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汽车涂装喷漆废气处理系统的节能规划
王 玮 周巧煜 胥培军
（上海汽车集团股份有限公司乘用车公司 上海 201804）
摘要：汽车涂装车间喷漆废气处理系统规划时，在满足环保标准的前提下，相关设备需考虑节能措施，如：车间喷漆室可采用循环风方式，闪干烘房进行热回收利用，废气焚烧装置优选RTO设备等。通过上述有效措施，可减少喷漆废气的处理量，提高废气中VOC的浓度，降低系统的初始投资和运行能耗，对喷漆废气处理系统的规划具有一定的指导意义。
关键词：涂装； VOC；废气处理；节能
Energy Conservation Planningof Exhaust Air Abatement System In Vehicle Paintshop
Wang Wei, Zhou Qiaoyu, Xu Peijun
(SAIC Motor Co., Ltd Vehicle Co., Shanghai, 201804)
Abstract: As planning the exhaust air abatement system, environmentalstandard is taken into account firstly. For energy conservation, some actsabout equipment related needed to be considered, such as the circulation of airsupply for spray booth, reheating the fresh air with the heat of exhaust air inthe flush oven, preferring RTO to TNV for thermal oxidizer and so on. By allthe acts, the volume of the exhaust air is reduced, the concentration of VOC isincreased, the investment and energy consumption of exhaust air abatementsystem is reduced. It is significant for the planning of exhaust air abatementsystem.
Keywords:Painting; VOC ; Exhaust air abatement system； Energy conservation
随着国内工业的迅速发展以及生活水平的提高，国家政府和民众对环境问题日益重视，对环境污染排放加大控制。同时，环保低碳是末来主要的经济增长方式，我国已经把节能减排提高到战略层面。
汽车涂装汽车制造业的污染源和能耗大户，其中涂装车间大气污染的主要污染物为VOCs，苯、二甲苯等。我国对汽车涂装行业的大气污染排放经历了三个阶段，排放要求日益严格[ 1]。随着环保要求的提高，近20年来，汽车涂装行业采用新的环保型的涂装材料，新工艺、新设备，创建低VOC、低碳、无害化的“绿色涂装车间”[ 3]。
自2010年后，随着雾霾现象的严重，环境问题尤为重视。广东、北京、重庆、上海陆续颁布了汽车制造业（涂装）大气污染排放标准，其中，上海市规定自2017年1月1日起，非甲烷总烃排放浓度限值不超过30mg/m3，单位涂装面积VOCs排放量不超过35g/m2，以及相关其它排放指标。 随着各地标准的颁布，新建的涂装车间和已经投产的涂装车间需要对不达标的喷漆废气进行单独处理。喷漆废气VOC的处理方式现多采用沸石转轮浓缩后进入氧化焚烧装置进行处理，废气处理系统的主要能源需求是天然气和电，在满足环保要求的同时，整套系统规划时的节能措施也是重要研究课题。
1 喷漆废气处理系统介绍
涂装车间喷漆废气处理系统工作对象是未达到排放标准的喷漆室废气，对于水性漆车间，闪干烘房废气若未达到排放标准，也可通过该系统进行处理。废气处理系统由三部分子系统组成：废气过滤系统、沸石浓缩转轮、热氧化燃烧系统，其主要工作原理是：喷漆废气在经过转轮之前，需通过过滤系统进行多级过滤，去除废气中的颗粒物，然后通往沸石浓缩转轮，经过转轮后的废气体积将相应的浓缩为原来的1/8-1/25，废气的VOC浓度也相应提高至原来的8-25倍，含高浓度VOC的废气送往氧化焚烧装置，在730℃以上的温度进行燃烧，最终形成洁净气体进行排放。其中，为保证沸石转轮的处理效果，进口处废气温度不宜超过35。
经过沸石转轮系统后的废气VOC处理效率能达到90%-95%[ 4]，浓缩后的高浓度VOC废气经过热氧化焚烧系统处理后，VOC处理效率达到98.0%-99.5%。
2 节能措施的规划与分析
在废气处理系统规划中，喷漆室采用循环风方式可减少喷漆室运行时的能耗，同时减少废气的处理量，提高废气经转轮浓缩后的浓度，进而降低废气处理系统的运行能耗。此外，闪干烘房的热回收利用、废气焚烧装置采用RTO设备以及排放废气的热回收利用都是在废气处理系统规划中有效的节能措施[ 5][ 6]。
2.1 喷漆室的循环风方式
现国内少数先进的涂装车间采用了干式喷漆室，干式喷漆室一般都采用了循环风模式，但多数涂装车间多为湿式喷漆室，对于湿式喷漆室的涂装车间，多采用的是全新风送风模式，即喷漆室各区域的送风直接排放至喷漆烟囱，特别对于水性漆油漆车间，喷漆室区域能耗较大，废气处理装置的设备投资和运行能耗显著提高。
在废气处理系统规划时，喷漆室可采用循环风技术，现湿式喷漆室循环风模式有两种，一种是喷漆部分循环风模式，其原理是将喷漆线的流平、补漆区域的送风返回至外喷机器人喷漆段，以减少外喷段新风风量。此类模式的循环风使用量低，可适当减少喷漆室新风量，降低喷漆室排往废气处理装置的废气量，多使用在外喷段为机器人，内喷段为人工的情况下，其原理图如图2所示。另一种是喷漆全循环风模式，喷漆线送风由全新风空调和循环风空调的送风组成，喷漆室外喷和内喷机器人段由循环风空调送风，循环风空调的供风除由流平、补漆段、气封段返回的循环风组成之外，另由外喷段的排风的循环风组成。此循环风模式应用在外喷与内喷均为机器人喷涂条件下，可大幅度降低喷漆室与废气处理系统的投资与运行能耗，其原理图如图3所示。
2.2 闪干烘房的热回收利用方式
对于水性漆油漆车间，在色漆和清漆之间有低温闪干烘房，排风温度通常在70℃-80℃，多采用热水或者天然气进行空气的加热。喷完色漆的车身经过闪干烘房，大量含VOC的废气经过循环排放大气，经测量，废气中VOC含量已超出地方标准排放要求。若直接送至废气焚烧系统燃烧处理，废气中VOC浓度较低，会消耗大量天然气；若与喷漆室废气混合，混合后的废气温度较高，从而引起废气浓缩转轮的失效。为避免影响转轮的使用寿命，同时降低闪干区的能耗，可将闪干烘房的排放废气的热量用于加热闪干段新风。
闪干烘房的废气排放温度约为80℃，与闪干新风通过板式换热器进行换热后，可将闪干新风温度提高20-30℃，使得热能得到了回收利用。同时，闪干烘房的废气排放温度约为45℃-55℃，在经过废气浓缩转轮前与喷漆废气混合后，只将喷漆室废气提高至2℃-4℃，此方法既可有效降低混合废气的温度，也有效降低了混合废气的相对湿度，避免废气高湿度对沸石转轮寿命的影响。其原理图如图4所示。
2.3 废气焚烧装置的选择
浓缩后的废气焚烧装置通常有RTO和TAR两种形式，其原理均为通过高温将废气中VOC燃烧分解成CO2和H2O，最终形成洁净气体直接排放。因RTO和TAR设备结构形式不同，从而两者出口排放温度不同，RTO出口洁净气体温度可达到110℃-130℃，TAR出口洁净气体温度可达到320℃-350℃。通常情况下，当采用RTO设备时，脱附气体的加热多采用独立的加热箱加热方式。焚烧装置若采用TAR设备时，TAR的出口温度高温可用于给脱附气体加热，使得换热后的洁净气体达到200℃-220℃。
通过RTO和TAR设备最终排放温度的对比，采用RTO设备可降低废气处理系统的能源消耗。
2.4 其他相关节能降本措施
废气处理装置安装使用后，RTO排放的110℃-130℃高温气体，多数车间直接排放。若将此气体通过换热器给其它介质加热，长时间后形成换热器内挥发性有机化合物的凝结，造成换热器内换热效率降低，且难以处理凝结物质。可将该气体就近通过管路送至油漆除渣区域，用于干燥油漆漆渣，降低漆渣的含水率，从而降低漆渣处理的成本。
此外，采用内喷机器人取代人工喷涂，是喷涂行业的趋势。内喷机器人喷漆上漆率一般为45%-65%，手工喷涂上漆率为35%-40%，内喷机器人可降低油漆材料消耗；内喷机器人喷漆室风速为0.35-0.4m/s，手工喷涂喷漆室风速通常为0.5m/s；连续式内喷机器人喷漆室比手工内喷喷漆室长度短，且可使用全循环风模式，故采用内喷机器人在油漆车间规划中是精益的，有效降低了喷漆室运行成本之外，也大幅度降低喷漆废气处理系统的投资和运行成本。
3 规划案例分析
以年产27万辆整车的某涂装车间为例，该车间采用的是水性漆3C2B工艺，清漆为溶剂型油漆，喷漆室采用的是湿式喷漆室，全新风送风，经计算和检测分析，该车间清漆喷漆和闪干烘房排放均不能达标，需要对清漆和闪干排放进行处理[ 7]。
清漆喷漆室由外喷机器人段、内喷手工段、人工补漆段及流平段组成，最终清漆排放排往烟囱的废气量为420,000m3/h，排放温度约为25，闪干烘房废气排放量为17,000m3/h，排放温度约为80℃。若直接混合后送往废气处理装置处理，总废气量约为437,000 m3/h，混合温度为26.8℃。清漆废气排放浓度计算值约为155mg/m3，故废气处理设计中采用三套过滤系统、三套沸石转轮，浓缩比采用20:1， RTO废气焚烧系统进风量约25,000m3/h。
现将清漆喷漆室的流平段、补漆段送风循环使用到外喷机器人喷漆段，喷漆室可减少145,000 m3/h的新风量；为降低面漆闪干的排放温度，对废气进行热回收利用，用于闪干新风的加热，使得最终排放温度降低至50℃；最终混合废气处理量约为290,000 m3/h，排放温度为26.2℃。
若将清漆手工内喷段改为机器人喷涂，喷漆室循环风利用率大幅度提高，清漆喷漆室排放废气量降低至95,000m3/h，闪干废气经过换热利用后排放，最终混合后废气总量约为11,0000 m3/h，排放温度为28.3℃。
各方案的喷漆废气处理系统相关理论设计参数如表1所示，各方案的理论能耗状况如表2所示。综合上述三种方案，可以看出，喷漆室循环风的使用，可降低喷漆废气的风量，提高废气中VOC的浓度，减少相关设备的电耗与天然气消耗。喷漆室循环风使用率越高，废气处理系统的设备投资和能耗越低。
表1 清漆喷漆废气处理系统三种方案相关设计参数对比
Table1 The comparisonabout design parameters of VOC abatement system among three proposals
方案
废气总风量 (m3/h)
混合废气排放温度
(°C)
理论计算废气VOC含量 (mg/m3)
转轮浓缩比
转轮数目
(个)
废气焚烧设备进风量
(m3/h)
1. 全新风
437,000
26.8
155
20:1
3
25,000
2. 部分循环风
290,000
26.2
245
20:1
2
16,000
3. 全循环风（内喷机器人）
110,000
28.3
565
10:1
1
12,200
表2 清漆喷漆废气处理系统三种方案理论能耗状况对比
Table2 The comparisonabout theoretical power consumption of VOC abatement system among threeproposals
方案
小时用电量
（KWH）
运行天然气耗量
（Nm3/h）
压缩空气耗量（Nm3/h）
1. 全新风
550
92
30
2. 部分循环风
390
43
30
3. 全循环风（内喷机器人）
150
27
30
废气焚烧设备选择采用RTO或TAR，最终消耗的天然气有较大差异。就全循环风（含内喷机器人）方案而言，经理论计算，采用RTO及独立加热箱加热脱附气体方案，运行时所需天然气约为30Nm3/h；采用TAR及排放余热加热脱附气体方案，运行时所需天然气约为68Nm3/h。明显看出，采用RTO更加节约天然气。
4 结语
节能减排是涂装技术发展的主要趋势，随着各地陆续制订涂装大气污染排放标准，国内各涂装车间将逐步开始规划喷漆废气处理系统，本文重点阐述了在废气处理系统的规划中节能减排的几种有效措施——喷漆室循环风技术、面漆闪干废气的余热回用、废气焚烧处理设备采用RTO设备、焚烧后的洁净高温气体再次利用。这些措施具有投资回收时间短、经济效益明显等特点，在新车间新建喷漆废气处理系统及老油漆车间喷漆废气处理系统改造中均可选择实施。
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