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    噴漆室及廢氣凈化塔廢氣治理規劃的系統化思考

    2020-12-08 15:20:48

    自2014年來,北京、上海、江蘇等地響應國家號召,陸續發布了史上最嚴的汽車制造業大氣污染物排放地方標準,其中將關鍵排放指標——非甲烷總烴排放濃度限值,從原先執行了十多年的《GB 16297—2004 大氣污染物排放標準》中規定的150 mg/m3驟降至20~30 mg/m3,標志著汽車制造業正式開始環保轉型。


    在法規陸續出臺并完善的這5年時間里,關于廢氣治理技術成為了汽車涂裝行業最熱點的話題,針對不同工況下的廢氣治理辦法也在不斷討論分析實踐中固化。然而在這一過程中,導致不同工況產生的源頭——生產設備,卻鮮有被提及。


    本文以噴漆室為例,將生產設備與后續治理建立關聯,并給出規劃指引。


    1 漆霧分離裝置的選擇


    一套完整的噴漆室系統通常由送排風、動靜壓室、噴漆室體、漆霧分離裝置四大部分組成。前三者的規劃設計受到節拍、產品尺寸、噴涂形式等因素的影響,但主體結構大同小異,對于噴漆室系統而言最主要的分歧集中在漆霧分離形式的選擇上。采用不同形式的漆霧分離裝置會對一次投資、維護運營、廢氣排放等方面造成不同程度的影響。表1列舉了目前汽車制造業主流的噴漆室漆霧分離裝置,根據分離裝置對漆霧顆粒捕集媒介的選擇,可以簡單分為濕式和干式兩大類。



    1.1 濕式文丘里


    濕式文丘里用于漆霧分離在涂裝行業的應用歷史悠久,目前仍是國內最主流的漆霧分離形式之一,原因有以下幾點:


    1)機械結構穩定可靠。濕式文丘里在循環水的動力提供方面采用了離心水泵,漆渣上浮后的刮渣環節采用了電機驅動的往復機構,除此以外再無其他可動部件。穩定可靠的機械結構減輕了車間維修的壓力,同時也降低了車間運維的難度。


    2)制造難度低、技術門檻低。作為目前主流形式中歷史最悠久的一種,其技術核心及結構細節已經普及,門檻降低的同時也降低了一次投資的規模。


    3)分離效率相對穩定。穩定的機械結構使得濕式文丘里漆霧分離裝置在運行過程中的系統參數變化較小。通常只需要保證水量穩定、淌水板潔凈,就可以維持初次投入時的分離效率。有關藥劑添加及水質維持方面的工作一般由外包專業供應商負責,幾乎不會影響到設備運行。


    盡管濕式文丘里有以上諸多優點,然而從整個噴漆室系統的角度來看,濕式原理導致的空氣濕度上升成了當前車間選擇該形式的大阻力。當噴漆室系統采用循環風時,選擇濕式文丘里會導致付出更多的循環風除濕能耗,即使噴漆室系統不采用循環風,較高的排風濕度仍然會給后續沸石濃縮轉輪的治理增加難度。這也是近期行業內都在尋求可靠的干式系統來取代濕式文丘里的最重要原因。


    1.2 石灰石漆霧捕集


    石灰石漆霧捕集系統在德系供應商提供的方案中被廣泛應用,該系統除具備干式系統空氣狀態變化小的優勢外,還提供了目前業內高的分離效率,在核心參數占據優勢的情況下,阻礙用戶選用的主要原因集中在以下兩點:


    1)高昂的一次投資。石灰石漆霧捕集系統最為核心的濾芯目前仍然依賴進口,且濾芯在使用過程中會有所損耗,一般整體更換周期為3 a,造成了一次投資的高昂費用以及后續周期發生的更換費用。所以通常用戶會搭配高比例的循環風來使用石灰石系統,用極低的循環風能耗來體現石灰石系統的精益性。


    2)廢石灰處理問題。目前采用石灰石系統的所有車間都將廢石灰按固廢價格外包后處理。然而,廢石灰中含有漆霧顆粒、VOC、金屬粉末等成分,這些物質是否會使廢石灰在日益收緊的環保政策下重新定義為危廢,這個不確定項將嚴重影響該系統的可用性。


    1.3 靜電漆霧捕集


    靜電漆霧捕集系統在整體機電設計上較為復雜,通過靜電將漆霧吸附至電極板上,再通過清洗劑洗去電極板上的積漆,從最終的分離效果上來看能夠媲美石灰石系統,但是一次投資不占優勢,且設備維護門檻較高,雖然是一項可用的技術,但在國內的應用案例比較少。


    1.4 紙盒式漆霧捕集


    紙盒式漆霧捕集系統近年來發展迅速,因為技術門檻較低,也造成了紙盒供應商魚龍混雜,最終呈現的效果差異較大。目前使用該系統需要關注的要點如下:


    1)核心紙盒的選擇。紙盒過濾的原理是采用離心碰撞捕集漆霧,所以對于紙盒本身的流道設計合理性要求極高。首先流道設計需要產生足夠的折流以滿足碰撞需求,其次還需要保證流道在捕集漆霧后不產生塌縮導致過早地堵塞,最后還需要在合理的空間內設計盡可能多的漆霧堆積位置來提升容漆量。同時結合以上三點設計的紙盒才能夠充分發揮出干式系統運營成本低的特性。


    2)紙盒后過濾的選擇。就紙盒原理及現有紙盒的實際表現來看,單純的折流離心碰撞仍然無法獨立承擔漆霧捕集的任務,最終的漆霧捕集依然要借助過濾袋完成。精度較低的過濾袋會導致漆霧透過量大,精度較高的過濾袋會導致濾袋堵塞快。結合紙盒本身效率來選擇搭配后續過濾是產線建成后需要持續摸索的關鍵。


    3)更換周期及周期內的變化。紙盒系統最早誕生針對的是離線修補等低產能、非連續生產的場合,采用紙盒系統可以減少設備占地,且濾材更換成本更低。在應用到整車流水線后首要考慮的因素是如何在車間生產的狀態下進行紙盒更換,且對噴漆室風平衡不產生影響,其次還要考慮在一個更換周期內紙盒的阻力變化,如何設置更換周期對整個系統運行的影響最小。


    1.5 漆霧分離裝置的選擇對廢氣排放的影響


    無論選用哪種形式的漆霧分離裝置,最終都將產生漆霧捕捉媒介與過噴漆霧的混合物,假設該混合物在收集后可以做到密閉保存、運輸,那么最終混合物內的VOC含量就是漆霧分離裝置對噴漆系統的VOCs減量。不同漆霧分離裝置對VOCs排放的影響見表2。



    VOC在最終混合物中的殘留量取決于捕捉媒介在整個系統內的滯留時間。


    濕式文丘里的循環水更換頻次很低,除了少量的蒸發、漆渣攜帶造成的適當補液外,循環水整體置換頻次可長達1年甚至更久,這導致了油漆所含VOC幾乎都在噴漆室系統中充分揮發,濕式文丘里對廢氣減排幾乎沒有作用。


    石灰石漆霧捕集裝置在使用石灰粉捕捉漆霧顆粒后會在短時間內通過管道將廢石灰收集至密閉容器內,很大程度上限制了過噴漆霧在噴漆室系統內的揮發。


    靜電漆霧捕集系統在采用電極板吸附過噴漆霧顆粒后,為了使電極板保持清潔,滿足連續生產要求,會不斷使用清洗劑沖洗電極板表面,在這個過程中過噴漆霧會被收集至密閉罐體中,也能限制過噴漆霧的揮發。


    紙盒式漆霧捕集裝置受到產能、噴涂量以及紙盒本身容漆量的影響,紙盒更換周期從3 d至7 d不等,更換頻次越高對生產運維壓力越大,但卻有助于減少揮發。


    2 原材料揮發情況


    在實際規劃廢氣治理設備時,原材料的揮發情況雖然未被忽視,卻也幾乎沒有被準確預估過。通常情況下一個新建車間在正式滿產前,規劃者并不清楚最終的排放值會是多少。通過油漆材料的MSDS信息可以大致了解VOC成分所占比重,但即使準確測定了VOC在源頭的量,對于這些揮發性物質會在什么場合以什么速度揮發卻依然無法明確。


    例如業內規劃計算階段常常提到的定理:噴房揮發與烘房揮發的比例為7∶3。然而這是正確的嗎?色漆先于清漆完成噴涂對揮發比例有影響嗎?7∶3中包含清洗溶劑了嗎?色漆采用水性漆或是溶劑型漆對該比例有影響嗎?在油漆體系、噴涂設備和送風參數不斷變化的現狀下,7∶3的經驗比例卻幾乎沒做過任何修訂仍然作為規劃依據,這和缺少基礎學科的支撐和檢測儀器的支持有關。


    為了明確油漆車間各工藝環節的實際排放情況,本文就國內某工廠2C1B工藝全自動噴涂線的實際情況做了以下實測統計。



    表3統計了該車間內所有含VOC原料的單車耗量,以及所有委外廢棄物、非生產排放物的VOC含量,最終得到正常滿產期間單車VOC排放量約為2.8 kg/h。該車間滿產節拍為40臺/h,合計總排放速率為112 kg/h。


    再對該車間所有廢氣排放口進行實測,嘗試找出各排放口的VOC排放比例,結果見表4。



    由表4可知,色漆排風、清漆+閃干排風這兩路噴漆室主要廢氣排放總和達到了55.13 kg/h,幾乎占了全車間排放總值的一半,與面漆烘房的排風比例也更接近于6∶4,與業內默認的7∶3存在差異。


    至此,我們完成了對全車間物料的統計及排口的測量,得到的原材料的揮發數據完整性較高,具備規劃參考意義。采用相同工藝的產線可以使用以上數據通過產能折算來類比使用,當然前提是同樣采用濕式文丘里漆霧分離系統,對于干式漆霧捕集系統而言,最終排放值需要根據漆霧捕集媒介的實測VOC含量做扣除使用。


    3結合循環風選擇合適的治理手段


    3.1 循環風與排放濃度的關系


    噴漆室是否采用循環風以及循環風比例的選取,這些規劃決策對于噴漆室結構本身影響并不太大,在項目規劃階段通常會根據自動化比例、供風需求、能源消耗、濾材消耗等因素綜合考慮后決定。近年來,隨著油漆體系逐步轉型為水性漆,更高的溫濕度要求導致的空調能耗提升迫使業內開始選擇更高的循環風比例。


    然而,循環風比例對后續廢氣治理設備規劃的影響在噴漆室規劃過程中很少考慮。廢氣治理設備似乎總是在被動接受,當然這也和早期廢氣治理項目大多為改造項目相關,就新建產線而言,噴漆室規劃應當在工藝允許的范圍內,更多地思考如何去配合廢氣治理設備,以得到雙贏的結果。


    我們繼續使用表3和表4得出的結論,假設采用2C1B工藝后單車VOC排放量為2.8 kg/h,而噴漆室排風占總量的一半,達到單車1.4 kg/h。配合產能信息及噴漆室排風量,噴漆室排放濃度與節拍、風量的關系見表5。



    由表5可知,最終噴漆室排廢氣的濃度與生產節拍成正比,與噴漆室排風量成反比。


    3.2 治理手段的對應選擇


    將排放濃度與30 mg/m3的排放指標掛鉤后,可以得到不同工況下廢氣治理設備所需具備的治理效率,見表6。



    由表6可見,當產量較低、排風量較大時(表6左下角區域),幾乎不需要治理排放也能達標(治理效率要求0%);當產量較高、排風量較小時(表6右上角區域),治理難度極大(治理效率要求>95%)。


    當一個新建項目確定了產品尺寸、產能以及噴涂形式后,噴漆室布局也基本確定,通過沉降風速與投影面積的乘積得到的總送風量也就確定了下來。在這些前提下,想要調整排風量的大小,只能通過調整循環風比例的方式來完成。循環風比例設計得越高,廢氣濃度就越高,所需配套的治理設備效率就要越高。換言之,當后續治理設備的效率無法提高時,就要通過循環風比例的調整來適當增加排風量,換取較低的治理難度。


    在整車制造涂裝行業內被證明最為適用的治理手段有2種:濃縮+燃燒,直接燃燒。


    “濃縮+燃燒”的設備核心為沸石濃縮轉輪和焚燒設備,焚燒設備可以選擇RTO或者TNV,不同的焚燒設備影響到整體系統配置、余熱利用等方面的設計,但對于治理效果來說區別不大?!皾饪s+燃燒”的治理手段因為存在轉輪吸附效率以及燃燒凈化效率的串聯,其系統整體治理效率會低于直接燃燒。沸石濃縮轉輪設備作為治理設備來說,存在運行維護難度高、運行效率不穩定的特點。它對于入口廢氣的狀態有著嚴格的要求,溫度、濕度、濃度稍有偏離就會造成整體運行效率的下降。漆霧顆粒引起的轉輪堵塞案例也在業內廣泛出現,然而轉輪設備廠家卻極少對入口顆粒計數做明確量化規定。


    相比較而言,直接燃燒治理的凈化效率及運行穩定性都遠高于“濃縮+燃燒”治理。但是我們通常認為噴漆室排風具有大風量低濃度的特征,所以采用直接燃燒會消耗大量的天然氣,通常僅用在烘干室廢氣的治理上。


    就目前業內的使用情況來看,穩定運行的情況下“濃縮+燃燒”的治理效率可以達到93%(根據不同工況的計算結果會有差異,以廠家計算數為準),而直接燃燒的治理效率則能達到99%以上。結合表6來看,當所需治理效率低于93%時,我們可以使用“濃縮+轉輪”的方案,當所需治理效率高于93%時,“濃縮+轉輪”方案會無法應付高濃度的廢氣,采用直接燃燒治理會更為合理。并且當條件允許的情況下,盡可能提升噴漆室循環比,配合直接燃燒的治理方式,既能夠降低空調能耗、治理能耗,又可以把治理量大化,做到真正的綠色環保方案。


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