烘干及廢氣處理技術(shù)在涂裝車間的應(yīng)用

陸 進(jìn) （南京依維柯汽車有限公司，江蘇南京 211806）

0 引言

在汽車涂裝生產(chǎn)過程中，涂層烘干是必不可少的關(guān)鍵工序之一。烘烤效果的好壞將直接影響到汽車的防腐、耐老化、外觀裝飾等性能。在常規(guī)涂裝工藝流程中，電泳、中涂及面漆工序均需進(jìn)行高溫固化烘烤。目前，主機(jī)廠涂裝車間烘干室采用的結(jié)構(gòu)形式主要有3種［1］：直通式、橋式、“π”式，詳見圖1；加熱熱源通常采用天然氣、電等；廢氣處理采用熱能回收式熱力焚燒系統(tǒng)（TNV，Thermische Nachverbrennung）或蓄熱式熱力焚燒系統(tǒng)（RTO，Regenerative Thermal Oxidizer）。

圖1 烘干室結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Diagram of ovens

下面將對(duì)烘干及廢氣處理技術(shù)在南京依維柯橋林基地涂裝車間的應(yīng)用情況及效果進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 烘干系統(tǒng)

涂裝車間共有3個(gè)烘干室，分別為電泳烘干室、中涂烘干室與面漆烘干室。

常規(guī)的直通式烘干室，在進(jìn)出口區(qū)域設(shè)置風(fēng)幕，防止車身進(jìn)出時(shí)熱量外溢，其結(jié)構(gòu)較簡單，設(shè)備投資相對(duì)較少。橋式和“π”式烘干室，在進(jìn)出口區(qū)域設(shè)置高溫升降機(jī)，車身由升降機(jī)爬坡或垂直送至上層的烘道，有效避免了熱氣外溢的問題，由于增加了高溫升降機(jī)，設(shè)備投資加大。

針對(duì)依維柯車身體積較大，車身進(jìn)出烘干室易產(chǎn)生“抽屜”效應(yīng)，帶出熱量的問題，最終選擇保溫性能更加可靠的“π”式結(jié)構(gòu)，同時(shí)使用加熱效能高、清潔環(huán)保的天然氣作為加熱熱源。

1.1 主要設(shè)備

烘干室的主要設(shè)備示意圖如圖2所示。

圖2 “π”式烘干室主要設(shè)備示意圖Figure 2 Diagram of the main equipments of the “π” type drying oven

加熱機(jī)組：為烘干系統(tǒng)持續(xù)提供熱源，包括天然氣燃燒系統(tǒng)、循環(huán)風(fēng)機(jī)、熱交換器、過濾器等。

排氣煙囪：排放加熱機(jī)組內(nèi)天然氣燃燒產(chǎn)生的SO2、NOX等廢氣。

風(fēng)管：包含送風(fēng)風(fēng)管、回風(fēng)風(fēng)管、廢氣風(fēng)管以及調(diào)節(jié)閥門。

室體：“π”式結(jié)構(gòu)，采用模塊組裝結(jié)構(gòu)，模塊之間設(shè)置熱膨脹伸縮段。室體內(nèi)壁板采用銅絲氣體保護(hù)焊，保證氣密性。

機(jī)運(yùn)系統(tǒng)：進(jìn)出口設(shè)置高溫升降機(jī)。室體內(nèi)地板上有承載車身輸送的地鏈，使得車身能夠連續(xù)勻速地通過烘干室。

1.2 工作過程

3個(gè)烘干室均采用熱風(fēng)對(duì)流加熱的方式，詳細(xì)工作過程示意圖見圖3。加熱機(jī)組的循環(huán)風(fēng)機(jī)將烘干室內(nèi)的空氣抽取到加熱室內(nèi)，燃燒器點(diǎn)火燃燒，循環(huán)空氣與爐膛內(nèi)的高溫氣體經(jīng)過熱交換器進(jìn)行能量傳遞，并經(jīng)過濾段后再返回到烘干室內(nèi)。室體內(nèi)部多處安裝溫度傳感器用于監(jiān)控烘干室內(nèi)的溫度，當(dāng)烘干室升溫區(qū)與保溫區(qū)溫度達(dá)到工藝溫度后，待烘烤車身經(jīng)入口段升降機(jī)升至室體內(nèi)，熱空氣通過噴嘴噴射到車身表面，從而將漆膜烘干。

圖3 烘干過程示意圖Figure 3 Diagram of the process of drying process

1.3 優(yōu)點(diǎn)

1.3.1 成本降低

（1） 熱量損失少。相較于直通式烘干室，“π”式結(jié)構(gòu)進(jìn)出口端的升降段起到保溫氣封的作用。熱空氣的密度較輕，集中在烘干室內(nèi)不易向外溢出，使熱量損失降低［2］。同時(shí)外壁板以及風(fēng)管均采用150 mm厚巖棉保溫，保溫性能良好。

（2） 能耗費(fèi)用低。采用天然氣作為加熱熱源，與傳統(tǒng)的電加熱相比，能耗費(fèi)用明顯降低，詳見表1。

表1 兩種加熱能源年費(fèi)用對(duì)比Table 1 The annual cost comparison of two forms of heating

計(jì)算依據(jù)：根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)手冊［3］，烘干所需總熱量可按公式（1）計(jì)算：

式中：Q∑為工作時(shí)總的熱消耗量，kJ；B為每立方米的安裝功率，一般取1.6～3 kW/m3；V為烘干室的容積，m3。其中，B取值范圍較大，當(dāng)烘干溫度為180 ℃時(shí)，B取3 kW/m3；當(dāng)烘干溫度為120～150 ℃時(shí)，B取2～2.5 kW/m3；當(dāng)烘干溫度為100 ℃時(shí)，B取2 kW/m3；當(dāng)烘干溫度為70～100 ℃時(shí)，B取1.8～1.9 kW/m3；當(dāng)烘干溫度低于70 ℃時(shí)，B取1.6 kW/m3。

以電泳烘干室為例，長×寬×高=102.2 m×4.3 m×3.8 m，烘干溫度180 ℃左右，計(jì)算其熱消耗量：

烘干室容積V=102.2×4.3×3.8=1 670.0 m3

根據(jù)烘干溫度，B取3 kW/m3

則總的熱損耗：

可取Qmax=4.24×106kJ/h

按下式計(jì)算安裝功率P：

考慮三相平衡，可取Pmax=5 424 kW。

目前車間實(shí)行單班工作制，年工作日為250 d，工作時(shí)數(shù)為8 h/班，則電泳烘干室每年運(yùn)行時(shí)間2 000 h，電加熱方式年費(fèi)用=5 424×2 000×1.187=1 287.7萬元，燃?xì)饧訜岱绞侥曩M(fèi)用=803.1×2 000×3.02=485萬元，采用天然氣作為加熱熱源每年可節(jié)約能耗費(fèi)用802.7萬元，整個(gè)烘干系統(tǒng)合計(jì)每年可節(jié)約能耗費(fèi)用2 603萬元。

（3） 仿形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在滿足工藝要求和被烘干車身通過性的前提下，盡量縮小烘干室的內(nèi)容積，減少烘干室的散熱面積。烘干室運(yùn)行過程中加熱量細(xì)分表詳見表2［4］?？s小內(nèi)容積，可降低烘干室內(nèi)空氣的加熱量（Q4）、室體散熱量（Qd）與熱風(fēng)循環(huán)量。同時(shí)將風(fēng)道盡量布設(shè)在烘干室內(nèi)，可減少其散熱面積和散熱量（Qe）。

表2 烘干室的加熱量細(xì)分表Table 2 The joules composition of drying oven

新涂裝車間烘干室根據(jù)最大車型尺寸，采用仿形結(jié)構(gòu)，詳見圖4，車身頂部與烘干室內(nèi)頂面距離由通常的400～450 mm縮小至300 mm，車身最寬位置至內(nèi)壁板距離由300～350 mm縮小至200 mm，同時(shí)在底部增加熱風(fēng)噴嘴，可以有效解決通常車身底部烘烤不足的問題。采用仿形結(jié)構(gòu)有效降低了投資成本與日常運(yùn)行成本。

圖4 烘干室剖面圖Figure 4 The section diagram of drying oven

1.3.2 改善漆膜質(zhì)量

（1） 烘干室潔凈度高，漆膜表面顆粒少。漆膜表面顆粒缺陷產(chǎn)生的原因很多，其中烘干室的潔凈度對(duì)其影響很大。采用“π”式結(jié)構(gòu)烘干室，使進(jìn)出口升降段形成氣封，有效地阻止了外界灰塵的帶入；加熱機(jī)組內(nèi)設(shè)置過濾等級(jí)F8的過濾段，有效過濾掉灰塵雜質(zhì)；采用天然氣間接加熱，烘干室內(nèi)氣流暢通，克服了傳統(tǒng)的直接加熱方式中由于電加熱器設(shè)備在烘干室內(nèi)引起的灰塵滯留。

（2） 漆膜烘干效果好。烘干室內(nèi)溫度上升速度適宜，保溫區(qū)溫度均勻，能夠保證漆膜無過烘烤、針孔、橘皮嚴(yán)重或漆膜不干等缺陷［5］。升溫區(qū)如果溫度上升過快，漆膜表層先于里層固化，濕膜難流平，易出現(xiàn)針孔、橘皮嚴(yán)重缺陷；溫度上升過慢，使得升溫時(shí)間延長，保溫時(shí)間縮短，漆膜固化不完全，硬度不達(dá)標(biāo)。在保溫區(qū)，溫度過高或過低，易出現(xiàn)過烘烤和漆膜不干等缺陷；如果保溫區(qū)溫度不均勻，使得車身不同部位的溫差大，則易造成某些部位過烘烤而某些部位漆膜不干。

烘干室采用4組加熱機(jī)組，對(duì)應(yīng)分別控制升溫1區(qū)、升溫2區(qū)、保溫1區(qū)與保溫2區(qū)，實(shí)行分區(qū)控溫，有效保證了烘干室內(nèi)溫度均勻一致，使車身各部位溫差很小，因而使漆膜烘干效果良好。通過八點(diǎn)爐溫儀測得面漆烘干室爐溫曲線，見圖5。

圖5 面漆烘干室爐溫曲線Figure 5 The temperature curve of the topcoat drying oven

由圖5可見，在升溫區(qū)，車身在15 min內(nèi)從室溫逐步升至140 ℃工藝溫度；在保溫區(qū)，車身溫度在140 ℃以上保持20 min，符合油漆的最佳烘干條件（140 ℃/ 20 min）。

2 廢氣處理

目前，國內(nèi)常規(guī)涂裝車間烘干室廢氣處理一般使用TNV或RTO方式。2種處理方式的比較［6］詳見表3。

表3 TNV、RTO廢氣處理方式比較Table 3 The comparison of TNV and RTO

根據(jù)車間的產(chǎn)能規(guī)劃、節(jié)拍和廢氣風(fēng)量，同時(shí)考慮到要處理噴漆室低濃度大風(fēng)量的廢氣，新車間選用了三室RTO。烘干室廢氣經(jīng)過廢氣風(fēng)機(jī)集中輸送至RTO，使廢氣充分燃燒后再排放，具體流程圖詳見圖6。

圖6 RTO廢氣處理流程圖Figure 6 The flow chart of RTO

2.1 RTO主要設(shè)備

2.1.1 蓄熱室蓄熱室主要用于貯存上一個(gè)循環(huán)的熱量，在下一個(gè)循環(huán)中釋放熱量來預(yù)熱待處理的廢氣。

2.1.2 廢氣焚燒裝置

廢氣焚燒裝置包括1個(gè)氧化室，2套燃燒機(jī)組。廢氣通過蓄熱室后被輸送到燃燒室，經(jīng)過高溫燃燒后排放。

2.1.3 廢氣輸送系統(tǒng)

廢氣輸送系統(tǒng)包括風(fēng)機(jī)、風(fēng)管、調(diào)節(jié)閥等。廢氣風(fēng)機(jī)將廢氣抽送至蓄熱室吸熱，然后送入燃燒室燃燒，接著送入另一個(gè)蓄熱室釋放熱能。

2.1.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)對(duì)各個(gè)系統(tǒng)、閥門切換等進(jìn)行控制。

2.2 RTO工作原理

2.2.1 基本工作原理

RTO是把有機(jī)廢氣加熱升溫至750 ℃以上，在燃燒室內(nèi)停留0.7～1.0 s，使廢氣中的有機(jī)污染物氧化分解成為無害的CO2和H2O。燃燒產(chǎn)生的熱量被蓄熱體“貯存”起來，用于預(yù)熱新進(jìn)入的有機(jī)廢氣，從而節(jié)省升溫所需要的燃料消耗，降低運(yùn)行成本［7］。

2.2.2 三室RTO工作原理

三室RTO工作原理如圖7所示。待處理的有機(jī)廢氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)進(jìn)入蓄熱室1的陶瓷介質(zhì)層（該陶瓷介質(zhì)“貯存”了上一循環(huán)的熱量）。陶瓷釋放熱量，有機(jī)廢氣吸收熱量后在燃燒室再燃燒升溫至設(shè)定的焚燒溫度，使其中的有機(jī)污染物被分解成CO2和H2O。焚燒處理后，凈化的高溫氣體從燃燒室進(jìn)入蓄熱室2（在前面的循環(huán)中已被冷卻），釋放熱量。凈化的氣體降溫后離開蓄熱室2，少量氣體反吹掃蓄熱室1殘留廢氣，此部分廢氣和經(jīng)過下一循環(huán)預(yù)熱的廢氣在焚燒室一起焚燒，大部分潔凈氣體經(jīng)引風(fēng)機(jī)排入大氣［8］。循環(huán)完成后，進(jìn)氣與出氣閥門進(jìn)行1次切換，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，廢氣由蓄熱室2進(jìn)入，蓄熱室3排出，同時(shí)少量潔凈氣體反吹掃蓄熱室2。完成后再進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，廢氣由蓄熱室3進(jìn)入，蓄熱室1排出，少量潔凈氣體反吹掃蓄熱室3。如此循環(huán)往復(fù)，處理效率高，廢氣得到不斷處理。

圖7 三室RTO工作原理示意圖Figure 7 Diagram of principle of the RTO with three rooms

2.3 RTO效果分析

2.3.1 凈化效率高

常規(guī)焚燒爐，爐溫最高為720 ℃，剛剛達(dá)到有機(jī)廢氣的裂解溫度，氣體停留時(shí)間0.5 s，凈化效率低；而陶瓷蓄熱式廢氣焚燒爐爐溫達(dá)760 ℃，氣體停留時(shí)間1 s，凈化效率高，同時(shí)三室RTO有3個(gè)蓄熱室，具備反吹清掃功能，使廢氣的凈化率更高，可達(dá)到98 %。經(jīng)第三方公司檢測，目前涂裝車間RTO煙囪的排放符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，詳見表4。

表4 RTO排氣煙囪檢測情況Table 4 The measurements of the stovepipe from RTO

2.3.2 節(jié)能

利用高效蓄熱材料，將燃燒廢氣的廢熱貯存在蓄熱材料中，用于下一階段進(jìn)入的廢氣預(yù)熱，提高廢氣進(jìn)氣溫度，廢熱回收效率可達(dá)95 %以上。

2.3.3 廢氣處理量靈活可變

當(dāng)3個(gè)烘干室的開停狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，廢氣排放量也隨之變化，可根據(jù)3個(gè)烘干室的開停狀態(tài)，通過變頻器來調(diào)節(jié)焚燒爐的風(fēng)量。

3 結(jié)語

目前，南京依維柯橋林基地涂裝車間烘干系統(tǒng)及廢氣處理設(shè)備RTO運(yùn)行良好，廢氣排放符合相關(guān)環(huán)保法規(guī)。烘干設(shè)備作為涂裝車間的關(guān)鍵設(shè)備之一，與涂裝車間的生產(chǎn)能力提升和能源消耗控制有著直接的關(guān)系，當(dāng)前烘干技術(shù)正朝著安全、環(huán)保、高效和節(jié)能的方向快速發(fā)展，環(huán)境友好和節(jié)能型的烘干室將成為未來的發(fā)展趨勢。