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    淺談噴漆室漆霧處理工藝

    返回列表 浏覽:1220 發布日期:2020-04-22 09:06:20

    自2014年來,北京、上海、江蘇等地響應國家号召,陸續發布了史上最嚴的汽車制造業大氣污染物排放地方标準,其中将關鍵排放指标——非甲烷總烴排放濃度限值,從原先執行了十多年的《GB16297—2004大氣污染物排放标準》中規定的150mg/m³驟降至20~30mg/m³,标志着汽車制造業正式開始環保轉型。

    在法規陸續出台并完善的這5年時間裡,關于廢氣治理技術成為了汽車塗裝行業最熱點的話題,針對不同工況下的廢氣治理辦法也在不斷讨論分析實踐中固化。然而在這一過程中,導緻不同工況産生的源頭——生産設備,卻鮮有被提及。

    本文以噴漆室為例,将生産設備與後續治理建立關聯,并給出規劃指引。

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    1 漆霧分離裝置的選擇

    一套完整的噴漆室系統通常由送排風、動靜壓室、噴漆室體、漆霧分離裝置四大部分組成。前三者的規劃設計受到節拍、産品尺寸、噴塗形式等因素的影響,但主體結構大同小異,對于噴漆室系統而言最主要的分歧集中在漆霧分離形式的選擇上。采用不同形式的漆霧分離裝置會對一次投資、維護運營、廢氣排放等方面造成不同程度的影響。表1列舉了目前汽車制造業主流的噴漆室漆霧分離裝置,根據分離裝置對漆霧顆粒捕集媒介的選擇,可以簡單分為濕式和幹式兩大類。

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    1.1 濕式文丘裡

    濕式文丘裡用于漆霧分離在塗裝行業的應用曆史悠久,目前仍是國内最主流的漆霧分離形式之一,原因有以下幾點:

    1)機械結構穩定可靠。濕式文丘裡在循環水的動力提供方面采用了離心水泵,漆渣上浮後的刮渣環節采用了電機驅動的往複機構,除此以外再無其他可動部件。穩定可靠的機械結構減輕了車間維修的壓力,同時也降低了車間運維的難度。

    2)制造難度低、技術門檻低。作為目前主流形式中曆史最悠久的一種,其技術核心及結構細節已經普及,門檻降低的同時也降低了一次投資的規模。

    3)分離效率相對穩定。穩定的機械結構使得濕式文丘裡漆霧分離裝置在運行過程中的系統參數變化較小。通常隻需要保證水量穩定、淌水闆潔淨,就可以維持初次投入時的分離效率。有關藥劑添加及水質維持方面的工作一般由外包專業供應商負責,幾乎不會影響到設備運行。

    盡管濕式文丘裡有以上諸多優點,然而從整個噴漆室系統的角度來看,濕式原理導緻的空氣濕度上升成了當前車間選擇該形式的最大阻力。當噴漆室系統采用循環風時,選擇濕式文丘裡會導緻付出更多的循環風除濕能耗,即使噴漆室系統不采用循環風,較高的排風濕度仍然會給後續沸石濃縮轉輪的治理增加難度。這也是近期行業内都在尋求可靠的幹式系統來取代濕式文丘裡的最重要原因。

    1.2 石灰石漆霧捕集

    石灰石漆霧捕集系統在德系供應商提供的方案中被廣泛應用,該系統除具備幹式系統空氣狀态變化小的優勢外,還提供了目前業内最高的分離效率,在核心參數占據絕對優勢的情況下,阻礙用戶選用的主要原因集中在以下兩點:

    1)高昂的一次投資。石灰石漆霧捕集系統最為核心的濾芯目前仍然依賴進口,且濾芯在使用過程中會有所損耗,一般整體更換周期為3a,造成了一次投資的高昂費用以及後續周期發生的更換費用。所以通常用戶會搭配高比例的循環風來使用石灰石系統,用極低的循環風能耗來體現石灰石系統的精益性。

    2)廢石灰處理問題。目前采用石灰石系統的所有車間都将廢石灰按固廢價格外包後處理。然而,廢石灰中含有漆霧顆粒、VOC、金屬粉末等成分,這些物質是否會使廢石灰在日益收緊的環保政策下重新定義為危廢,這個不确定項将嚴重影響該系統的可用性。

    1.3 靜電漆霧捕集

    靜電漆霧捕集系統在整體機電設計上較為複雜,通過靜電将漆霧吸附至電極闆上,再通過清洗劑洗去電極闆上的積漆,從最終的分離效果上來看能夠媲美石灰石系統,但是一次投資不占優勢,且設備維護門檻較高,雖然是一項可用的優秀技術,但在國内的應用案例比較少。

    1.4 紙盒式漆霧捕集

    紙盒式漆霧捕集系統近年來發展迅速,因為技術門檻較低,也造成了紙盒供應商魚龍混雜,最終呈現的效果差異較大。目前使用該系統需要關注的要點如下:

    1)核心紙盒的選擇。紙盒過濾的原理是采用離心碰撞捕集漆霧,所以對于紙盒本身的流道設計合理性要求極高。首先流道設計需要産生足夠的折流以滿足碰撞需求,其次還需要保證流道在捕集漆霧後不産生塌縮導緻過早地堵塞,最後還需要在合理的空間内設計盡可能多的漆霧堆積位置來提升容漆量。同時結合以上三點設計的紙盒才能夠充分發揮出幹式系統運營成本低的特性。

    2)紙盒後過濾的選擇。就紙盒原理及現有紙盒的實際表現來看,單純的折流離心碰撞仍然無法獨立承擔漆霧捕集的任務,最終的漆霧捕集依然要借助過濾袋完成。精度較低的過濾袋會導緻漆霧透過量大,精度較高的過濾袋會導緻濾袋堵塞快。結合紙盒本身效率來選擇搭配後續過濾是産線建成後需要持續摸索的關鍵。

    3)更換周期及周期内的變化。紙盒系統最早誕生針對的是離線修補等低産能、非連續生産的場合,采用紙盒系統可以減少設備占地,且濾材更換成本更低。在應用到整車流水線後首要考慮的因素是如何在車間生産的狀态下進行紙盒更換,且對噴漆室風平衡不産生影響,其次還要考慮在一個更換周期内紙盒的阻力變化,如何設置更換周期對整個系統運行的影響最小。

    1.5 漆霧分離裝置的選擇對廢氣排放的影響

    無論選用哪種形式的漆霧分離裝置,最終都将産生漆霧捕捉媒介與過噴漆霧的混合物,假設該混合物在收集後可以做到密閉保存、運輸,那麼最終混合物内的VOC含量就是漆霧分離裝置對噴漆系統的VOCs減量。不同漆霧分離裝置對VOCs排放的影響見表2。

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    VOC在最終混合物中的殘留量取決于捕捉媒介在整個系統内的滞留時間。

    濕式文丘裡的循環水更換頻次很低,除了少量的蒸發、漆渣攜帶造成的适當補液外,循環水整體置換頻次可長達1年甚至更久,這導緻了油漆所含VOC幾乎都在噴漆室系統中充分揮發,濕式文丘裡對廢氣減排幾乎沒有作用。

    石灰石漆霧捕集裝置在使用石灰粉捕捉漆霧顆粒後會在短時間内通過管道将廢石灰收集至密閉容器内,很大程度上限制了過噴漆霧在噴漆室系統内的揮發。

    靜電漆霧捕集系統在采用電極闆吸附過噴漆霧顆粒後,為了使電極闆保持清潔,滿足連續生産要求,會不斷使用清洗劑沖洗電極闆表面,在這個過程中過噴漆霧會被收集至密閉罐體中,也能限制過噴漆霧的揮發。

    紙盒式漆霧捕集裝置受到産能、噴塗量以及紙盒本身容漆量的影響,紙盒更換周期從3d至7d不等,更換頻次越高對生産運維壓力越大,但卻有助于減少揮發。

    2 原材料揮發情況

    在實際規劃廢氣治理設備時,原材料的揮發情況雖然未被忽視,卻也幾乎沒有被準确預估過。通常情況下一個新建車間在正式滿産前,規劃者并不清楚最終的排放值會是多少。通過油漆材料的MSDS信息可以大緻了解VOC成分所占比重,但即使準确測定了VOC在源頭的量,對于這些揮發性物質會在什麼場合以什麼速度揮發卻依然無法明确。

    例如業内規劃計算階段常常提到的定理:噴房揮發與烘房揮發的比例為7∶3。然而這是正确的嗎?色漆先于清漆完成噴塗對揮發比例有影響嗎?7∶3中包含清洗溶劑了嗎?色漆采用水性漆或是溶劑型漆對該比例有影響嗎?在油漆體系、噴塗設備和送風參數不斷變化的現狀下,7∶3的經驗比例卻幾乎沒做過任何修訂仍然作為規劃依據,這和缺少基礎學科的支撐和檢測儀器的支持有關。

    為了明确油漆車間各工藝環節的實際排放情況,本文就國内某工廠2C1B工藝全自動噴塗線的實際情況做了以下實測統計。

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    表3統計了該車間内所有含VOC原料的單車耗量,以及所有委外廢棄物、非生産排放物的VOC含量,最終得到正常滿産期間單車VOC排放量約為2.8 kg/h。該車間滿産節拍為40台/h,合計總排放速率為112kg/h。

    再對該車間所有廢氣排放口進行實測,嘗試找出各排放口的VOC排放比例,結果見表4。

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    由表4可知,色漆排風、清漆+閃幹排風這兩路噴漆室主要廢氣排放總和達到了55.13 kg/h,幾乎占了全車間排放總值的一半,與面漆烘房的排風比例也更接近于6∶4,與業内默認的7∶3存在差異。

    至此,我們完成了對全車間物料的統計及排口的測量,得到的原材料的揮發數據完整性較高,具備規劃參考意義。采用相同工藝的産線可以使用以上數據通過産能折算來類比使用,當然前提是同樣采用濕式文丘裡漆霧分離系統,對于幹式漆霧捕集系統而言,最終排放值需要根據漆霧捕集媒介的實測VOC含量做扣除使用。

    3 結合循環風選擇合适的治理手段

    3.1 循環風與排放濃度的關系

    噴漆室是否采用循環風以及循環風比例的選取,這些規劃決策對于噴漆室結構本身影響并不太大,在項目規劃階段通常會根據自動化比例、供風需求、能源消耗、濾材消耗等因素綜合考慮後決定。近年來,随着油漆體系逐步轉型為水性漆,更高的溫濕度要求導緻的空調能耗提升迫使業内開始選擇更高的循環風比例。

    然而,循環風比例對後續廢氣治理設備規劃的影響在噴漆室規劃過程中很少考慮。廢氣治理設備似乎總是在被動接受,當然這也和早期廢氣治理項目大多為改造項目相關,就新建産線而言,噴漆室規劃應當在工藝允許的範圍内,更多地思考如何去配合廢氣治理設備,以得到雙赢的結果。

    我們繼續使用表3和表4得出的結論,假設采用2C1B工藝後單車VOC排放量為2.8kg/h,而噴漆室排風占總量的一半,達到單車1.4kg/h。配合産能信息及噴漆室排風量,噴漆室排放濃度與節拍、風量的關系見表5。

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    由表5可知,最終噴漆室排廢氣的濃度與生産節拍成正比,與噴漆室排風量成反比。

    3.2 治理手段的對應選擇

    将排放濃度與30mg/m³的排放指标挂鈎後,可以得到不同工況下廢氣治理設備所需具備的治理效率,見表6。

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    由表6可見,當産量較低、排風量較大時(表6左下角區域),幾乎不需要治理排放也能達标(治理效率要求0%);當産量較高、排風量較小時(表6右上角區域),治理難度極大(治理效率要求>95%)。

    當一個新建項目确定了産品尺寸、最大産能以及噴塗形式後,噴漆室布局也基本确定,通過沉降風速與投影面積的乘積得到的總送風量也就确定了下來。在這些前提下,想要調整排風量的大小,隻能通過調整循環風比例的方式來完成。循環風比例設計得越高,廢氣濃度就越高,所需配套的治理設備效率就要越高。換言之,當後續治理設備的效率無法提高時,就要通過循環風比例的調整來适當增加排風量,換取較低的治理難度。

    在整車制造塗裝行業内被證明最為适用的治理手段有2種:濃縮+燃燒,直接燃燒。

    “濃縮+燃燒”的設備核心為沸石濃縮轉輪和焚燒設備,焚燒設備可以選擇RTO或者TNV,不同的焚燒設備影響到整體系統配置、餘熱利用等方面的設計,但對于治理效果來說區别不大。“濃縮+燃燒”的治理手段因為存在轉輪吸附效率以及燃燒淨化效率的串聯,其系統整體治理效率會低于直接燃燒。沸石濃縮轉輪設備作為治理設備來說,存在運行維護難度高、運行效率不穩定的特點。它對于入口廢氣的狀态有着嚴格的要求,溫度、濕度、濃度稍有偏離就會造成整體運行效率的下降。漆霧顆粒引起的轉輪堵塞案例也在業内廣泛出現,然而轉輪設備廠家卻極少對入口顆粒計數做明确量化規定。

    相比較而言,直接燃燒治理的淨化效率及運行穩定性都遠高于“濃縮+燃燒”治理。但是我們通常認為噴漆室排風具有大風量低濃度的特征,所以采用直接燃燒會消耗大量的天然氣,通常僅用在烘幹室廢氣的治理上。

    就目前業内的使用情況來看,穩定運行的情況下“濃縮+燃燒”的治理效率可以達到93%(根據不同工況的計算結果會有差異,以廠家計算數為準),而直接燃燒的治理效率則能達到99%以上。結合表6來看,當所需治理效率低于93%時,我們可以使用“濃縮+轉輪”的方案,當所需治理效率高于93%時,“濃縮+轉輪”方案會無法應付高濃度的廢氣,采用直接燃燒治理會更為合理。并且當條件允許的情況下,盡可能提升噴漆室循環比,配合直接燃燒的治理方式,既能夠降低空調能耗、治理能耗,又可以把治理量最大化,做到真正的綠色環保方案。

    4 結語

    行業環保近年來不斷頒布新規,更新舊規,排放相關的标準越來越嚴格、精準,同時對原材料的控制也在完善的過程中。幾乎所有人都認為加強治理、控制源頭是行業環保發展的兩條路徑,然而從表6的結果可以看到,假設企業在願意承擔能耗費用的情況下,刻意選擇大風量全新風的規劃理念,那麼排放的濃度值将會急劇降低,對治理設備投入需求也随之下降,但最終的結果卻是實際排放值的增加;假設企業希望盡可能減少能源浪費,合理控制噴漆室排風量,又會陷入排放濃度較高,治理後依然超标的風險,但是最終的排放總量卻會得到有效控制。為了在節能環保的道路上持續進步,研究設備規劃對終端治理的影響,并規範與排放相關的生産設備規劃原則,才是目前最具挖掘空間的地方。

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