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涂装废气治理技术方案论述与分析

发表时间:2018-12-03 00:00

随着我国对VOCs污染问题的重视度不断提升,以及各种环保法规不断严格VOCs的排放标准,VOCs治理技术也在不断改进和完善。涂装是现代工业工艺的重要环节,但该过程往往会有大量的VOCs产生,主要是甲苯和二甲苯等。由于涂料大量使用了挥发性有机溶剂、助剂等,涂装过程中溶剂型涂料有50%以上的VOCs排放到大气中。涂料VOCs成分复杂、排放环节众多,影响因素较多,存在底数不清、特征不明、部分行业缺乏有效的控制技术等特点。因此,控制涂料中VOCs排放对改善我国大气环境质量具有重要意义。文章结合VOCs的成因和危害分析,针对涂装行业的VOCs废气治理方案进行了分析,以供参考。


    1 VOCs概述


  VOCs属于挥发性有机化合物,常见的挥发性组分包括甲苯、二甲苯、甲醛、乙醛等,多数挥发性有机化合物包含烷烃、烯烃及多环芳烃等成分,大量的废气排放极易导致环境污染事故的发生。传统的吸附、吸收及燃烧的处理方法,很难达到较高的处理效果。同时其属于在常温下以蒸汽形式存在于空气中,可引起慢性中毒,损害肝脏和神经系统、引起全身无力、瞌睡、皮肤瘙痒等,甚者引起内分泌失调、影响性功能;苯和二甲苯还能损害免疫系统,以致引发白血病。VOCs不仅本身具有较强毒性,还是影响我国区域大气复合污染的重要前体物和参与物,它可以和氮氧化物发生光化学反应,形成光化学烟雾;也能与大气中的?OH、NO3-、O3等氧化剂发生多途径反应,生成二次有机气溶胶,对环境空气的O3和PM2.5均有重要影响。


  2 VOCs的危害分析


  2.1爆炸与火灾


  VOCs中的脂肪烃类物质在实际生产中应用广泛,这类物质在非高浓度的情况下不具有太大的毒性,但这类物质具有易燃和易爆的特点,进而可能增加火灾或爆炸的风险。


  2.2危害人体


  挥发性有机化合物主要是由生态环境的自然排放和人为工业生产、生活活动排放产生的。自然排放主要是指动植物排放的有害有机物和自然火灾生成的挥发性有机化合物,此类有机物进入环境中,破坏了生态环境;人为造成的挥发性有机化合物是指工厂排放、日常生活排放及其他环境排放的挥发性有机化合物。挥发性有机化合物主要包括苯、甲烷、甲醇、甲醛等,这些物质都会在不同程度不同浓度上影响人们的身体健康。如:甲烷是煤气的主要成分,不充分燃烧时产生一氧化碳,一氧化碳会致人中毒甚至死亡,也会使人罹患癌症;甲醇是一元醇,又名木醇或者木精,有酒精的气味,口服可中毒,表现为头晕头痛、恶心呕吐、视力模糊等,如服用剂量达到3克及以上时,可造成死亡。


  2.3化学污染


  VOCs的大量排放还会导致PM2.5和O3浓度增高,同时导致雾霾天气和光化学烟雾等环境问题,导致环境空气质量下降。


  3 VOCs废气治理技术


  目前国内外在对涂装有机废气的治理方法种类繁多,特点各异,常用的有吸附法、吸收法、冷凝法、燃烧法、催化法等。


  3.2.1吸附法:吸附法是利用多孔固体吸附材料处理气体混合物,使其中所含的一种或数种气体组分吸附在固体表面上,以求达到气体分离的单元操作过程。目前国内外在吸附方法上对苯系物等有机废气的处理上主要采取活性炭作为吸附载体。


  3.2.2吸收法:可分为化学吸收和物理吸收,但“三苯”废气化学活性低,一般不采用化学吸收。物理吸收是选用具有较小的挥发性的液体吸收剂,它与被吸收组分有较高的亲和力,吸收饱和后经加热解析冷却后重新使用。该法用于大气量、温度低、浓度低的废气。其装置复杂、投资大,吸收液的选用比较困难,存在二次污染。

  3.2.3冷凝回收法


  冷凝法VOCs废气治理原理是:有机物质因温度的差异而出现不同的饱和度,通过系统压力的不断变化,冷凝出蒸汽内的有机物或吸附浓缩后冷凝,由此净化VOCs废气,除去有害成分,回收有用物质。该法用于浓度高、温度低、风量小的废气处理。但此法投资大、能耗高、运行费用大,因此无特殊需要,一般不采用此法。


  3.2.4燃烧法


  燃烧法又分直接燃烧、热力燃烧和催化燃烧。

  直接燃烧法是把可燃的VOCs废气当作燃料来燃烧的一种方法。该法适合处理高浓度VOCs废气,燃烧温度控制在1100℃以上时去除效率95%以上。但这种方法不仅造成浪费还将产生的大量污染物排入大气,近年来己较少使用。


  热力燃烧是当废气中可燃物含量较低时,使其作为助燃气或燃烧对象,依靠辅助燃料产生的热力将废气温度提高,从而在燃烧室中使废气氧化销毁。其过程分三步:燃烧辅助燃料提供预热能量;高温燃气与废气混合以达到反应温度;废气在反应温度下氧化销毁。净化后的气体经热回收装置回收热能后排空。


  催化燃烧法是在系统中使用合适的催化剂,使废气中的有机物质在较低温度下氧化分解的方法。催化燃烧技术是近几十年对环保与节能的要求日益迫切的形势下应运而生的一门新型技术。此法主要优点有:起燃温度低,能耗低,处理效率高,无二次污染对有机物浓度和组分处理范围宽,启动能耗低,并能回收输出的部分热能所需设备体积小,造价低。催化燃烧法的主要缺点是:当有机废气浓度太低时,需要大量补充外加的热量才能维持催化反应的进行。


  4 VOCs废气治理工程技术方案实例分析


  某工程在喷漆环节产生VOCs废气,其VOCs废气具有如下特点:含有苯、甲苯、二甲苯及其它有机物,并含有漆雾,喷漆有机废气不经处理直接外排将对周围空气造成影响。为降低有机废气对大气的影响,改善环境空气质量,保护人体健康,根据该工业喷漆工序制定了相应的VOCs废气处理技术方案。


  4.1废气性质


  喷涂过程中污染物主要是所产生的有机废气,主要污染因子为:苯、甲苯、二甲苯、非甲烷总烃及颗粒物。一般溶剂型涂料其固体成分≤50%,含溶剂50%左右,有机物浓度相对较大,易于被活性炭吸附。


  4.2VOCs废气治理技术方案


  针对上述分析,采用吸附-催化燃烧法处理喷漆废气。利用过滤器去除漆雾,之后通过系统控制,通过蜂窝状活性炭吸附床对其开展连续吸附,同时对吸附饱和的活性炭开展脱附。具体技术方案如下:


  4.2.1漆雾过滤器


  喷漆废气主要出现在工件涂装工作台,高压空气喷射的油漆大多停留在工件上,其他都随气流排出,成为漆雾。漆雾粉尘含量较低,颗粒较小,绝大部分直径小于10mm。如不处理会堵塞活性炭的微孔,使其失去原有功能。因此,喷漆废气必须先进行粗过滤处理,一般选用纸质过滤器+过滤棉。


  4.2.2吸附剂的选择、参数设定及操作


  活性炭具有比表面大、吸附能力强以及成本较低等优势,它是目前VOCs污染常见的吸附剂。粉末状态的活性炭更换不易,活性炭纤维含有规则的微孔结构,具有较大的吸附容量,但容易脱落,成本较高。蜂窝状活性炭风速高,阻力小,可以应用到大风量的低浓度废气吸附中。本文选择蜂窝状活性炭,吸附床的结构采用的为抽屉式的组装模式,便于使用时的填装与拆卸。


  当含有机物的废气经风机的作用,经过活性炭吸附层(整齐堆放),有机物质被活性炭分子间的范德华力截留在其内部,洁净气体排出;经过一段时间后,活性炭达到饱和状态时,停止吸附,此时有机物已被浓缩在活性炭内,而有机废气却达到较高的净化效果。净化后的气体通过风机排向大气,达到大气污染物的排放标准。每套废气净化处理系统含有三个级别的吸附床,两套用来吸附,一套用来脱附,三套设备可以实现轮流操作


  4.3催化燃烧设计


  4.3.1电加热室


  在本方案中,加热室仅仅提供开机时预热气体需要的热量,苯催化燃烧后有大量的预热可以利用,因此需要的热功率较低,通过电加热即可,不需要天然气或液化石油气的额外加热。


  4.3.2保温模块的处理


  催化燃烧一体化设备内部的温度远远高于常温,需要增加保温处理避免对工作人员造成伤害。保温利用的保温棉采用的材料为硅酸铝纤维毡,依据燃烧室可能出现的最高温度400℃来设计,保温棉的厚度取值为64mm。


  4.3.4阻火器的设计


      阻火器由特制的多层金属网组成,可阻止火焰通过,过滤掉气体中较大的颗粒(污物),是本净化装置的安全装置之一。在VOCs催化燃烧的反应器中,如果有火星的话会引发气体火焰出现进而促使整个管网燃烧,所以阻火器的作用较大。阻火器的壳体尺寸大小与流体阻力有直接关系,通常壳体直径为配合使用的管道直径的4倍左右,本文设计的数据取值为D=2d,角度为60°。


  5 废气治理的发展方向及新技术应用


  5.1采用低VOCs或无VOCs的环保型涂料


  采用粉末涂料、水性涂料、高固分涂料等替代有机溶剂型涂料是降低VOCs排放的最有力措施。粉末涂料烘干温度为170℃,对车间工艺要求较高,且粉末涂料的清漆涂层外观的平滑度仍有待提高。通过计算,涂料中的固体含量每提高10%,水性涂料相同的施工条件下VOCs排放量可以降低33%以上。


  5.2改善涂装设备,提高涂料利用率


  目前涂装工艺多数采用普通喷涂,少数采用辊涂和刷涂。普通工艺喷涂喷漆工艺存在油漆附着率较低现象。因此,为提高涂料利用率,可将手工空气喷涂实现低压化、静电化,即用空气静电喷枪替代普通空气喷枪;克服人为因素,采用自动静电喷涂替代手工喷涂。


  5.3变废为宝的生物分子转换


  通过转换生物分子变废为宝指的是采用生物分子将VOCs废气之中含有的危害性成分转换为可重新使用的成分。该种技术方式不需太多的资金耗费,运行起来也不复杂,可用于多种规模与范围的VOCs废气治理,是日后值得推广与大量使用的技术。


  5.4有害物质提取与隔离法治理


  这种技术旨在将VOCs废气中的有害物质进行提取和隔离,并将剩余气体中的其它有机物质进行回收利用,也可以减少气体排入大气后对环境造成再次污染。由于投资成本大,适于VOCs废气含量高,提取和利用的价值较高的行业。随着我国经济的不断发展和技术的不断更新,有害物质提取与隔离法治理将会被逐渐广泛应用。


  5.5利用光催化分解式治理


  这是目前一种较为先进的利用催化剂在光照作用下进行分解废气的治理技术,其中使用最为广泛的催化剂就是催化效果强,并且无公害的半导体材料。这种材料的催化剂价格低,安全性较高,因此应用的实践性较为广阔。随着社会的进步和科技的不断发展更新,一种更为环保和节能高效的催化材料正在兴起并渐渐被人们熟知和应用,那就是新型纳米材料,它的取材和用料更加的环保和安全,是化学科技在VOCs废气治理技术上取得的新进展和新突破。


  6 结论


  总之,对VOCs废气进行治理很有必要,而目前VOCs废气治理技术多种多样,日后VOCs废气治理也会朝着新型技术与方向发展,它们均有着自己的优劣势,故在治理VOCs废气时,需充分结合现实状况,选择最佳的方式对VOCs废气进行治理,最大程度地降低污染,打造一个绿色环保的生活环境。