塑料噴涂共性工廠VOCs廢氣治理工藝分析

鄧慶良

（廣東環(huán)大環(huán)境科技有限公司，廣東 東莞 523000）

0 引言

近年來，隨著污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的不斷推進(jìn)，建設(shè)項(xiàng)目環(huán)保審批越來越嚴(yán)格，其中廣東省工業(yè)發(fā)達(dá)城市新建、擴(kuò)建的石化、化工、工業(yè)涂裝、包裝印刷等VOCs排放重點(diǎn)行業(yè)及重點(diǎn)工藝項(xiàng)目，按環(huán)保政策規(guī)定必須進(jìn)入共性工廠內(nèi)建設(shè)才能審批。

在生活用品、電子產(chǎn)品、汽車零部件外殼等的生產(chǎn)中，塑料噴涂是必不可少的生產(chǎn)工序，其原材料為尼龍、聚丙烯、聚碳酸酯等，油漆以紫外光固化油漆（UV油漆）及油性油漆為主，這些企業(yè)屬于工業(yè)涂裝VOCs排放重點(diǎn)行業(yè)。由于這些產(chǎn)品的需求量大，利潤高，投資者會出資新建或擴(kuò)建工廠，謀求更大的收益。

塑料噴涂行業(yè)在生產(chǎn)時會產(chǎn)生漆霧及VOCs廢氣，這些廢氣必須經(jīng)過處理并達(dá)標(biāo)后才能排放。目前VOCs廢氣治理方法主要有吸收法、吸附法、燃燒法、生物法等及其組合工藝。下文根據(jù)塑料噴涂共性工廠的實(shí)際情況，對VOCs廢氣治理工藝進(jìn)行分析及論述。

1 VOCs廢氣治理方法簡述

1.1 活性炭吸附

活性炭具有高度發(fā)達(dá)的孔隙構(gòu)造，其多孔結(jié)構(gòu)提供大量表面積，孔徑大小范圍在1.5 nm～5μm，孔容積達(dá)0.2～1.0 cm3/g。當(dāng)VOCs廢氣與活性炭充分接觸時，會產(chǎn)生范德華力，從而將廢氣中的有害物質(zhì)吸到活性炭的孔隙中。這個過程不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，吸附過程快，可逆且無選擇性。

衡量活性炭吸附能力最重要的指標(biāo)是碘值，碘值越高，活性炭吸附能力越強(qiáng)，處理效果越好。吸附過程是放熱反應(yīng)，會使環(huán)境溫度升高，環(huán)境溫度越高，吸附效率越低。當(dāng)廢氣溫度≤40℃、濕度≤50%、顆粒物含量≤1 mg/m3時，活性炭吸附效果最好，凈化效率為50%～80%[1]。

活性炭吸附有以下優(yōu)點(diǎn)：①投資費(fèi)用低，能耗低。②操作簡單。③耐酸堿腐蝕。其缺點(diǎn)有：①活性炭孔易堵塞，導(dǎo)致不能吸附，也不能再生。②活性炭易吸附飽和。③對混合氣體的吸附性能較弱。④脫附在120℃以下進(jìn)行，脫附不干凈。

1.2 沸石分子篩吸附

沸石分子篩是指那些具有分子篩作用的天然及人工合成的晶態(tài)硅鋁酸鹽。沸石分子篩轉(zhuǎn)輪是由沸石、黏結(jié)劑、助劑等材料燒結(jié)而成的一種蜂窩狀圓盤形設(shè)備，分為3個區(qū)域，5/6是吸附區(qū)，1/12是脫附再生區(qū)，1/12是冷卻區(qū)。運(yùn)行時轉(zhuǎn)速為3～5 r/h，濃縮倍數(shù)為3～30倍，需根據(jù)廢氣濃度選擇濃縮倍數(shù)。

吸附區(qū)：利用多孔結(jié)構(gòu)將有害物質(zhì)吸附到沸石分子篩的孔隙中，凈化效率為90%以上；脫附再生區(qū)通過脫附加熱器升溫到約180℃的氣體，將濃縮后的高濃度VOCs廢氣脫附出來，經(jīng)過接入催化燃燒爐或蓄熱式熱力焚燒爐等處理后排放；冷卻區(qū)將脫附再生后的沸石進(jìn)行降溫，沸石吸附溫度須低于40℃，濕度需小于80%[2]。

沸石分子篩吸附的優(yōu)點(diǎn)有：①吸附效率高，吸附性能穩(wěn)定。②沸石不燃，安全性好，脫附干凈。③不產(chǎn)生二次污染。④適用范圍廣。其缺點(diǎn)有：①投資成本高。②運(yùn)行成本高。

1.3 催化燃燒爐

催化燃燒爐（CO）基于廢氣中有機(jī)物可以燃燒氧化的特性，通過燃燒將廢氣中可氧化的組分轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)。催化燃燒采用催化劑可以降低廢氣氧化所需的活化能，并提高反應(yīng)速率，在較低的溫度下（250～350℃）進(jìn)行氧化燃燒，使有害物質(zhì)迅速氧化成二氧化碳和水蒸氣。凈化效率高達(dá)95%。

CO通常由催化劑、換熱器、加熱器和燃燒室構(gòu)成。處理VOCs廢氣時，需預(yù)熱至250～350℃，然后通入廢氣，吸附于催化劑表面，發(fā)生無焰燃燒，從而達(dá)到凈化的目的。催化劑分為貴金屬和過渡金屬兩類，貴金屬主要有鉑、鈀，載體多采用氧化鋁或天然沸石，在溫度較低時活性高，對各種成分選擇性小，具有高活性；過渡金屬由銅、鉻、錳、鈷、鎳等的氧化物經(jīng)過活化制成，活性較低，耐磨和耐熱性差[3]。

CO的優(yōu)點(diǎn)有：①凈化效率高。②無二次污染。③與RTO比，投資成本低，運(yùn)行成本低。其缺點(diǎn)有：①催化劑易中毒。②VOCs組分適應(yīng)性差。③不同催化劑的價格、性能差異較大。④用電能預(yù)熱時不能處理低濃度廢氣。

1.4 蓄熱式熱力焚燒爐

蓄熱式熱力焚燒爐（RTO）利用燃?xì)饣蛉加偷容o助燃料燃燒，將混合氣體加熱，使有害物質(zhì)在高溫作用下分解為無害物質(zhì)。熱力燃燒常用RTO處理工藝，有二室RTO、三室RTO及旋轉(zhuǎn)RTO。

RTO主體結(jié)構(gòu)由蓄熱室、燃燒室、閥門和燒嘴組成。將廢氣加熱升溫至750～850℃左右，使廢氣中的有害物質(zhì)氧化分解為無害的二氧化碳和水蒸氣；氧化時高溫氣體的熱量被蓄熱體“貯存”起來，用于預(yù)熱新進(jìn)入的廢氣，從而節(jié)省升溫所需要的燃料消耗，降低運(yùn)行成本。在氧化室中，廢氣再由燃燒器補(bǔ)燃，加熱升溫至設(shè)定的氧化溫度。氧化室有兩個作用：①保證廢氣達(dá)到設(shè)定的氧化溫度。②保證有足夠的停留時間使廢氣充分氧化。

二室RTO不設(shè)吹掃功能，切換氣體流動方向時，切換閥到燃燒室之間蓄熱區(qū)域的氣體空間（死區(qū)）未經(jīng)氧化反應(yīng)的廢氣與凈化后的廢氣一同排出，凈化效率為95%左右。三室RTO和旋轉(zhuǎn)RTO設(shè)有吹掃功能，能解決死區(qū)未經(jīng)處理廢氣被帶出排放的問題，處理效率分別為98.5%、98%[4]。

RTO的優(yōu)點(diǎn)有：①可適應(yīng)VOCs組成和濃度的變化、波動。②對廢氣中夾帶少量灰塵、固體顆粒物不敏感。③熱效率高達(dá)95%。④凈化效率高。⑤裝置使用壽命長。其缺點(diǎn)有：①設(shè)備重量大、體積大。②投資成本高。③預(yù)熱時間長，運(yùn)行成本高。

2 塑料噴涂共性工廠VOCs廢氣治理工藝選擇

2.1 UV油漆噴涂廢氣治理工藝選擇

UV油漆含有分子量不大，而分子內(nèi)有可聚合官能團(tuán)的單體及低聚物，處理這種廢氣的難點(diǎn)在于漆霧的預(yù)處理，常用的水噴淋沖洗、阻漆棉、袋式過濾都不能徹底解決預(yù)處理問題。預(yù)處理沒做好，意味著UV漆霧會進(jìn)入后續(xù)處理設(shè)施，而活性炭、沸石分子篩、催化劑一旦堵塞，將會喪失凈化功能。目前沒有很好的預(yù)處理方法。

最佳辦法是直接使用RTO工藝，將UV漆霧在750～850℃的高溫下燒毀。廢氣量及VOCs濃度直接影響RTO的投資及運(yùn)行成本，風(fēng)量越低，VOCs濃度越高，投資及運(yùn)行成本越低；反之，投資及運(yùn)行成本越高。UV噴涂廢氣量與噴涂柜的尺寸及噴槍數(shù)量有關(guān)，每個噴涂柜風(fēng)量約為15 000 m3/h。共性工廠的UV噴涂廢氣量大，但VOCs濃度一般不高于300 mg/m3。綜上所述，由于廢氣量大，且不能濃縮，需要不斷利用燃?xì)饣蛉加捅３譅t內(nèi)溫度，導(dǎo)致造價高、運(yùn)行成本高。

2.2 油性油漆噴涂廢氣治理工藝選擇

油性油漆由成膜物質(zhì)（樹脂、乳液）、顏料、溶劑和添加劑（助劑）組成，在噴涂過程中，溶劑揮發(fā)形成漆霧和VOCs廢氣。處理油性油漆噴涂廢氣需先預(yù)處理漆霧，再去除VOCs廢氣。

漆霧預(yù)處理工藝依次經(jīng)水簾柜、氣旋水噴淋塔慣性重力、離心力的作用，及高效過濾器阻隔作用去除漆霧。

廢氣經(jīng)預(yù)處理后，可根據(jù)工況選擇以下工藝進(jìn)行廢氣治理。

2.2.1 活性炭+CO工藝

活性炭使用一段時間后吸附效果明顯變差，可采用在線脫附活性炭，恢復(fù)其吸附性能。在線脫附需設(shè)活性炭吸附備箱，當(dāng)其中一箱體脫附時，啟用備箱進(jìn)行吸附，脫附頻率控制在每天一脫或隔天一脫，以此保證吸附效率。

活性炭+CO工藝（圖1）適用于最高產(chǎn)生濃度低于150 mg/m3的情況?；钚蕴棵摳綌?shù)次后，凈化效率會明顯降低，因?yàn)椴糠指叻悬c(diǎn)有機(jī)物不能在120℃的溫度下脫附出來，孔隙被這部分有機(jī)物占有，容易導(dǎo)致排氣超標(biāo)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)活性炭吸附效率大幅下降時，需立刻更換活性炭。此工藝投資、運(yùn)行成本低。

圖1 活性炭+CO工藝

2.2.2 沸石分子篩+CO工藝

沸石分子篩+CO工藝（圖2）適用于最高產(chǎn)生濃度低于300 mg/m3的情況。通過沸石分子篩，吸附、脫附、冷卻同時進(jìn)行，吸附后廢氣排放。濃縮到適當(dāng)倍數(shù)的廢氣經(jīng)再生加熱器脫附后進(jìn)入CO設(shè)備，控制CO設(shè)備在此濃度下少供甚至不供能量，把廢氣氧化成無害的二氧化碳和水。此工藝投資、運(yùn)行成本適中。

圖2 沸石分子篩+CO工藝

2.2.3 沸石分子篩+RTO工藝

沸石分子篩+RTO工藝（圖3）適用于最高產(chǎn)生濃度低于300 mg/m3的情況。沸石分子篩采用上述相同的工藝，控制RTO設(shè)備在此濃度下少供甚至不供能量，在高溫下將廢氣氧化成無害的二氧化碳和水[5]。與沸石分子篩+CO工藝比，此系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定，受干擾更?。挥捎诖斯に囀褂玫脑O(shè)施體積比較大，需要達(dá)到的反應(yīng)溫度更高，所以投資成本和運(yùn)行成本高。

圖3 沸石分子篩+RTO工藝

2.2.4 CO工藝和RTO工藝

CO適用于最高產(chǎn)生濃度為600 mg/m3的情況，RTO適用于最高產(chǎn)生濃度為1500 mg/m3的情況。如果濃度低于預(yù)定值，保證達(dá)到反應(yīng)溫度需要增加能耗，不僅增加運(yùn)行成本，長時間運(yùn)行還會損壞設(shè)備。這兩種工藝投資和運(yùn)行成本最高。RTO工藝相較CO工藝，投資及運(yùn)行成本更高。

3 結(jié)語

塑料噴涂共性工廠的UV油漆噴涂廢氣宜采用RTO工藝，該工藝能解決UV漆霧，并保證VOCs廢氣達(dá)標(biāo)，但投資成本及運(yùn)行成本極高。

塑料噴涂共性工廠的油性油漆噴涂廢氣治理工藝須根據(jù)最高產(chǎn)生濃度進(jìn)行選擇，VOCs濃度越高，需要投入的成本越高，選擇的原則是既能使排放達(dá)標(biāo)（≤30 mg/m3），又節(jié)省投資及運(yùn)行成本。

當(dāng)VOCs濃度≤150 mg/m3，選用活性炭+CO工藝；當(dāng)150 mg/m3≤VOCs濃度≤300 mg/m3，選用沸石分子篩+CO工藝或RTO工藝；當(dāng)300 mg/m3≤VOCs濃度≤600 mg/m3，選用CO工藝；當(dāng)600 mg/m3≤VOCs濃度≤1500 mg/m3，選用RTO工藝；當(dāng)VOCs濃度≥1500 mg/m3，選用CO串聯(lián)或RTO串聯(lián)工藝。