造船行業(yè)有機廢氣治理技術自控系統(tǒng)應用分析

張亞龍，柴靈芝，丁旭杰

（青島華世潔環(huán)?？萍加邢薰?，山東 青島 264400）

隨著國家對環(huán)保要求的日趨嚴格，各地方的行業(yè)廢氣排放標準也陸續(xù)發(fā)布，山東省于2018 年4 月發(fā)布了《揮發(fā)性有機物排放標準 第5 部分：表面涂裝行業(yè)》（DB37/2801.5—2018），鐵路、船舶、航空航天和其他運輸設備制造業(yè)的排放標準為：揮發(fā)性有機物（VOCs）≤70mg/m3、苯≤0.5mg/m3、甲苯≤5.0mg/m3、二甲苯≤15mg/m3。為滿足國家及地方環(huán)保標準，某船舶重工公司需要升級改造現有有機廢氣治理設備。針對涂裝車間噴漆室有機廢氣風量大、濃度波動范圍大、直接排放污染環(huán)境、原有活性炭吸附裝置不能有效處理等問題，改造工程采用了適用于處理大風量、濃度波動范圍大的有機廢氣的沸石分子篩轉輪吸附濃縮+催化氧化工藝。涂裝車間每個車間的廢氣風量達80 000m3/h，兩個噴涂車間的廢氣風量共計160 000m3/h，廢氣處理前車間VOCs 最大排放濃度為1600mg/m3，廢氣處理后車間VOCs 排放濃度在20mg/m3以內。固化工段廢氣處理前VOCs 最大濃度為200mg/m3，固化工段廢氣處理后VOCs 排放濃度在8mg/m3以內，滿足山東省地方標準。

本文針對該工程項目廢氣濃度波動范圍大及固化時間長、能耗高等特點，制定了完善的自控程序，在達到排放要求的同時降低了低濃度固化工段設備的運行能耗，保障了高濃度噴涂工段設備的運行穩(wěn)定性及經濟效益。

1 工況調研

1.1 VOCs 廢氣濃度分析

1.1.1 船體噴漆工序

每間噴漆車間每天油漆用量平均約為2800L，溶劑用量約為310L。涂裝作業(yè)一般是在20∶00—24∶00進行底漆統(tǒng)噴，此時可能會出現最大工況，噴漆時長為4—5h，然后進入漆膜固化階段，時長為8—10h。次日上午至中午會進行第二次噴漆，屬翻噴、補噴作業(yè)，涂裝面積會略有減少，因漆膜厚度變薄，油漆和溶劑用量會減少，噴漆時長約為2h，漆膜固化時長為4—6h。

晚班最大作業(yè)量：涂裝面積為3000—3500m2的統(tǒng)噴分段有2 個，噴漆工位有4 人，時長為6—7h，總噴涂面積為6000—7000m2，油漆用量約為2300L，溶劑用量約250L。按照每天噴漆6h，可以計算出廢氣平均濃度為460mg/m3。

晚班一般作業(yè)量：涂裝面積為2000—3000m2的統(tǒng)噴分段有2 個，噴漆工位有3—4 人，時長約為4h，總噴涂面積為4000—6000m2，油漆用量約為1500L，溶劑用量約為200L，廢氣平均濃度為477mg/m3。

白班一般作業(yè)量：涂裝面積為2000m2的翻板油漆分段有2 個，總噴涂面積為1000—1500m2，油漆用量為400—600L，溶劑用量40—60L，廢氣平均濃度為352mg/m3。

每天最大油漆用量約為2800L，溶劑用量約為310L，可計算出一天廢氣平均濃度為398mg/m3，現場實際檢測廢氣最大排放濃度為1600mg/m3。

1.1.2 船體固化工序

固化階段的廢氣排放濃度隨著時間的推移而逐步減小，即從噴漆段的平均濃度398mg/m3降低至32.9mg/m3，甚至更低。

1.2 工況特點分析

船體噴漆工序：車間廢氣排放濃度高，廢氣治理設備減排負荷高；工段持續(xù)時間短，通常不超過7h；催化氧化爐（CO）運行溫度高，催化劑存在超出耐溫溫度風險。

船體固化工序：車間廢氣排放濃度低，廢氣治理設備減排負荷低；CO 運行溫度低，熱源電加熱持續(xù)滿負荷運行，運行能耗高。

2 工況現狀分析

2.1 沸石分子篩轉輪吸附濃縮+催化氧化工藝特性及原理

廢氣末端凈化技術設備主要采用沸石分子篩轉輪濃縮+催化氧化工藝，利用沸石比表面積大，以及不同溫度條件下范德華力不同的基本原理進行應用設計。當處在低溫條件時，廢氣通過沸石分子篩轉輪，VOCs 分子被吸附在其表面，經過吸附的氣體可直接排放，吸附VOCs 分子的沸石轉輪進入高溫脫附區(qū)，利用小風量的高溫廢氣將吸附的VOCs 分子脫附出來，形成高濃度廢氣，送入后端的廢氣氧化系統(tǒng)進行催化氧化處理，處理后達標排放。

沸石分子篩轉輪吸附濃縮+催化氧化設備工作原理見圖1。

圖1 沸石分子篩轉輪吸附濃縮+催化氧化設備工作原理圖

2.1.1 VOCs 前端收集系統(tǒng)

車間VOCs 排風口不變，新增風量調節(jié)閥門，采用“總風量+定靜壓控制法”的方式來控制原有車間的排風量和匯總后的排風量，以保證排風穩(wěn)定、濃度可控。

2.1.2 多級顆粒物過濾系統(tǒng)

取樣檢測車間排放廢氣中含有的固體顆粒物濃度，分子篩對廢氣中的顆粒物濃度及粒徑有嚴格要求，因此應在沸石轉輪前設置過濾器。具體為：在收集管道風口配置可快速更換且成本低的漆霧過濾器，在轉輪前配置多級成套的中高效過濾器，過濾器對氣體中0.5μm 以上的粉塵的凈化率≥99%。

2.1.3 沸石分子篩轉輪濃縮單元

廢氣經過濾后進入沸石轉輪完成吸附過程。沸石轉輪分成三個區(qū)域：（1）吸附區(qū)域：占整個面積的5/6，有機氣體被吸附在蜂窩沸石中，潔凈氣體被排出；（2）脫附區(qū)域：占轉輪面積的1/12，利用高溫熱風將分子篩微孔中的VOCs 揮發(fā)出來；（3）冷卻區(qū)域：占轉輪面積的1/12，將廢氣進行冷卻，冷卻后的廢氣通過與換熱器換熱至200℃后進入脫附區(qū)域，形成脫附氣體，然后進入CO 的催化燃燒單元進行處理。

2.1.4 催化氧化單元

經過分子篩轉輪吸附—脫附—濃縮的高濃度VOCs，通過催化氧化分解成二氧化碳（CO2）和水，最終達標排放。同時，催化氧化分解產生的熱量可降低系統(tǒng)熱能消耗量，當到達一定的濃度范圍，催化氧化釋放的熱量不僅能滿足CO 催化氧化單元自身運行需求，還能提供系統(tǒng)脫附預熱所需的換熱熱量。

2.2 運行方案分析

調整車間噴漆節(jié)拍，一個噴漆房噴漆時，另外一個噴漆房固化，保證了廢氣排放濃度的相對穩(wěn)定及末端廢氣治理設備的連續(xù)穩(wěn)定運行，控制廢氣治理設備入口濃度峰值不超過1300mg/m3。通過圖2 中排放濃度曲線，計算出一天的廢氣平均濃度約為395mg/m3，此數值和核算的平均濃度（398mg/m3）基本吻合，運行模式可行。

圖2 調整生產后噴房濃度變化曲線圖

3 運行問題分析

3.1 船體噴漆工序

車間噴涂產生的VOCs 濃度高，導致了轉輪濃縮廢氣濃度高，進而使催化氧化分解過程產生的熱量超過系統(tǒng)運行所需熱量，富余的熱量大部分蓄積在催化劑的陶瓷基材和蓄熱陶瓷上，少部分通過換熱器預熱濃縮后的廢氣，并且隨著預熱溫度的累積增加，最終會達到并超過催化劑耐受溫度，導致催化劑存在失活損壞的風險。

3.2 船體固化工序

轉輪脫附廢氣濃度低，VOCs 氧化分解釋放的熱量不足以支持系統(tǒng)運行所需熱量，熱源電加熱需滿負荷運行，運行能耗高。

4 解決技術方案

4.1 前端收集系統(tǒng)濃度削峰

（1）在兩個噴漆房側面增加多個收集口及調節(jié)型閥門，收集原理見圖3，廢氣經過閥門后進入匯總管道，通過廢氣匯總管道分配至兩套廢氣治理設備，從而達到兩個噴房混風后濃度削峰的目的。

圖3 前端收集系統(tǒng)

（2）兩個噴漆房工作節(jié)拍不一致，一個在噴漆，另一個在固化。調節(jié)兩個噴漆房的抽風量，同時根據入口濃度利用新風進行稀釋，風量匯總后平均分配至兩套轉輪。兩套轉輪各自配置相應的濃度檢測、溫壓調節(jié)、顆粒物預處理等工序。

4.2 不同生產模式設置保證運行穩(wěn)定

生產模式設置為以下4 種：1#、2#車間同時噴漆；1#車間噴漆，2#車間固化；2#車間噴漆，1#車間固化；1#、2#車間同時固化。

通過選擇以上模式來匹配不同控制參數達到以下目標：

（1）通過調整兩個噴房前端閥門開度，同步調整兩套設備的吸附風機頻率、入口負壓來實現進入兩套設備的廢氣濃度相對均衡，從而保證運行穩(wěn)定。

（2）利用入口濃度儀監(jiān)測廢氣濃度，調整吸口新風調節(jié)閥開度，稀釋入口廢氣濃度在可控范圍內，并根據廢氣濃度分段調節(jié)沸石分子篩轉輪轉速，使不同廢氣濃度都能達到最佳吸附脫附效果，從而保證系統(tǒng)的高處理效率。

（3）通過入口濃度儀調節(jié)轉輪脫附風機頻率進而調節(jié)脫附風量，以達到最佳脫附效果。

（4）CO 入口新風閥根據CO 入口爆炸下限（LEL）濃度儀監(jiān)測值分段設定開度，稀釋轉輪脫附廢氣濃度，以降低及控制進入蓄熱式催化氧化爐的廢氣濃度在安全值內，進而保證CO 運行安全及穩(wěn)定。

4.3 不同工況及濃度下的節(jié)能控制

4.3.1 高濃度噴漆模式下的節(jié)能控制

根據入口濃度調節(jié)不同的風機頻率及風量，以達到運行中控制風量同時降低電機及電加熱能耗的目的。

4.3.2 固化模式下的節(jié)能控制

（1）監(jiān)測到入口低濃度持續(xù)一定時間以上時，使系統(tǒng)進入節(jié)能模式，吸附風機、脫附風機按照最低設定值運轉。

（2）設置間歇脫附模式，CO 系統(tǒng)停止，沸石分子篩轉輪靜態(tài)吸附，吸附風機保持低頻率進行，根據吸附入口濃度累加計算吸附量，當吸附量達到設定值時，CO 系統(tǒng)啟動預熱，開始轉輪脫附，脫附2 圈后，CO 系統(tǒng)停止，繼續(xù)靜態(tài)吸附，循環(huán)往復，以達到最佳節(jié)能效果。

每天運行能耗情況見圖4。

圖4 每天運行能耗情況

5 結語

依靠可編程控制器（PLC）設定不同工況下程序的自控切換功能并設置異常聯鎖處置安全程序，解決了造船行業(yè)廢氣濃度波動大、VOCs 治理系統(tǒng)運行能耗高等問題，實現了不同濃度、不同生產模式的平穩(wěn)切換和系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，處理效果可穩(wěn)定達到排放要求且能耗達到理想水平。