王一哲，景勝春，白曉鵬，孫俊杰，劉 杰

（中國汽車工業(yè)工程有限公司，天津 300113）

涂裝車間是汽車整車生產工藝過程中制造“三廢”最關鍵且數量最大的環(huán)節(jié)，其中廢氣是其中最重要的部分[1]。在涂料制造過程中產生的全部廢棄物充其量不超過涂料量的3%，揮發(fā)進入大氣的溶劑量僅為溶劑總量的0.25%，而在涂裝時，隨涂料的種類和涂裝方法的不同，散發(fā)的溶劑總量有差異，在噴涂有機溶劑型涂料的場合，散發(fā)出的揮發(fā)性有機化合物量占涂料用量的 20%～80%[2]。涂裝廢氣主要來源為處理烘干室的分解物以及噴漆室體的有機揮發(fā)物，常用的處理方法有活性炭吸附法、直接燃燒法、催化劑氧化分解法以及蓄熱式燃燒法[3-4]，汽車廠一般會根據實際的濃度及風量選擇一種合適的處理裝置或者幾種的組合。電泳段的廢氣由于其濕度大、濃度低等特點，一般會選擇不經過任何處理直接排放。但是隨著國家對環(huán)保要求越來越高，對汽車整車制造業(yè)（涂裝工序）排放的大氣污染物要求也越來越嚴，如北京市要求廢氣中非甲烷總烴（Non-Methane Hydrocarbon, NMHC）含量≤25 mg/m3，重慶市主城區(qū)對這一數值的要求為≤30 mg/m3，即使是目前廣泛使用的水性涂料仍無法滿足環(huán)保要求。當大氣中的NMHC含量濃度超標時，除直接對人體健康有害外，在一定條件下經日光照射還能產生光化學煙霧，對環(huán)境和人類造成危害[5]。由于之前的忽視或者環(huán)保要求低等原因，電泳段廢氣的處理案例少之又少，亟待解決。本案例首次將改進后的活性炭吸附系統(tǒng)應用在電泳段廢氣處理上并產生了良好效果。

1 排放超標原因分析

1.1 陰極電泳涂料成分

想要解決廢氣排放超標的問題，首先要認識電泳涂料成分。由于此部分廢氣發(fā)生在烘干前涂料并未發(fā)生分解反應，所以廢氣屬性與涂料本身基本一致。

目前廣泛使用的電泳涂料是一種在水性底漆的基礎上開發(fā)的，在水中能離解為帶電荷的水溶性成膜聚合物，在直流電場的作用下泳向被涂面并在其表面上沉積析出。陰極電泳涂料所用的成膜聚合物為陽離子型樹脂，最常用的樹脂有環(huán)氧樹脂和聚氨酯等，在樹脂骨架中含有多數的胺基，經有機酸，如：甲酸、乙酸、乳酸等，中和至酸堿度（Pondus Hydrogenii, PH）值為5.5～6.5[6]。電泳涂料在不斷攪拌的過程中，會揮發(fā)出大量溶劑，如：醇、酮、乙二醇醚等，隨排風系統(tǒng)直接排放到大氣中，所以需重點關注當地的NMHC排放要求。隨著環(huán)保要求越來越嚴格，各大涂料廠商也在積極的開發(fā)新型環(huán)保型、低污染、毒性小的產品來滿足國家和市場要求。例如：各種無鉛、低揮發(fā)性有機物（Volatile Organic Compounds,VOC）陰極電泳涂料相繼被開發(fā)并應用，這些新涂料顯著地減輕了涂裝車間的火災危險性和涂裝公害。

1.2 噴淋水霧

常規(guī)的電泳生產線工藝流程如圖1所示，按工件運行方向順序為準備段→電泳→UF1→UF2→UF3→水洗→防塵段，超濾清洗方式一般選擇為UF1噴淋、UF2浸洗及UF3噴淋。

圖1 電泳工藝簡圖

電泳系統(tǒng)一般包含送排風系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、漆料回收系統(tǒng)、加電系統(tǒng)、極液系統(tǒng)等。其中送排風系統(tǒng)包含電泳送排風、超濾水洗段排風及后防塵送風，部分車間還設置有準備段送排風。對以上排放點進行測量發(fā)現，除超濾水洗段廢氣超標外，其余排放口廢氣濃度均達標。對測量點所處的環(huán)境進行分析，超濾水洗段廢氣排放口設置在UF1與UF2之間，正好處于噴淋區(qū)，噴淋過程中會產生大量水霧，水霧中夾帶有機溶劑隨廢氣一起排放造成濃度超標。而在電泳排風段廢氣濃度較低的原因是雖然涂料在不斷揮發(fā)，但此區(qū)域基本沒有水霧并且有新風不斷送入室體內部。因此，噴淋水霧是造成電泳廢氣濃度超標的重要原因之一。

1.3 產能

對不同涂裝生產車間的超濾水洗段廢氣進行取樣分析，結果如表1所示。

表1 不同生產車間超濾水洗段廢氣NMHC濃度

雖然各生產車間的電泳涂料不盡相同，排放濃度由于涂料本身屬性也略有差異，但對結果分析仍具有指導意義。結果顯示，產能對廢氣排放濃度影響較大，排放濃度隨產能提升而顯著增加，所以新建的高節(jié)拍生產線在設計初期，就需考慮設置電泳廢氣處理裝置。生產過程中，為了保證車身的清洗效果，產能高的項目，輸送設備的鏈速以及噴嘴數量增加。噴淋量增加導致危害物揮發(fā)量增加，從而產生的更多的水霧。

2 電泳廢氣處理系統(tǒng)

在選擇廢氣處理裝置時，最主要的是參考操作條件，如：廢氣濃度、溫度、壓力、實際流速、風量等指標。而活性炭作為低溫、低濃度有機廢氣處理裝置，應用在電泳廢氣處理上優(yōu)勢十分明顯。

2.1 活性炭吸附裝置

由于活性炭對廢氣的濕度及清潔度有一定要求，在傳統(tǒng)處理裝置的基礎上增加了除濕區(qū)及除塵區(qū)，如圖2所示。

圖2 活性炭吸附裝置

1）第一區(qū)域為除濕區(qū)，裝有G4除濕濾袋。除濕濾袋由抗斷性的合成有機纖維經過熱粘和制成的無紡布構成，采用漸進式結構。過濾器抗?jié)裥阅芸蛇_ 100%相對濕度，能有效保護下游過濾段。

2）第二區(qū)域為除塵區(qū)，裝有F7中效過濾器，通過多孔的過濾介質分離捕捉氣體中的固體、液體粒子。含塵氣體進入過濾器，濾塵黏附在濾料的迎風面，從背風面逸出的氣體進入下一道工序。通過除塵工藝可以降低活性炭更換周期，減少運行費用。

3）第三區(qū)域為吸附區(qū)，由防水性活性炭裝填而成，是整個裝置吸附濃縮環(huán)節(jié)的主要部件及核心工序。其吸附原理：在用多孔性固體物質處理流體混合物時，流體中的某以組分或某些組分可被吸引到固體表面并濃集保持其上，此現象稱為吸附[7]。在進行氣態(tài)污染物治理中，被處理的流體為氣體，因此，屬于氣-固吸附。被吸附的氣體組分稱為吸附質，多孔固體物質稱為吸附劑?；钚蕴窟x用以優(yōu)質無煙煤作為原料、外形蜂窩狀，其主要特點有強度高、吸附速度快、吸附容量高、比表面積較大、孔隙結構發(fā)達、孔隙大小介于椰殼活性炭和木質活性炭之間。

除以上三個重要工序外，處理裝置還配有其它一些附屬設備。在通道側，設有多個檢修門，進行濾袋和活性炭的更換。除濕區(qū)和除塵區(qū)的背側開有排水口，以免積水過多影響濾袋使用效果。吸附區(qū)的相對濕度已經很低，不再設排水口。每道工序前后都設有壓差計，用來檢測濾袋及活性炭的使用情況。

活性炭的更換周期計算公式為

式中，T為更換周期，天；m為活性炭用量，kg；s為動態(tài)吸附量；c為活性炭消減的VOCs濃度，mg/m3；Q為風量，m3/h；t為運行時間，h/天。

由式（1）可知，活性炭的使用壽命與裝填量、濃度削減量息息相關。以本案例為例：更換周期設定為1個月，初始排放物濃度為 35 mg/m3，削減量取20 mg/m3，風量為12 500 m3/h，動態(tài)吸附量取 10%，對于高碘值活性炭此項數據會更高，運行時間按雙班制每天工作16 h計算，由以上數據可得活性炭用量為1 000 kg，約為2.3 m3。當然裝填量越大活性炭的使用壽命越長，更換周期也越短，所以必須在設計時，將人工成本、環(huán)保要求等納入考慮范圍，才能實現社會效益和經濟效益雙贏。

2.2 消水器

為了減少除濕濾袋的更換周期，在活性炭處理裝置之前設置消水器，結構如圖3所示。

圖3 消水器結構圖

消水器工作原理：當夾帶水滴的廢氣在相鄰兩擋水板的通道內曲折前進時，由于慣性作用，水滴與擋水板相碰撞后粘附在其表面上并形成水膜，沿板面流到下部的集水池并通過排放口排出[8]。但是無論采用任何形式的擋水板，仍有一些直徑較小的小水滴通過擋水板隨著廢氣穿過下一道工序，所以在活性炭處理裝置中設置除濕濾袋顯得尤為重要。

最終形成的廢氣處理系統(tǒng)流程：廢氣→消水器→除濕濾袋→除塵濾袋→活性炭→排風機→達標排放到大氣。

3 處理效果

對已經完成改造的30 JPH涂裝車間電泳段廢氣排放路徑的不同位置點進行取樣分析，如表2所示，可得如下結論：

表2 取樣數據

1）經過消水器處理后的有機廢氣濃度略微下降，主要原因是廢氣中的水滴在消水器中析出，帶出一部分有機物，但數據顯示消水器基本不具備廢氣處理能力，主要作用是降低濕度，減少廢氣中的液滴。

2）經過活性炭吸附裝置處理后的廢氣排放濃度顯著降低，達到排放要求，可見活性炭作為電泳段廢氣處理方案可靠有效。

3）對于廢氣濃度消減量較高的生產線，為了保證處理效果必須有足夠的裝填量，這樣首次投入的設備成本及場地、后期維保成本及更換活性炭的人工成本會相應增加，活性炭吸附仍是有效的處理方式之一，但也可選擇將風管延長至車間的廢氣處理設備進行處理。

4 結語

對涂裝廢氣，應根據廢氣特點，綜合考慮生產節(jié)拍、建設成本、場地大小等因素，選擇合理的環(huán)保處理方案，既保證生產和環(huán)保要求，同時也使投資更為適宜合理。