自行车涂装VOC处理方案探讨

近几年，雾霾天气的增多，以及其对人民健康造成的危害的加重，人们对空气质量的要求越来越高，不仅要金山银山更要绿水青山的观念深入人心。昆山开发区做为经济比较发达的地区，更是对辖区内VOC排放企业提出了排放不仅要参照天津地方排放标准DB12/524-2014《工业企业挥发性有机物排放控制标准》的要求，而且为大幅降低VOC排放总量，提出要在满足处理效率90%的基础上挑战99%的要求。这个要求给我们提出了极大的挑战，面对这样的要求，我们积极研究采取措施，从源头与终端同时着手进行了分析与改善。1 自行车涂装废气VOC的来源自行车涂装，对装饰性要求很高，过去大部分使用的是溶剂型涂料。而溶剂型涂料一般VOC含量在30~50%之间，稀释后达到50~70%。自行车涂装的一般工艺流程为4喷5烤，即底涂、中涂、面涂、贴标、罩光清漆，复杂的涂装会有5喷6烤，或更多涂层。每层的工艺基本都是前补正、静电机喷涂、后补正、流平、烘烤，VOC就从这几道工序中挥发出来，每台自行车涂料平均约含200g的有机溶剂，在喷涂以及烘烤过程全部释放到大气之中，给环境造成较大的负担。2 降低自行车涂装的VOC排放的途径主要有两个途径，一是从源头采用低VOC含量的涂料，一个就是对VOC进行终端治理后再排放2.1 采用低VOC含量的涂料低VOC的涂料，目前主要是粉末涂料、UV涂料、高固成分涂料以及水性涂料，而对VOC处理的工艺有吸附法、生物处理法、光催化法、燃烧法等等对于基本不含VOC的粉末涂料，由于流平不好、装饰性差以及不适合小批量经常换色等特点，因此只有部分对装饰性要求不高、颜色较少的零部件会采用粉末涂装。虽然10多年前国际知名品牌杜邦、阿克苏诺贝尔等公司有开发出一些丙烯酸树脂的透明粉，其流平性与丰满度、耐候性等都达到甚至超过了油漆，但是由于价格昂贵，且对色漆以及贴纸的耐温及韧性要求较高，并没有得到推广，在自行车上使用的厂家还很少。UV涂料，由于要用到UV灯照射，而自行车由于结构原因，有一些死角光线不太好照到，此外，不同的颜色对光照的吸收不同，还有耐候性等问题，也制约了UV涂料在自行车上的使用。高固体份涂料，实际上在生产中已经有很多厂家在应用，可以把施工粘度下VOC控制在50%以下，但以目前情况看，环保部门并没有把它列为推动的方向，仍然把它归到溶剂型涂料里，而溶剂型涂料很多地方在新的涂装项目审批时不予批准。这样，在涂料这一块，能够重点发展的，也就剩下了水性涂料。虽说水性涂料还有很多项目无法与溶剂型涂料比，特别在旋碟喷涂时金属粉的排列差别较大，还有待我们去突破。水性涂料，至少可以减少VOC排放80%，甚至更多，确实在废气排放这一块的贡献很大。经过几年的努力，我们已经有超过50%的涂料水性化，我们也将持续努力，争取自行车涂装早日全水性化。2.2 自行车涂装排放VOC进行末端治理的方法手工喷房风速一般要在0.5~1.0 m/s，静电涂装在0.25~0.5 m/s，一条4喷5烤的涂装线风量都在250000m3/H左右，约85mg/m3的浓度，显著的低浓度大风量的废气。对于低浓度的VOC处理的工艺有活性炭吸附法、生物处理法、光催化法、低温等离子、燃烧法等等(见图1)

　　2.2.1 活性炭吸附传统的活性炭吸附，活性碳需求量与溶剂的比例一般为溶剂：活性碳=1:3，活性炭吸附床占用空间大，吸附饱和后不能再吸附，不及时更换将无法发挥作用。对于大批量生产的车间来说，需要经常更换，而且每次需要更换几吨的活性炭，不仅工量大，停线时间长，而且吸附后的活性炭做为固废处理费用也很高，整体来说运行成本较高，近些年已经越来越少采用该方法。2.2.2 活性炭吸附脱附再生为减少活性炭的使用，应用而生了活性炭吸附饱和后进行脱附与再生的工艺，通过时间控制或浓度控制来进行脱附，将脱附后高浓度的VOC进行催化燃烧或RTO的工艺。而活性炭又可以再生恢复吸附的能力，这样活性炭大约可以延长使用寿命到2年左右。由于活性炭易燃，脱附温度不能太高，高了存在自燃的不安全的隐患，一般脱附温度在120℃左右，存在脱附不完全的情况，效率会由初期的80%一直往下降，逐渐降低，到更换时效率可能只有50%不到。2.2.3 分子筛沸石转轮吸附脱附再生为解决安全脱附、再生后的吸附效率问题，近些年又发展起了分子筛沸石转轮技术，吸附效率可达90%~95%。由于沸石转轮耐高温，不易燃，转轮常规脱附温度可以设置在200℃以上，涂装过程使用的大部分的有机溶剂可以脱附下来，将沸石转轮的吸附效率一直维持同样的水准，由于这个特点，也使得其使用寿命更长，可以达到10年时间。而且由于沸石转轮是连续转动，吸附、脱附、降温连续进行，大大减少了吸附材料用量，处理同样的废气需要的吸附材重量只有活性炭的大约5%左右，不仅减少了处理固废的成本，而且大大减少了空间的占用。2.2.4 浓缩后VOC处理方法——冷凝法、RCO、RTO脱附下来的高浓度VOC,有采取冷凝法的，也有采用燃烧法的。冷凝法多用于高浓度、成份单纯且具回收价值的VOC废气处理，冷凝后的液体还需要再进行处理，很少在涂装废气处理中采用[1]。使用更多的是采取燃烧法，将有机废气中的VOC直接氧化燃烧为二氧化碳和水排放于大气中。常用的氧化燃烧方法为催化燃烧或直接燃烧，为节省能源，一般都会用陶瓷蓄热保温，基本上是使用RTO与RCO两种工艺。RCO是通过增加贵金属催化剂降燃烧温度降到300℃左右，减少能源消耗的方法，但是催化剂一般8000小时要更换易中毒失效，更换成本较高，燃烧效率在95%。RTO是在约760℃以上直接将VOC燃烧的方法，燃烧效率高，可以达到99%。2.2.5 其他治理方法除了以上介绍的吸附、脱附、浓缩氧化的工艺外，还有低温等离子+催化燃烧，以及UV光催化技术等，低温等离子效率在90%左右，同时也存在火灾隐患。而UV光催化技术，效率约85%，灯管寿命及波长的衰减也对效率造成影响。3 自行车VOC处理效率99%的方法探讨比较以上各种处理工艺，活性炭效率约80%而且脱附再生后还会逐渐降低，分子筛沸石转轮效率约90~95%，RCO燃烧效率约95%，只有RTO燃烧能够达到99%以上的效率。但自行车涂装排放的为标准的大风量低浓度的VOC，远没有达到能够直接燃烧的浓度，如果不加任何浓缩的燃烧，将只能是大量烧天然气少量烧VOC，会造成能源的极大浪费，减排而不节能，这个既不是企业想看到的也不是政府想要的结果。前边介绍到的活性炭约80%而且还会逐渐降低，分子筛沸石转轮约90~95%，吸附效率如果达不到99%，那么透过吸附材料的废气就无法达到去除99%的效果，它与RTO燃烧后的废气汇合到烟囱还是达不到综合处理99%的效果。挑战99%的处理效率的设计一时间陷入了无解的境地。经过搜索各种资源，未能找到可以达到99%效率的合适过滤材料，后我们还是考虑在沸石转轮上想办法。经过与青岛华世洁公司多次探讨，我们设计了两级过滤的处理方案，即涂装废气经过两道沸石转轮过滤，次处理90~95%，剩余5~10%，第二次再将剩余5~10%处理掉90%，终达到过滤99%的效果，后在烟囱与RTO燃烧过99%的废气汇合，总体设计上达到99%的效率(见图2)。

　　分子筛沸石转轮二级过滤+RTO的工艺，有VOC浓缩以及高温燃烧，安全设计相当重要。在整个系统里设计了多项安全措施,分别为系统与喷漆房联锁设计、应急排空设计、分子筛转轮喷淋设计、分子筛定期高温脱附、VOC在线检测二级报警连锁控制系统、新风稀释保护措施、燃烧器的安全控制、低压爆破片、阻火器(回火防止器)、压力泄放阀等等，确保了浓度异常、温度异常、压力异常出现时设备能够及时报警，必要时停机以及采取紧急措施等保护设备的安全。4 结语自行车涂装VOC的排放减少，可以通过采用水性涂料源头减少，亦可通过末端治理减少油性涂料的VOC排放。通过分析比较，对于自行车涂装大风量低浓度的废气，可以采取二级分子筛转轮+RTO的工艺，挑战99%的处理效率。