的实际应用数据,记录数据的时间为每次完成脱附再生后和下一次脱附再生前,脱附周期为7 d。
表2 某活性炭再生设备处理效率数据记录Table 2 Efficiency record of an activated carbon regeneration equipment |
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表3是某沸石分子筛设备厂的沸石分子筛在某喷涂工厂的实际应用数据,由于其吸附和脱附同时进行,为保证数据的可对比性,记录数据的周期也为7 d。
表3 某沸石分子筛设备处理效率数据记录Table 3 Efficiency record of a molecular sieve regeneration equipment |
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2.2 高浓度再生废气治理方案的选择
高浓度VOCs废气的治理方案通常为燃烧法或热氧化法。目前主流燃烧方案有催化氧化(CO)、蓄热热氧化(RTO)和蓄热催化氧化(RCO),3种主流方案的性能比较见表4。
表4 常用3种燃烧方案的性能与特点比较Table 1 Performance and characteristic comparison of three common combustion schemes |
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从表4可以看出,CO的特点是工作温度低,启动时间短,比较适合间断型生产工况,但是由于其使用催化剂,所以废气中必须控制会使催化剂中毒的成分。RTO的特点是工作温度高,热回收效率高,因为内部没有催化剂,不会出现催化剂中毒的风险,所以适用范围很广,只要没有强腐蚀性的气体一般都可使用,但因为启动时间较长,所以在间断型生产的工况,需要长时间的保温运行,燃料的消耗量较高。RCO结构与RTO相似,但也需要催化剂,因此,在涂装VOCs废气的治理中少有应用。
轨道交通车辆喷涂的工况,一般情况下每天喷漆车间工作8 h,属于间断型生产工况,所以催化氧化(CO)是车辆涂装生产中处理VOCs废气的优选燃烧方案,如果废气成分中含有过多不适合组分的催化剂,且无法通过预处理消除时,则RTO是优选的燃烧方案。
3 沸石转轮浓缩+催化氧化(CO)系统在车辆涂装废气治理中的应用
沸石转轮浓缩+催化氧化(CO)系统主要由3个子系统组成,即废气的除湿和预过滤子系统、沸石转轮浓缩子系统和催化氧化(CO)子系统。
3.1 废气的除湿、预过滤处理子系统
高湿度废气对于沸石转轮的吸附效率有着直接的影响。根据实际生产中的应用和多次试验,废气的相对湿度低于80%时,沸石转轮对VOCs的吸附效率可稳定保持在90%以上,但当废气相对湿度大于90%时,对于某些VOCs组分,沸石转轮的吸附效率下降至80%左右。
若使用水性涂料,废气中实际相对湿度可能过高,因此,为保证废气中相对湿度低于80%,可将废气温度提高从而降低废气的相对湿度。通常车辆涂装VOCs废气处理系统,入口废气温度约30 ℃,如果入口温度提高约2 ℃,大约可使入口废气的相对湿度降低15%。因此,即使车间废气的相对湿度达到100%,进入转轮时的相对湿度也可降低至85%以下,但在实际的工业化应用中,宜将进入沸石转轮的废气入口温度提高至较车间混合废气温度高3 ℃以上较为安全可靠。
其次,由于车辆涂装废气中含有少量漆雾等颗粒杂质,为避免影响转轮的吸附效率,通常预过滤采用初、中、高效组合过滤技术用于除颗粒杂质,但预过滤设计应尽量减少中、高效过滤器的更换频次,以降低设备的运行成本。
3.2 沸石转轮浓缩子系统
转轮是沸石转轮浓缩子系统的核心部件,也是将低浓度VOCs浓缩的关键设备,它通常由疏水性沸石分子筛与陶瓷纤维加工成波纹状膜片,再卷制成蜂巢状的轮盘结构,并在轮盘的中央安装旋转轴承。耐腐蚀、耐高温的气体密封垫安装在转轮的外部框架结构上。通常转轮隔离成3个区域,即吸附区、脱附区和冷却区,转轮速度通常以3~6 r/h持续缓慢旋转。
沸石转轮浓缩子系统另一核心部分为再生气加热及其热交换系统,以及风机系统、自动控制系统等。目前全世界的转轮厂家能够提供的最大型号的单只沸石转轮,最大可以处理200 000 m3/h风量的废气,根据处理废气的组分和浓度,能够将废气中的VOCs浓度提高5~20倍。
沸石转轮的目的是保证进入转轮的超标VOCs废气经过转轮吸附区吸附净化后可直接排放至大气中,被去除的原有VOCs成分被截留吸附在沸石分子筛内部,当转轮上吸附有大量VOCs的片区旋转至脱附区时,一台小风量的脱附风机将180~240 ℃左右高温气体吹入转轮中,并将其中吸附的VOCs脱附出来,此时便实现了废气的浓缩。脱附后的转轮由于温度较高,此时不具有较高的吸附性能,所以先进入冷却区,经冷却气体吹扫降温,使其恢复吸附能力,而后再旋转至吸附区,重新开始下一轮的工作。每个区域都保持气密。这样转轮的每个部分均可以连续地从吸附区旋转到脱附区,然后旋转到冷却区,最后又旋转回吸附区完成一圈的旋转。
3.3 催化氧化(CO)子系统
催化氧化(CO)子系统通常由燃烧器或加热器、贵金属催化剂、阀组及安全报警装置组成。催化氧化(CO)为无火焰燃烧技术,涂装废气处理系统常见的催化氧化温度在300~350 ℃之间[1],也可以高达600 ℃,处理效率可以达到99.5%以上,且无NOx产生。
4 沸石转轮浓缩+催化氧化系统的技术特点
(1)对于大风量、低浓度的VOCs废气,具有较稳定的净化效率,通常该系统VOCs的处理效率可高达95%以上。
(2)沸石转轮由无机氧化物组成,自身不可燃,安全度高。
(3)沸石转轮可以承受300 ℃以上的脱附温度,对于高沸点的VOCs也能够有效处理。热稳定性极高,可以通过反复加热脱附来实现再生,使用寿命高于40 000 h。
(4)整个系统每次启动时间小于1 h,对于轨道车辆喷涂行业非连续运行的工况来说,系统启/停快,运行灵活,可节约大量运行能耗。
5 沸石转轮浓缩-催化氧化系统应用实例分析
以轨道车辆喷涂车间的2个喷漆房和3个烘干房涂装废气治理为例,对其废气处理系统进行实例分析。本案例的喷涂车间每天工作约8 h,其中有效工作时间不小于6 h。
5.1 系统设计参数的计算
5.1.1 风量计算
按照每间喷漆房排风量100 000 m3/h,每间烘干房排风量以10 000 m3/h来计算,此系统的处理总风量为230 000 m3/h。
5.1.2 废气浓度及组分检测
此喷涂车间涂料以水性涂料为主,废气中VOCs浓度为80~250 mg/m3,污染物主要成分为乙二醇丁醚、三甲苯、乙酸丁酯与少量溶剂油。
5.2 系统工艺设计
考虑到废气浓度的波动性和废气排放稳定达标性,系统设计预留20%的余量。则本项目废气总风量为276 000 m3/h,超过了单台转轮200 000 m3/h的最大处理风量,故选用2套3 550 mm×400 mm沸石转轮,换轮的处理气量138 000 m3/h,浓缩比20∶1;浓缩后废气进入一台处理能力为13 800 m3/h的催化氧化子系统。系统通过二级换热回收氧化炉热能,确保能源利用的经济性。处理流程见图2。
5.3 系统的处理效果
经检测,此套系统对于风量276 000 m3/h,浓度80~250 mg/m3,主要成分为乙二醇丁醚、三甲苯、乙酸丁酯与少量溶剂油的VOCs,处理效率不低于90%,非甲烷总烃排放浓度可稳定低于30 mg/m3,基本满足现有国标及地标的排放标准。
6 结 语
沸石转轮浓缩+催化氧化(CO)处理方案,是车辆涂装VOCs废气治理的合理工艺,处理工艺系统安全、去除率高、稳定性高、运行费用合理可行。因此,沸石浓缩转轮+催化氧化(CO)技术是现有技术条件下对于非连续工况,处理大风量、低浓度VOCs废气的最佳选择,在轨道车辆涂装废气治理中的应用将会越来越广泛。