陸華，陳紀(jì)賽，王振剛，楊學(xué)賓

(1.南通中遠(yuǎn)海運(yùn)船務(wù)工程有限公司，江蘇 南通 226006；2.南京中船綠洲環(huán)保有限公司，南京 210039；3.東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620)

船舶分段自動(dòng)噴涂系統(tǒng)及修船表面工程，可采用機(jī)器人搭載式[1]和大尺度移動(dòng)機(jī)械臂[2]。修船表面噴涂工藝對(duì)漆霧和有機(jī)廢氣的捕集，可采用機(jī)器人搭載式半球形或橢圓形收集罩，罩口直徑可采用直徑1.2 m、抽吸壓力范圍為0.6～1.5 kPa、收集罩口距離噴涂表面的距離為40 mm[3]。

船舶涂裝油漆中的主要成分為二甲苯、乙苯、甲基異丁基甲酮、丁醇、石腦油、三甲苯、1-甲氧基-2-丙醇，以及苯甲醇等多組分有機(jī)化合物[4]。結(jié)合修船涂裝工藝為室外無(wú)組織排放的特點(diǎn)，可能會(huì)受到室外橫向風(fēng)、不同空氣干球溫度和濕球溫度等氣象條件的影響，為了實(shí)現(xiàn)漆霧和有機(jī)廢氣的有效捕集，采用集氣罩集中捕獲噴槍附近產(chǎn)生的漆霧和有機(jī)廢氣，避免室外噴涂無(wú)組織排放，對(duì)室外大氣環(huán)境造成污染。

噴涂有機(jī)廢氣的無(wú)害化治理，通常采用吸附濃縮、高溫脫附、蓄熱式或催化氧化燃燒的處理工藝。目前比較流行的處理方式，采用沸石轉(zhuǎn)輪吸附+蓄熱式氧化燃燒技術(shù)[5]處理鋼板預(yù)處理與室內(nèi)涂裝產(chǎn)生的有機(jī)廢氣，采用蜂窩活性炭吸附+催化燃燒技術(shù)[6]處理入口質(zhì)量濃度為500～600 mg/m3的有機(jī)廢氣。無(wú)論采用哪種處理工藝，處理后的煙氣中有機(jī)廢氣質(zhì)量濃度必須低于排放限值，才能實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。

修船表面除銹除漆產(chǎn)生的鐵銹和漆渣，必須進(jìn)行減量化與無(wú)害化處理。采用干餾氣化方法[7]，高溫?zé)峤夂螽a(chǎn)生小分子的可燃?xì)怏w。這些氣體需要進(jìn)行燃燒處理，最終生成CO2和H2O，避免對(duì)大氣環(huán)境的污染。

針對(duì)修船表面處理工藝產(chǎn)生的大量除銹廢渣和噴涂過(guò)程產(chǎn)生的漆霧及可揮發(fā)性有機(jī)廢氣，本文分析討論了除銹廢渣干餾熱解尾氣與表面噴涂有機(jī)廢氣協(xié)同治理與余熱綜合利用的處理工藝流程，理論計(jì)算了干餾尾氣和有機(jī)廢氣燃燒產(chǎn)生的余熱量，并計(jì)算了表面除銹廢渣干燥脫水所需的輔助加熱量。

1 有機(jī)廢氣處理技術(shù)

表面修船產(chǎn)生的有機(jī)廢氣主要是除銹廢渣無(wú)害化處理后產(chǎn)生的干餾尾氣和表面噴涂油漆產(chǎn)生的漆霧。

表1為有機(jī)廢氣吸附濃縮結(jié)合燃燒的處理方法。船舶行業(yè)涂裝廢氣為多種油漆、溶劑物料中揮發(fā)份的混合物，若采用冷凝法，回收后的混合物無(wú)明顯利用價(jià)值，因此，冷凝的末端治理工藝不適用船舶行業(yè)。

表1 有機(jī)廢氣吸附濃縮結(jié)合燃燒的治理方法

為了提高涂裝有機(jī)廢氣的質(zhì)量濃度、并減少處理風(fēng)量，通常采用顆?；钚蕴?、蜂窩活性炭、沸石分子篩等材料實(shí)現(xiàn)吸附濃縮。采用顆?；钚蕴课窖b置處理時(shí)，有效吸附容量應(yīng)確保活性炭更換頻率不超過(guò)2次/年。采用蜂窩活性炭吸附裝置結(jié)合催化氧化再生處理技術(shù)，吸附床過(guò)濾速度不宜高于1.2 m/s，吸附床裝填高度不宜小于600 mm。采用沸石吸附裝置結(jié)合蓄熱氧化爐脫附再生處理技術(shù)，有機(jī)廢氣凈化效率達(dá)到90%以上。對(duì)于連續(xù)排放的廢氣凈化工藝采用蓄熱燃燒，對(duì)于非連續(xù)排放的廢氣采用催化燃燒凈化工藝。采用催化燃燒技術(shù)，涂料中不宜含有導(dǎo)致催化劑中毒的金屬等成分。

2 協(xié)同治理工藝

圖1所示為修船表面有機(jī)廢氣協(xié)同治理工藝流程。廢渣舊漆膜包含天然樹脂、人造樹脂、合成樹脂類等芳香烴含量為60%左右，醇醚類和酯類含量20%以上。船底和水線涂裝有機(jī)廢氣產(chǎn)生量[8]為400～500 g/m2，其他部位產(chǎn)生量為100～250 g/m2。

圖1 修船表面有機(jī)廢氣協(xié)同治理工藝流程

2.1 干餾尾氣

在加熱溫度升至900 ℃左右后干餾氣化后，修船表面除銹廢渣舊漆膜中的大分子樹脂可分解為小分子的可燃?xì)怏w。大分子化合物質(zhì)量隨著干餾溫度的提高而減少。油漆廢渣不斷析出水和有機(jī)物蒸汽，逐漸縮合成殘?jiān)?/p>

2.2 吸附流程

修船表面噴涂油漆中的漆霧和有機(jī)廢氣，在周圍環(huán)境中的擴(kuò)散為無(wú)組織排放，受到大氣風(fēng)速的顯著影響。漆霧分離器去除殘漆、液滴或較大顆粒物。初效、中效、中高效過(guò)濾網(wǎng)去除有機(jī)廢氣中攜帶的大部分粉塵。為避免廢氣質(zhì)量濃度波動(dòng)大，避免對(duì)吸附和催化設(shè)備的沖擊，可采用吸附緩沖裝置初步吸附高質(zhì)量濃度廢氣，稀釋后的廢氣進(jìn)入吸附床濃縮吸附后，由吸附風(fēng)機(jī)經(jīng)排氣筒達(dá)標(biāo)排放。

2.3 脫附流程

當(dāng)吸附材料吸附有機(jī)廢氣接近飽和時(shí)，吸附裝置出口質(zhì)量濃度急劇上升，必須對(duì)吸附材料進(jìn)行脫附再生，一般采用熱空氣將有機(jī)物從吸附材料中解吸處理。脫附出來(lái)的有機(jī)物質(zhì)量濃度比原來(lái)提高1個(gè)濃縮倍率，進(jìn)入催化床后發(fā)生氧化反應(yīng)，生產(chǎn)CO2和H2O。燃燒后的尾氣一部分經(jīng)排氣筒高空排放，大部分被送往吸附床，用于吸附床的脫附再生。

3 輔助加熱量計(jì)算

干餾氣化尾氣燃燒后產(chǎn)生的余熱、以及表面噴涂有機(jī)廢氣燃燒后產(chǎn)生的余熱，可以提供給第一次有機(jī)廢氣脫附和催化燃燒所需熱量、以及除銹廢渣干燥脫水需要的熱量。

3.1 干餾氣化

假定修船表面采用超高壓水除銹技術(shù)，除銹廢水經(jīng)固液分離多級(jí)過(guò)濾后，單位小時(shí)除銹廢渣產(chǎn)生量為300 kg/h，廢渣中水分質(zhì)量占比為60%，經(jīng)干燥脫水處理后的廢渣總質(zhì)量變?yōu)?40 kg/h。廢渣中油漆膜質(zhì)量占比5%～10%，估算漆膜總質(zhì)量為7～14 kg/h。假定干餾氣體質(zhì)量占到舊漆膜廢渣總質(zhì)量的39%～42%，熱解殘?jiān)|(zhì)量占到18.2%～21.4%。油漆廢渣的低位發(fā)熱量為18.84 MJ/kg[9]，估算可得廢渣中舊漆膜燃燒后可獲得的總余熱量為131.88 MJ/h。

3.2 表面噴涂

在距離噴嘴0.25 m處，塢內(nèi)外板涂裝涂料霧化索特爾直徑集中在60～120 μm之間，直徑占比峰值分布在90 μm左右。90%漆霧液滴的瞬時(shí)速度低于70 m/s，平均速度為35.4 m/s。

假定油漆用量5 440 L、工時(shí)用量528 h、噴涂過(guò)程中油漆涂著率在70%～80%之間。假定稀釋劑用量占比為10%左右、油漆中有機(jī)廢氣揮發(fā)量按430 g/L、稀釋劑有機(jī)廢氣揮發(fā)量按880 g/L。理論計(jì)算有機(jī)廢氣總揮發(fā)量在2 280 kg左右，每小時(shí)有機(jī)廢氣總揮發(fā)量在4.33 kg/h左右。選用的吸氣泵設(shè)計(jì)風(fēng)量約為3 000 m3/h，計(jì)算可得有機(jī)廢氣的平均質(zhì)量濃度為1 444 mg/m3。按照二甲苯燃燒熱值43.05 MJ/kg計(jì)算，每小時(shí)有機(jī)廢氣燃燒后的總余熱量為186.41 MJ/h。

3.3 換熱計(jì)算

催化燃燒空氣加熱量計(jì)算。

Q=ρ×L×(i2-i1)≈ρ×L×(cp2t2-cp1t1)

(1)

式中：ρ為空氣密度，取值為1.293 kg/m3；L為空氣的體積流量，m3/h；i2為由加熱器進(jìn)入沸石吸附裝置的空氣比焓，kJ/kg；i1為進(jìn)入加熱器的空氣比焓，kJ/kg；cp2為由加熱器進(jìn)入沸石吸附裝置的空氣比熱容，kJ/(kg·℃)；t2為由加熱器進(jìn)入沸石吸附裝置的空氣溫度，℃；cp1為進(jìn)入加熱器的空氣比熱容，kJ/(kg·℃)；t1為進(jìn)入加熱器的空氣溫度，℃。

采用催化燃燒，催化溫度為280 ℃，查得常溫時(shí)干空氣的比熱容為1.005 kJ/(kg·℃)，280 ℃時(shí)為1.040 kJ/(kg·℃)。假定脫附風(fēng)量為500 m3/h、脫附時(shí)間為10 min，第一次脫附和燃燒所需熱量由電加熱或燃?xì)馊紵容o助加熱完成。計(jì)算所需加熱量為4.8 MJ/h左右。

單位小時(shí)除銹廢渣產(chǎn)生量為300 kg/h，經(jīng)干燥脫水處理后的廢渣總質(zhì)量變?yōu)?40 kg/h。干燥脫水所需的理論總加熱量為425.48 MJ/h?？紤]干餾氣化尾氣燃燒余熱量131.88 MJ/h，表面噴涂有機(jī)廢氣燃燒余熱量186.41 MJ/h，考慮80%的換熱效率，理論上干燥脫水只需輔助加熱量為170.85 MJ/h，比原來(lái)節(jié)省了60%左右。

4 結(jié)論

針對(duì)修船表面處理產(chǎn)生的除銹廢渣和噴涂過(guò)程產(chǎn)生的漆霧及有機(jī)廢氣，進(jìn)行減量化與無(wú)害化處理，以避免對(duì)周邊環(huán)境造成污染，并滿足環(huán)保治理的要求。

1)充分利用干餾氣化尾氣和表面噴涂有機(jī)廢氣燃燒后產(chǎn)生的余熱量，減少工藝加熱過(guò)程所需的燃料或電量消耗。通過(guò)理論計(jì)算，充分利用工藝余熱后，干燥脫水輔助加熱量?jī)H為原來(lái)的40%。

2)除銹廢渣處理產(chǎn)生的干餾尾氣和表面噴涂工藝產(chǎn)生的有機(jī)廢氣，可采用干餾尾氣與有機(jī)廢氣協(xié)同治理與余熱綜合利用的處理技術(shù)，可采用吸附濃縮結(jié)合催化燃燒處理工藝。