汽车涂装线VOC浓缩转轮的脱附工艺选择及运营成本分析

2012年，国家发布了《重点区域大气污染防治“十二五”规划》，传统的喷漆室排风利用烟囱进行高空排放已不能满足环保标准。十三五期间，国家对大气污染治理力度日益加大，国家、地方政府相继发布多项环保法规，鼓励、推荐企业采用合适的废气治理技术。本文结合某公司驾驶室和底盘喷漆两条不同涂装线选择的VOC治理工艺，以及不同治理工艺对应的运营成本，综合对比分析，可以指导不同的汽车涂装线对VOC治理工艺进行选择。

1. VOC来源分类

   以某公司涂装线为例，按照VOC浓度、废气风量、喷房形式等不同，采取不同的组合治理工艺。废气按照涂料种类分为溶剂型高固废气和水性涂料废气；按照废气来源分为烘房废气和喷房废气；按照喷房类型分为干式喷房废气和湿式喷房废气。不同的废气中VOC初始浓度不同，以双班250d标准产能10万台的喷漆线为例，废气中VOC初始浓度见表1。由表1看出，不同来源产生的VOC初始浓度不同，采取的治理措施也不同。目前行业对于修补漆及输调漆过程中产生的VOC浓度较低废气，一般直接采用活性炭吸附后排放；对于烘房产生的VOC，因温度较高，不适合直接进入沸石转轮，采用回收式热力焚烧系统（TNV）或蓄热式氧化炉（RTO）高温裂解后排放；喷房废气，VOC浓度较低，一般采用沸石转轮进行浓缩净化，洁净气体达标后排放，而转轮浓缩废气进入RTO或者TNV进行820~860℃高温裂解后排放。上述三类废气，补漆房和烘房废气处理工艺目前行业基本一致，本文不再详细展开分析。本文将针对喷房废气的处理工艺进行对比分析，结合喷房形式综合对比设备投资、运营成本等因素，确定最优的处理工艺。

2. 典型的VOC治理工艺

   喷房按形式分为干式喷房和湿式喷房，干式喷房产生的VOC有机废气不需要除湿可以直接进入沸石转轮进行浓缩，湿式喷房产生的VOC有机废气需要先进行除湿，相对湿度降低至60%~80%，才能进入废气转轮。涂料按类型分为水性涂料和溶剂型涂料，其中水性涂料使用的喷房设有闪干室，闪干室废气也需要处理，可以直接进入转轮，或者直接进入RTO裂解，具体处理方式需要根据转轮进风温度要求进行确定。沸石转轮脱附方案分为冷却风脱附和新风脱附，根据废气是否需要除湿确定脱附风的方式。以某公司一条双班250d标准产能10万台的驾驶室喷漆线为例，采用水性涂料、机器人喷涂、干式喷房、循环风，喷漆废气来源有色漆喷房、清漆喷房、闪干室，生产线参数见表2和表3。从表3看出，喷房与闪干室混合废气输入转轮前的初始VOC浓度为430mg/m?，但转轮对于进入的废气有温度要求，一般要求温度≤40℃，温度过高会影响转轮的吸附效率。因此需要核算混合废气的温湿度，以便确定闪干室废气的去向。

   1.闪干室废气去向

   需要核算闪干室与喷房废气混合后的温度能否满足转轮入口温度要求。仍以该公司驾驶室线为例，闪干室废气温度为80℃，与色漆、清漆喷房废气混合后温度见表4。

   从表4看出，喷房和闪干室废气混合后的温度是34℃，满足转轮进口温度要求，可以混合入转轮。

3. 转轮脱附风的选择

   转轮脱附风有两种来源，一是新风，二是冷却风。根据喷房形式不同，结合运营成本进行核算

4. 干式喷房脱附风选择

   对于干式喷房，废气进转轮前不需要除湿，可以采用部分转轮入口的初始废气用于对转轮进行冷却，冷却后再经换热器换热，达到脱附温度后对转轮浓缩的废气进行脱附。即干式喷房转轮脱附风采用转轮冷却风。

5. 湿式喷房脱附风选择

   对于湿式喷房，因废气进入转轮前经过文丘里等漆雾捕集设备，湿度基本达到90%以上，超过转轮入口湿度要求，必须进行除湿。以该公司底盘喷漆线湿式喷房为例，冷却风对转轮进行冷却后，又回到了转轮入口前端的混风箱，利用其冷却后的温度，与初始废气进行混合，进行除湿。转轮冷却风回到前段混风箱进行除湿，转轮脱附风采用新风。经过转轮的风分为两路，第一路为洁净风直接排放，第二路为冷却风回到转轮前端混风箱除湿，再与废气混合后重新进入转轮。脱附风则采用系统外新风，配独立新风风机。新风首先与RTO排放烟气进行预换热，再经过直燃炉直接加热至脱附温度180~220℃，然后进入转轮进行脱附。

6. 两种脱附风方案对比;

1. 运行能耗对比。不论是冷却风脱附还是新风脱附，都需要将冷却风或者新风升温至转轮需要的脱附温度，这个升温过程需要消耗天然气，下面就两种方案升温需要的天然气量进行对比，以10000m?/h风量为基准，分析能耗情况。空气升温消耗热量按式（1）计算。Q=C×Vk×Δt 式（1）其中，Q—单位时间消耗热量，kJ/h；C—空气比热容，0~200℃时，C≈1.30kJ·m-3·℃-1；Vk—风量，m3/h；Δt—温差，℃。空气升温消耗热量折合天然气量按式（2）计算。Vg=Q/qg式（2）其中，Vg—天然气耗量，m?；qg—天然气低位发热量，国内天然气因成分不同，而热值不同，为33494~40193kJ/m?，此处以青岛天然气低位热值36739kJ/m?计算。对于干式喷房，采用冷却风脱附，不同品牌的转轮脱附风温度不同，西部技研转轮冷却风出口温度为140℃，蒙特转轮脱附风出口温度为80℃，对冷却风进行升温至转轮脱附需要的温度，西部技研转轮脱附温度为220℃，蒙特转轮为180℃，升温温差为80~100℃，取100℃温差。按式（1）和（2）计算，需要消耗天然气35m?/h。对于湿式喷房，采用新风脱附，新风平均温度20℃，首先与RTO排烟（100~120℃）进行换热，换热后温度约为70℃，升温至180~220℃，温差为110~150℃，取最大温差150℃。按式（1）和（2）计算，需要消耗天然气53m?/h。两种脱附风方案，天然气耗量相差18m?/h，按照天然气单价3.5元/m3，每年运行4000h（250d，16h/d）计算，年运行费用相差25万元/a。运行能耗对比结论：每10000m?/h的浓缩废气，新风脱附方案比冷却风脱附方案每年多花费运行能耗25万元，即冷却风脱附方案运行成本更经济。

2. 转轮更换成本对比。采用冷却风脱附方案，因冷却风实际是初始的废气，含有未处理的VOC，对转轮进行脱附时，废气中的VOC直接接触转轮，其中相对大分子质量的物质容易堵塞转轮，降低转轮寿命。采用新风脱附方案，脱附风是洁净的新鲜空气，对转轮不会造成影响，可以延长转轮的使用寿命。根据该公司的实际使用情况对比，采用新风脱附方案，转轮可延长3a使用寿命，由原4a延长为7a，单个转轮采购安装费用约130万元，折合节省14万元/a，即新风脱附方案转轮运行维护成本更低。

3. 系统安全运行对比。若采用冷却风脱附方案，脱附风是含有VOC的初始废气，需经过高温换热器进行换热；因长期使用，VOC堆积在高温换热器管壁外侧，而前端的漆雾捕集设施捕集效率很难达到100%，必然会有细小的漆雾累积在换热器管壁上；换热器管直接与860℃的RTO炉膛相连接，当没有有效的措施进行清理和保洁时，若炉膛超温或者换热器管壁出现裂纹，则会有安全隐患。而采用新风脱附方案，则无安全隐患。即新风脱附方案运行更安全。

1. VOC治理工艺选择

   目前，行业VOC治理工艺规划过程，主要有两处不同，一是闪干室废气直接进入转轮还是进入RTO，主要取决于混合风的温度；二是脱附风采用冷却风还是新风，这取决于运营成本和安全等因素。综合上述对比分析，考虑运营能耗、设备维护保养费用、安全运行等因素，企业在选择工艺方案时，需要综合对比选择。以单个转轮为例进行能耗和维护成本的综合对比，能耗对比见表5，设备维护费用对比见表6。
   从表5和表6可以看出，从运行成本上对比，每10000m?/h风量，冷却风脱附方案较新风脱附方案节省运营成本11万元/a，即冷却风脱附方案更节省运营成本。而从系统安全性上看，新风脱附方案没有安全隐患。

2. 结语

   综上，VOC治理工艺路径规划，主要考虑以下两点：一是闪干室废气的路径规划。闪干室废气量一般较大，在20000m?/h以上，直接进入RTO会增加设备投资和运行成本。若闪干室与喷房混合废气的温度能满足转轮进口温度要求，则闪干室废气首选方案是直接与喷房废气混合，进入转轮进行净化浓缩。二是转轮脱附方案规划。如果采用干式喷房，不需要除湿，则采用冷却风脱附成本更低；如果采用湿式喷房，需要进行除湿，综合考虑运营成本和安全性，采用新风脱附，运营更安全。二者运营成本相差约11万元/a，采用冷却风脱附工艺更节省。企业在选择VOC处理工艺时，可从企业自身关注点出发，根据生产线实际情况，综合考虑初始废气VOC浓度、漆雾捕集设备的捕集效率、设备维护保养成本、安全隐患等因素，选择合理的工艺方案