航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件噴漆廢氣治理研究與應(yīng)用

中國(guó)航發(fā)成都發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司 申阿芳

“十三五”以來(lái)全國(guó)337個(gè)地級(jí)及以上城市臭氧濃度上升20.9%，而揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）是形成O3的重要前體物，所以，加強(qiáng)VOCs治理勢(shì)在必行。航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件經(jīng)鑄造、拋光等處理后需進(jìn)行表面噴漆，噴漆采用的原料漆、稀釋劑、固化劑等原輔材料中主要含有苯、甲苯、二甲苯等有害的揮發(fā)性有機(jī)物。揮發(fā)性有機(jī)物對(duì)環(huán)境的污染不容忽視，可能會(huì)誘發(fā)光化學(xué)煙霧、霧霾等環(huán)境污染事件，長(zhǎng)期停留在空氣中更會(huì)影響動(dòng)植物的生長(zhǎng)；對(duì)人體的毒害也不可小覷，長(zhǎng)時(shí)間吸入會(huì)對(duì)人體的呼吸系統(tǒng)、血液神經(jīng)系統(tǒng)、肝腎臟、皮膚、眼睛等造成不可逆的傷害，更嚴(yán)重的可引起白血病、各類癌癥等疾病的發(fā)生。為了降低VOCs氣體的排放濃度，減少對(duì)環(huán)境和人體的傷害，首先研究了噴房的噴漆工藝特征、廢氣參數(shù)、VOCs濃度等，經(jīng)過(guò)多種工藝對(duì)比，選擇采用以催化氧化為主體，過(guò)濾、吸附為預(yù)處理的工藝替代原單一活性炭吸附工藝，最終達(dá)到減排的目的。

一、研究目的

為了降低VOCs氣體對(duì)環(huán)境的危害，本次研究決定對(duì)原噴漆廢氣的單一活性炭處理進(jìn)行改造，改造后，可達(dá)到以下目的：

（1）廢氣凈化設(shè)施改造后，苯、甲苯、二甲苯和VOCs穩(wěn)定達(dá)到《四川省固定污染源大氣揮發(fā)性有機(jī)物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB51/2377-2017）要求。

（2）在滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，減少VOCs氣體至少1t/a。

二、前期參數(shù)研究

在廢氣處理設(shè)施改造前，首先對(duì)噴漆工藝、風(fēng)量、VOCs濃度等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了研究。

（一）噴漆工藝特征研究

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司噴漆房?jī)?nèi)設(shè)手工噴漆工位，主要針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、葉片等零件噴漆。航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)零件的防銹、防腐蝕要求非常高，與水性漆相比，油性漆具有良好的防銹、防腐蝕效果，且附著力好，在表面可形成致密的保護(hù)膜，不易被水浸潤(rùn)和氧化，所以，從源頭削減VOCs排放量的可能性較小，主要考慮末端治理。

本次研究的噴漆具有以下特點(diǎn)：1.航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件眾多，面積大小不一，大至1.5m，小至0.1m，噴漆量差異大；2.航空發(fā)動(dòng)機(jī)非流水線生產(chǎn)，作業(yè)連續(xù)性差，負(fù)荷時(shí)高時(shí)低；3.風(fēng)量較大，各生產(chǎn)負(fù)荷下廢氣中VOCs濃度差別大，經(jīng)過(guò)對(duì)各種負(fù)荷下噴漆廢氣VOCs濃度的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)VOCs產(chǎn)生濃度范圍為50mg/m3-120mg/m3不等。

表1 排氣筒揮發(fā)性有機(jī)物排放限值

原有噴漆廢氣處理方式為單一的活性炭吸附，因廢氣風(fēng)量大，VOCs濃度低，吸附效果差，出口濃度不穩(wěn)定，處理效率低，所以，迫切需要研究新的廢氣治理工藝。

（二）風(fēng)量的計(jì)算

噴房為全封閉結(jié)構(gòu)，作業(yè)人員為手工室內(nèi)作業(yè)，設(shè)機(jī)械送排風(fēng)系統(tǒng)，

Qs=3600FV

式中：F—送風(fēng)截面積m2

v—為空載風(fēng)速，按要求送風(fēng)風(fēng)速在0.5m/s

Qs—總送風(fēng)量m3/h

考慮頂部鑲嵌安裝照明等設(shè)施，實(shí)際送風(fēng)面積為：4*3.5=14m2

Qs=3600×14×0.5=25200m3/h

為保證噴房微正壓，排風(fēng)風(fēng)量約為送風(fēng)量的98%，即24696m3/h，最終確定設(shè)計(jì)排風(fēng)量為26000m3/h。

（三）VOCs濃度的確定

公司委托資質(zhì)單位對(duì)噴房?jī)?nèi)各生產(chǎn)負(fù)荷下產(chǎn)生的廢氣進(jìn)行監(jiān)測(cè)，濃度范圍約為50-120mg/m3，屬低濃度廢氣。

三、工藝的選擇和確定

目前，VOCs末端治理工藝有吸收法、吸附法、冷凝法、燃燒法、生物降解、光催化等，可單獨(dú)使用，實(shí)際應(yīng)用中大多采用組合工藝，以下分別從各類處理工藝的應(yīng)用范圍、行業(yè)、優(yōu)缺點(diǎn)、適用濃度和風(fēng)量、投資和運(yùn)營(yíng)成本幾方面進(jìn)行了對(duì)比。

由前期噴房噴漆工藝及相關(guān)參數(shù)可知，廢氣產(chǎn)生不連續(xù)，VOCs濃度變化較大，但總體濃度偏低，任務(wù)量最大時(shí)，VOCs濃度可達(dá)到120mg/m3，風(fēng)量為26000m3/h。經(jīng)過(guò)工藝優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍、投資及后期運(yùn)營(yíng)費(fèi)用比較，最終選擇過(guò)濾-吸附-濃縮-催化氧化法對(duì)噴漆VOCs進(jìn)行處理。

四、工藝設(shè)計(jì)及設(shè)備

噴漆廢氣首先通過(guò)室內(nèi)無(wú)泵水簾去除顆粒物后，會(huì)有水汽和未處理的顆粒物帶入后續(xù)處理設(shè)備，從而對(duì)活性炭吸附造成堵塞，所以廢氣經(jīng)干式過(guò)濾器通過(guò)物理阻擋的方式去除顆粒物后，再進(jìn)入活性炭吸附器?；钚蕴课狡鲀?nèi)填充有針對(duì)有機(jī)廢氣專用的活性炭，活性炭具有高孔隙率高吸附性的特點(diǎn)，廢氣中的有機(jī)成分的小分子和活性炭間通過(guò)分子間力的吸附作用，捕集其中的有機(jī)成分。吸附飽和后進(jìn)行脫附，脫附的VOCs氣體進(jìn)入催化燃燒系統(tǒng)，在250℃的溫度下進(jìn)行催化反應(yīng)，最終生成CO2和H2O，同時(shí)釋放能量，廢氣由排氣筒排至大氣環(huán)境中。催化反應(yīng)式如下：

（一）過(guò)濾設(shè)備

噴漆廢氣首先經(jīng)過(guò)噴房?jī)?nèi)無(wú)泵水幕去除部分漆霧后，進(jìn)入干式過(guò)濾器除水霧和顆粒物。本次研究過(guò)濾設(shè)備為碳鋼噴塑，選用的是彈性強(qiáng)、抗斷裂、耐高溫的玻璃纖維材質(zhì)的過(guò)濾棉作為濾材，纖維成遞增結(jié)構(gòu)能攔截5μm以上的微粒，具有很好的疏水性和低阻力，去除效率可達(dá)到95%以上。過(guò)濾棉通量為8000m3/m2，20mm時(shí)初始阻力只有不到40Pa。過(guò)濾棉四周加裝耐腐蝕的金屬邊框固定，更換方便。

（二）活性炭吸附設(shè)備

1.吸附

吸附原理：廢氣經(jīng)過(guò)干式過(guò)濾器處理后進(jìn)入活性炭吸附器，活性炭吸附器是系統(tǒng)中關(guān)鍵部分。吸附器內(nèi)填充有針對(duì)有機(jī)廢氣專用的活性炭，活性炭具有高孔隙率、高吸附性的特點(diǎn)，廢氣中的VOCs小分子和活性炭間通過(guò)分子間力的吸附作用，捕集其中的VOCs，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的吸附后，活性炭接近飽和時(shí)需進(jìn)行更換。

表2 常規(guī)VOCs治理技術(shù)比較

吸附介質(zhì)：在廢氣處理上使用的活性炭一般有柱狀炭和蜂窩狀炭。本次研究就兩種炭進(jìn)行探討，最終選取蜂窩狀炭，主要是因?yàn)槠錇槎嗝骟w結(jié)構(gòu)、孔隙度良好，孔密度為16孔/cm2、比表面積大＞800m2/g、吸附性能好、風(fēng)阻小的優(yōu)點(diǎn)，可大大提高對(duì)VOCs的吸附性能。

本次研究的活性炭吸附設(shè)備主體采用碳鋼制作，內(nèi)部采用格柵和不銹鋼絲網(wǎng)，罐體采用臥式裝填活性炭，裝填面積大、裝填量多、阻力小，阻力損失為400Pa。

活性炭吸附器為多層設(shè)計(jì)，氣流分布均勻、穩(wěn)定，空塔風(fēng)速0.8-1.0m/s時(shí)，實(shí)測(cè)壓損小于50mmAq，器層厚度300mm，具有良好的吸附效果和經(jīng)濟(jì)壓損。本次研究的噴漆濃度約100mg/m3，每天工作10h，單位時(shí)間排風(fēng)量按負(fù)荷96%計(jì)算，即25000m3/h，則每天產(chǎn)生污染物的量約25kg。

2.脫附

活性炭吸附器達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)停止吸附，進(jìn)入脫附狀態(tài)，并聯(lián)的活性炭進(jìn)入吸附狀態(tài)，根據(jù)現(xiàn)運(yùn)行效果看，約3天需進(jìn)行一次脫附。

脫附和吸附方向相反，吸附工作時(shí)廢氣從上至下通過(guò)活性炭層，VOCs在活性炭中濃度也是自上而下遞減的。脫附時(shí)熱空氣從下部進(jìn)入，更有利于有機(jī)物的吹脫下來(lái)，上部高濃度的廢氣直接被熱空氣帶走。帶走的廢氣進(jìn)入催化燃燒室內(nèi)進(jìn)行高溫分解處理。脫附風(fēng)機(jī)風(fēng)量為1500m3/h，濃度為10400mg/m3，脫附溫度為120℃，主要考慮濃度必須低于苯的爆炸下限20%-25%。

脫附是一個(gè)吸熱的過(guò)程，經(jīng)過(guò)論證，催化燃燒釋放出的熱量足夠脫附使用，所以，無(wú)須另外增加外部熱源。

（三）催化氧化設(shè)備

濃縮后的VOCs廢氣由管道系統(tǒng)進(jìn)入焚燒爐，先經(jīng)過(guò)一個(gè)初步熱交換器預(yù)熱，產(chǎn)生的熱空氣進(jìn)入吸附器用于脫附。脫附后的VOCs進(jìn)入輔助燃燒室的燃燒器加熱到催化劑反應(yīng)需要的溫度（250℃）。加熱后的氣體經(jīng)過(guò)催化器時(shí)會(huì)發(fā)生快速的化學(xué)氧化反應(yīng)，生成二氧化碳和水，同時(shí)放出熱量，這些熱量又可以用于加熱新的VOC進(jìn)氣。

燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱空氣被用來(lái)加熱活性炭脫附吸附的有機(jī)物，形成熱量的循環(huán)利用，減少輔助燃燒時(shí)燃燒器的耗能。當(dāng)燃燒后的煙氣溫度過(guò)高時(shí)需啟動(dòng)補(bǔ)冷風(fēng)機(jī)調(diào)整脫附空氣的溫度，使活性炭吸附器處在安全有效的脫附環(huán)境。

表3 設(shè)備運(yùn)行結(jié)果

表4 設(shè)備運(yùn)行效果

催化燃燒是一種無(wú)焰（無(wú)明火）氧化過(guò)程，需利用高效的催化劑來(lái)加速VOCs的分解，所以催化劑的選擇非常重要。根據(jù)本次研究對(duì)象噴漆類有機(jī)廢氣成分復(fù)雜，催化劑的服役條件惡劣，最終選擇貴金屬催化劑，主要是鉑和鈀的合金，這種合金具有低溫高活性和起燃溫度低的特點(diǎn)，對(duì)S的抗毒性也強(qiáng)于金屬氧化物。

五、運(yùn)行結(jié)果及分析

（一）設(shè)備運(yùn)行結(jié)果

1.廢氣達(dá)標(biāo)排放

系統(tǒng)安裝完畢、調(diào)試后開(kāi)始正常運(yùn)行，經(jīng)過(guò)資質(zhì)單位取樣監(jiān)測(cè)后，結(jié)果表明廢氣經(jīng)“過(guò)濾+吸附+濃縮+催化氧化”工藝處理后，廢氣中VOCs濃度為8.01mg/m3，處理效率達(dá)到了93%，可滿足《四川省固定污染源大氣揮發(fā)性有機(jī)物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB51/2377-2017）要求限值：60mg/m3，同時(shí)與單一活性炭相比，可減排VOCs量約1.14t/a。

2.后期運(yùn)營(yíng)情況

后期運(yùn)營(yíng)主要包括活性炭、過(guò)濾棉和催化劑的更換、定期檢修?；钚蕴科骄?.5年更換一次，更換量約為3m3；過(guò)濾棉平均一個(gè)月更換一次，更換量為兩塊1.2m×1.5m的棉，催化劑4年更換一次，更換操作簡(jiǎn)便。后期運(yùn)營(yíng)費(fèi)用約12萬(wàn)元（包含電費(fèi)）。

（二）設(shè)備運(yùn)行效果分析

過(guò)濾+吸附+脫附+催化氧化設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，處理噴漆廢氣具有以下優(yōu)點(diǎn)：凈化效率高、吸附性能好、安全性能高、自動(dòng)化程度高、能耗低、阻力小、余熱可回收等。

六、結(jié)語(yǔ)

對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)來(lái)說(shuō)，噴漆工序不連續(xù)，廢氣產(chǎn)生不連續(xù)。過(guò)濾+吸附+脫附+催化氧化可針對(duì)不連續(xù)噴漆廢氣進(jìn)行吸附，吸附飽和后再進(jìn)行脫附，不影響不連續(xù)廢氣的處理。

該處理工藝VOCs濃度從120mg/m3降至8mg/m3，處理效率可穩(wěn)定達(dá)到93%以上，VOCs氣體徹底分解為CO2和H2O，對(duì)環(huán)境的影響較小。案例實(shí)施后與傳統(tǒng)工藝相比，減排量達(dá)到1.14t/a，且能耗低，是噴漆行業(yè)國(guó)家推薦的先進(jìn)工藝，自動(dòng)化程度高。后期運(yùn)營(yíng)簡(jiǎn)單，且費(fèi)用較低，可推廣性較強(qiáng)。

相關(guān)鏈接

航空發(fā)動(dòng)機(jī)（aero-engine）是一種高度復(fù)雜和精密的熱力機(jī)械，作為飛機(jī)的心臟，不僅是飛機(jī)飛行的動(dòng)力，也是促進(jìn)航空事業(yè)發(fā)展的重要推動(dòng)力，人類航空史上的每一次重要變革都與航空發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)進(jìn)步密不可分。

經(jīng)過(guò)百余年的發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)發(fā)展成為可靠性極高的成熟產(chǎn)品，正在使用的航空發(fā)動(dòng)機(jī)包括渦輪噴氣/渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪軸/渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓式發(fā)動(dòng)機(jī)和活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)等多種類型，不僅作為各種用途的軍民用飛機(jī)、無(wú)人機(jī)和巡航導(dǎo)彈動(dòng)力，而且利用航空發(fā)動(dòng)機(jī)衍生發(fā)展的燃?xì)廨啓C(jī)還被廣泛用于地面發(fā)電、船用動(dòng)力、移動(dòng)電站、天然氣和石油管線泵站等領(lǐng)域。

進(jìn)入21世紀(jì)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)正在進(jìn)一步加速發(fā)展，將為人類航空領(lǐng)域帶來(lái)新的重大變革。傳統(tǒng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)正在向齒輪傳動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)、多電發(fā)動(dòng)機(jī)、間冷回?zé)岚l(fā)動(dòng)機(jī)和開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展，非傳統(tǒng)的脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪基組合發(fā)動(dòng)機(jī)，以及太陽(yáng)能動(dòng)力和燃料電池動(dòng)力等也在不斷成熟，這些發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展將使未來(lái)的航空器更快、更高、更遠(yuǎn)、更經(jīng)濟(jì)、更可靠，并能夠滿足更加嚴(yán)格的環(huán)保要求，并將使高超聲速航空器、跨大氣層飛行器和可重復(fù)使用的天地往返運(yùn)輸成為現(xiàn)實(shí)。