揮發性有機物(VOCs)從物理角度定義就是：在101．325kPa標準壓力下，任何初沸點低于或等于250°C的有機化合物，是臭氧和PM2．5形成的重要前體物，而臭氧和PM2．5作為環境污染的主要危險物質，必須得到有效控制。為了打贏藍天保衛戰，國家環保部和各地方政府陸續出臺了一系列環保法規，其中北京、上海、廣東、天津、山東、江蘇、重慶和遼寧等省市已經頒布或即將頒布針對汽車制造業VOCs排放限制的地方標準。一旦油漆車間的VOCs出現排放不達標的情況，需要采取相應的減排控制措施甚至停產。
一、噴房廢氣處理方案
1.1常用的廢氣處理方法介紹
油漆車間對VOC的控制方法有很多，可以通過選用低VOC含量的油漆材料新工藝從源頭減量，也可以在噴涂過程提升機器人的上漆率減少油漆使用，也可以從吸附焚燒的辦法從排放末端對VOC實現減量控制。幾類常用的末端VOC凈化處理方法使用范圍詳見下圖l，可以得知適合噴房廢氣的處理方法主要有兩種：一是通過焚燒將VOCs轉化為CO2和H2O；另一類是吸附吸收法，主要有活性炭吸附和沸石轉輪吸附等等。
關于吸附床載體的選擇，活性炭吸附效率高，但是受水氣影響大導致使用壽命短，且使用和再生過程存在一定的安全隱患；而沸石轉輪為疏水結構，耐高溫且不可燃，在維護和保養良好的前提下，可以在線循環使用從而具備58年較長壽命周期的可能。關于直燃式氧化爐(T0)和蓄熱式氧化爐(RT0)的選擇，常規的三室RT0處理效率高，但是占地面積大，使用過程中可能存在蓄熱陶瓷結晶堵塞的風險；而T0更適合小風量的廢氣處理，性能可靠穩定，再結合余熱回收系統的使用，能效比可以得到有利提升。
所以針對噴房VOCs濃度<300mg／m3，風量>100，000m3／h的情況，采用沸石轉輪吸附+直燃式氧化的方式更加高效節能。
1.2 VOC濃縮焚燒處理系統介紹
1.2.1沸石吸附原理說明
沸石轉輪的基材由蜂窩狀的陶瓷纖維片組成，而作為吸附介質的疏水性沸石采用特殊的燒結工藝覆蓋在基材表面；VOC物質在這些基材上的吸附和解析過程基本上遵守倫納德．瓊斯(Lennard．Jorms)作用力原理(原理示意圖詳見下圖2)。
從上圖可以看出，當兩個分子之間的間距在一定和距離時，兩者之間的相互吸引力最大。利用這個原理設計沸石內部特殊的空隙結構，確保當廢氣中VOC分子通過沸石表面時被最大的吸引力吸附捕捉，當220℃的脫附氣體將能量傳到給VOC分子時，便會掙脫倫納德．瓊斯作用力的束縛隨著解析氣體進入焚燒氧化爐，在氧化爐高溫下發生裂解反應。
1.2.2系統流程示意圖介紹
把原先直排的大風量低濃度噴房廢氣，首先經過過濾后引入到沸石轉輪(KPR)上進行吸附并分離，沸石吸附轉輪上被劃分為三個相互隔離的分區：吸附處理區，脫附區，冷卻區；大部分廢氣通過轉輪吸附區時VOC物質被捕捉，得以凈化；小部分廢氣通過冷卻區后被引入到換熱器進行升溫，然后到脫附區將轉輪上的VOC解析出來，一起進入直燃熱氧化爐(1Io)里焚燒得以凈化；兩路氣體最后混合后通過煙囪排出，實現達標排放。VOC濃縮焚燒處理系統的流程詳見下圖3。
二、 VOC濃縮焚燒處理系統組成介紹
VOC濃縮焚燒處理系統的主要組成包括：過濾單元、沸石轉輪模組，廢氣主風機、氧化焚燒爐、廢氣風管、消防安全系統和電控系統等，下面就主要系統做分別介紹：
2.1沸石轉輪的結構設計
2.1.1技術方案設計
目前沸石轉輪主要依靠進口，世界范圍內沸石技術較完善的有日本西部技研公司(Seibu Giken)和美國的蒙特公司(Munters)等等。根據前面介紹的原理，轉輪供應商一般會依據油漆材料里面的組成來調整沸石轉輪的配方；同時整個廢氣處理的過程必須遵循VOC物料守恒原理和能量守恒原理。下圖4為某清漆噴房廢氣的技術方案，為了滿足VOC排放控制的法規，必須確保最終排放的廢氣達標排放，且進出口的處理效率不得低于90％。
2.1.2設備參數的設定
(1)進風的溫濕度：控制進氣溫度低于40"C、相對濕度小于95％以下；當廢氣來自濕式文丘里時，為了控制濕度可以通過混合一部分氧化爐出來的高溫凈化氣體來降低相對濕度。
(2)轉輪轉速和迎面風速：一般迎面風速不宜超過2m／s，轉輪轉速范圍一般為2-5圈/h；當迎面風速增大時，需要適當提高轉輪轉速，兩者之間的配合最終以現場調試為準，主要是控制最終廢氣排放濃度為控制指標。
(3)脫附氣體和解析后氣體溫度：正常的脫附氣體溫度控制在220℃范圍左右，當超過這個溫度時系統能耗增加的同時，導致冷卻區余溫偏高不利于后續吸附；一般會根據轉輪壓差大小用300"C的高溫脫附氣體對殘留在沸石轉輪的VOC物質定期進行反吹洗，以保證沸石轉輪處于相對平衡穩定的運行狀態。
(4)沸石轉輪壓差控制：我們一般通過監控的壓差情況來預防判斷沸石轉輪是否處于正常運行，但轉輪并不是通過設計可靠的隔離結構來明確區分三個分區，為了防止三個分區之間竄流，一般主要時精確設計沸石轉輪前后的壓差值來實現的。以下面的示意圖5為例：
從上圖可以看出，當P4處于所有風管風壓最小位置時，確保了所有廢氣最終都是流向出口段；且解析段進出口壓差較脫附段、冷卻段的壓差為最小時，確保了脫附段和冷卻段溢流處的廢氣都能流進解析段出口，從而保證整個轉輪的廢氣密封性。
2.2過濾單元的選型
常規干式噴房廢氣過濾方案為：F7過濾袋+F9過濾袋，而濕式文丘里噴房為了攔截逃逸出的漆霧和漆渣，過濾配置需要加強為：G4無紡布／F5過濾袋+F7過濾袋+F9過濾袋，但是在長時間的高濕度環境下，通過靜電吸附方式的F9過濾袋容易快速失去過濾攔截功能。而一旦較小粒徑的漆霧顆粒穿過過濾袋進入沸石轉輪，就有可能黏附在沸石內部造成沸石轉輪堵塞的風險。根據實驗驗證出的優化方案為：G4／F5自撐開過濾袋+F7過濾盒+F9過濾盒，改進后的過濾袋更換周期和轉輪前的雜質顆粒數量都得到了明顯改善。下表6為某過濾單元配置優化前后的效果對比：
從上圖可以看出，改進后的過濾袋更換周期較改進前：F5更換周期從0．5月／每次延長到3月／每次，F7更換周期從1月／每次延長到4月，每次，F9更換周期從3月／每次延長到4月／每次；另外通過手持式顆粒計數器統計發現，廢氣中雜質顆粒從入口的110，000個／m3過濾攔截到9500個／m3，攔截漆霧效果顯著。
2.3供風系統的功能介紹
供風系統主要有：廢氣主風機，風閥及風管等組成。
2.3.1廢氣主風機的選型
廢氣主風機主要為廢氣在系統內的循環提供風壓，一般選用防爆的不銹鋼防銹離心風機。配備變頻器便于節能運行，并與風壓傳感器進行連鎖調節風管內風平衡；并根據需要對風機和電機配備震動和軸溫傳感器監測運行噪音和相關部件工作狀態，便于日常進行預防性維護保養。關于風機位置的選擇，一般優先放置在沸石轉輪之后，有利于在沸石轉輪之后形成負壓防止廢氣外溢；而當風機位于沸石轉輪之前時，一旦沸石轉輪出現堵塞會導致含異味外溢到環境中。優化后的布置詳見如下圖7：
2.3.2風閥的選型和要求
在廢氣風管中，我們會根據不同的需要選用不同型號的風閥，具體設計范例詳見下表1：
2.4氧化焚燒爐的功能介紹
直燃式氧化爐的組成主要包括：氧化焚燒爐，天然氣模組，廢氣進風機和點火控制系統等。從沸石轉輪解析出來的高濃度廢氣首先進入直燃式氧化爐被余熱，然后在天然氣的燃燒室內被高溫裂解氧化。為了保證充分處理VOC物質，廢氣在直燃式氧化爐內停留時間不得低于1s，爐膛內焚燒溫度不得低于710度。經高溫裂解后的廢氣中CO濃度要求低于50mg／m3，NOx低于100mg／m3。衡量直燃式氧化焚燒爐性能指標有：其凈化效率不得低于99％，其熱利用率不得低于75％。
2.5消防安全系統的介紹
經過噴房排放的VOC廢氣屬于易燃易爆類物質，經過的區域都屬于防火防爆控制區域，相關電氣元件選型需要防爆安全認證，并在涉及區域內根據需要配備必要的消防安全設施。
2.5.1消防噴淋系統
當VOC濃縮焚燒系統布置于車間外時，根據需要在廢氣風管和過濾單元內配置消防噴淋設施，也包括所在的鋼平臺頂部或者屋頂區域。
當閉式消防噴淋系統處于車間外部時，在冬天零度以下環境中容易發生噴淋頭被凍壞的情況，為此優化使用一種閉式噴淋頭+干式報警閥相結合的配置方案，未有火情時，管道中充滿壓縮空氣，干式報警閥通過閉鎖隔瓣及空氣碟的構件構成了一個機械式的密封裝置，將閥體上腔及管道中的壓縮空氣和下腔進水完全分開，使閥瓣保持在關閉狀態。為了防止壓縮空氣泄露引發誤報警，往往會配備一個儲氣罐。其報警響應示意如下圖8：
2.5.2其他消防設施
(1)直燃氧化爐一般配備天然氣供應模組，并配備可燃氣體探頭，并與天然氣管道的快速切斷閥實現信號連鎖。
(2)針對電控間的消防，需要配備煙感探頭和一定滅火器設施，便于火災突發的處置。
(3)廢氣焚燒系統入口廢氣管路安裝LEL濃度監測和報警連鎖裝置。
(4)含有VOC物質的廢氣風管在穿越防火分區的墻面時，需要配備防火閥以防止火災發生時險情的蔓延。
(5)由于VOC處理設備與噴房生產節奏保持一致，所以需要將其報警信號與噴房相關設備控制柜實現信號連鎖，并配備聲光報警裝置和應急疏散指示系統便于人員撤離安全。
2.6電氣控制系統的介紹
出于安全設計的需要，系統在生產過程中的開關機程序過程中耗時累計長達4個小時以上，一旦出現意外故障，整個重啟過程仍然較為繁瑣。所以在電氣結構的設計過程中需要充分考慮系統的穩定性，冗余能力等等。
(1)為了防止非安全鏈的誤報警引發的系統緊急停機情況發生，對各種報警信號進行分類，識別嚴重程度，優化電氣程序并制定PFMEA設備跟蹤表。
(2)為了防止電網波動引發的系統緊急停機情況發生，對主要設備(例如氧化焚燒爐)的低壓控制回路配備電壓暫降補償器，對于大功率電機變頻器優化選型來提高抵抗電壓波動的能力。
(3)為了防止變頻器因為意外故障導致的長時間停機，通過優化功率規格，設置備用變頻器實現快速切換的策略來增強系統的應急響應能力。
(4)為了防止氣動風閥的提升馬達卡死失效，外置一套電磁閥用于控制氣源，可以讓系統在短時間內恢復功能；在缸體上加一套位置反饋開關，減少因氣壓波動造成的閥門位置丟失故障。
三、總結
隨著全國各地環保政策的趨嚴，各種廢氣治理設施的陸續開工和運行成為普遍。VOC濃縮焚燒技術作為汽車涂裝行業高效治理廢氣VOC的主流技術，對它優缺點的掌握將越來越熟練。同時作為VOC末端的治理技術，也有其高能耗運行的局限性；作為未來可持續發展的突破方向，需要從排污源頭、排放過程等多個角度齊抓共管，協同發展，才能為社會創造更多的價值。
來源：北極星VOCs在線
