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前言
汽車涂裝生產過程中所產生的揮發性有機化合物（簡稱VOCs）的排放，是大氣污染防治的重點，國家及地方環保部門針對汽車生產的特殊性，出臺了越來越嚴格的排放標準。2015版江蘇省《表面涂裝（汽車制造業）揮發性有機物排放標準》中明確規定：汽車涂裝生產線的噴漆室和烘干室應安裝VOCs污染治理設備，且烘干室VOCs廢氣處理效率應當在90%以上，并對涂裝VOCs排放限值做出了明確規定（見表一）：
表一 排氣筒VOCs排放限值
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項目
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排氣筒排放濃度限值（mg/m3）
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VOCs*高允許排放速率（Kg/h）
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污染物排放監控位置
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苯
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1
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0.6
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車間或生產設施排氣筒
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甲苯
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3
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1.2
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二甲苯
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12
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3.6
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苯系物
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20
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8
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TVOCs
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乘用車
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30
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32
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其他車型汽車
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60
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2 汽車涂裝VOCs排放概算
汽車涂裝生產中的VOCs來源于涂料中的溶劑，主要通過噴漆、油漆晾干(水性漆預烘干)和烘干工序產生排放。烘干工序產生的有機廢氣，由于VOCs濃度和溫度較高，可直接進入焚燒爐(TNV)或者蓄熱式熱力焚化爐(RTO)處理，凈化率可達到98%以上。而噴漆室排出的廢氣，由于風量大、VOCs濃度低、濕度大，常規的過濾、吸附等工藝措施難以有效處理，目前,國內大多數的汽車涂裝車間都不作處理，與晾干區的廢氣一起經集中排氣筒，直接高空排放。
以生產節拍為16JPH，采取3C2B水性漆工藝的廂式商用車涂裝為例，中涂漆及底面漆為水性漆，罩光清漆為1K溶劑型。水性漆預烘干產生的廢氣直排，清漆晾干區的排風補至噴漆室循環利用，再與噴漆室的廢氣一起經集中排氣筒排放；中涂及面漆烘干區廢氣經RTO凈化處理后排放。 其VOCs排放速率概算見表二；噴漆室風量及VOCs排放濃度概算見表三：
表二 涂裝VOCs排放速率概算
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項目
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油漆溶劑含量
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噴涂上漆率
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涂層干膜厚度(um)
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油漆密度
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噴涂面積
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單臺噴漆耗量(Kg/h)
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小時噴漆耗量(Kg/h)
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區域VOCs排放速率
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集中排氣筒VOCs速率
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烘房VOCs排放速率
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(g/ml)
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(m2)
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(Kg/h)
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(Kg/h)
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(Kg/h)
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VOC%
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η
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d
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ρ
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s
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Q
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Qh
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噴漆室
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晾干區
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烘干區
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水性中涂
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15%
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80%
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25
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1.3
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40
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1.53
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24.5
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2.1
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0.6
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1.0
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36.6
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0.24
|
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水性素色底漆(內表面)
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12%
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40%
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18
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1.1
|
9
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0.51
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8.1
|
0.76
|
0.53
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11.2
|
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水性素色底漆(外表面)
|
12%
|
80%
|
18
|
1.1
|
40
|
1.125
|
18
|
1.21
|
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清漆（內表面）
|
50%
|
40%
|
25
|
1.02
|
9
|
1.15
|
18.4
|
6.98
|
7.45
|
|
清漆（外表面）
|
50%
|
80%
|
40
|
1.02
|
40
|
4.08
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65.3
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17
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注：水性中涂、水性素色底漆VOCs揮發比例按噴漆室：預烘干：烘干區=45%：20%：35%計算
清漆VOCs揮發比例按噴漆室：晾干區：烘干區=40%：25%：35%計算
中涂及面漆烘房VOCs經RTO處理，凈化率按98%計算
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表三 噴漆室風量及VOCs排放濃度概算
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項目
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室體截面尺寸
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風速
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區域排風量
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VOCs揮發速率
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VOCs區域排放濃度
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長(m)
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寬(m)
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m/s
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m3/h
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Kg/h
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mg/m3
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中涂噴涂段
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中涂噴漆室
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12
|
5
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0.3
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70000
|
2.1
|
30.0
|
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中涂預烘干
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33.5
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4.5
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10
|
19000
|
0.6
|
31.6
|
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水性底漆噴涂段
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水性素色底漆(內表面)手工噴涂段
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12
|
6
|
0.45
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120000
|
0.76
|
6.32
|
|
水性素色底漆(外表面)自動噴涂段
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14
|
5
|
0.3
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77000
|
1.21
|
15.71
|
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水性底漆預烘干
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33.5
|
4.5
|
10
|
19000
|
0.53
|
28.84
|
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清漆噴涂段
|
清漆(內表面)手工噴涂段
|
9
|
6
|
0.45
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92000
|
6.98
|
178.6
|
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清漆(外表面)自動噴涂段
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14
|
5
|
0.3
|
84000
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17.0
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清漆晾干段
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31
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3.5
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0.1
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7.45
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集中排氣筒合計
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481000
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36.6
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76.2
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根據概算：集中排氣筒的VOCs排放速率36.6Kg/h，排放濃度76.2mg/m3，均超過了排放標準。其中清漆噴漆室及晾干區的VOCs排放量達到了31.4Kg/h，占到了排放總量的86%。由此可見，即使采取水性漆工藝，使用常規配套的溶劑型清漆，仍具有較多的VOCs排放，為了達到排放要求，需要對清漆噴涂段的廢氣進行凈化處理。
目前，對于大風量、低濃度的有機廢氣，常規*有效的方法是通過蓄熱式熱力焚化爐（RTO）來進行處理。 其工作原理是：系統將有機廢氣加熱升溫至750℃以上，在燃燒室內停留0．7～1．0 s，使廢氣中的有機污染物氧化分解，成為無害的C02和H2O。廢氣燃燒產生的熱量被蓄熱體“貯存”起來，用于預熱新進入的有機廢氣，從而節省廢氣升溫所需要的燃料消耗，降低運行成本。RTO的*大處理風量一般低于100000 m3/h，廢氣VOCs處理濃度為1000～20000mg/m3，當廢氣濃度低于1500mg/m3時，廢氣燃燒產生的熱量較少，設備需額外增加較多的燃料消耗，用于對新進入的有機廢氣升溫。而需處理的清漆噴涂段廢氣總排風量達到176000m3/h，VOCs濃度僅有178.6mg/m3，由此可見，RTO設備并不直接適用于這樣的廢氣處理。
3 沸石轉輪濃縮系統在噴漆室廢氣治理中的應用
近年來，一種適合處理高流量（大風量）、低濃度、高濕度、多成分VOCs廢氣的凈化設備——沸石轉輪濃縮系統，在歐美及日本等經濟發達國家的汽車涂裝廢氣處理方面取得了較多的應用和良好的效果。
系統設備由兩大主要部分所組成，即疏水性沸石轉輪串連蓄熱式焚化爐。它的工作原理是利用沸石分子篩所具備的的高吸附性能，對有機廢氣進行吸附濃縮，再由RTO設備凈化處理濃縮后的有機廢氣。
3.1 沸石分子篩的性能特點
沸石分子篩是一種鋁硅酸金屬鹽的多微孔晶體，由硅氧四面體和鋁氧四面體通過共享氧原子相互連接形成骨架結構，其表面為固體骨架，內部為多微孔的篩狀構造。內部孔穴之間有孔道相互連接，其孔徑相同，分布非常均一，分子篩依據其內部孔穴的大小，可對分子進行選擇性吸附。沸石分子篩具有很大的比表面積（300～1000m2/g），內部孔穴有強大的庫侖場和極性，因此，對吸附質分子的吸附能力很強，遠超過其他類型的吸附劑，即使在較高的溫度和較低的吸附質分壓（或濃度）下，仍有很高的吸附容量，是一種高性能的分離吸附材料。
通過對沸石分子篩進行表面改性，去除結晶中的鋁原子，可消除其親水的極性，從而形成疏水性沸石分子篩。它不僅具有一般沸石分子篩的共性，在相對濕度達到80 %時,都能保持幾乎不吸附水的特點，即使對于含水的空氣，也能夠選擇地吸附所需的物質,并且吸附量幾乎不受影響。疏水性沸石由無機氧化物組成，具有不可燃性，在900 ℃下焙燒2 h ,其結晶度仍保持不變，故熱穩定性極高，可反復通過加熱來實現脫附再生，并保證較長的使用壽命。
3.2 沸石轉輪濃縮系統的原理及構成
沸石轉輪濃縮系統的關鍵部件是吸附輪（轉輪）, 轉輪由疏水性沸石吸附介質與陶瓷纖維加工成波紋狀膜片，再卷制形成蜂巢狀的圓筒形框架結構，其中部安裝有旋轉軸承。轉輪的機械結構上，裝有耐VOCs腐蝕、耐高溫的材料制成的氣體密封墊，將轉輪隔離成三個區域：吸附處理區、再生脫附區、冷卻區。
全套設備主要由以下部分組成：廢氣過濾器、沸石轉輪、排氣風機、RTO焚化系統、熱交換器、自動控制系統。
目前，*大型號的單只沸石轉輪，廢氣處理量可達到100000m3/h，能夠將廢氣中的VOCs濃度提高5～20倍。
3.3 沸石轉輪濃縮系統工藝流程
3.3.1 廢氣的除濕、過濾處理：
沸石轉輪在吸附濃縮過程中，待處理廢氣的相對濕度低于80%時，對VOCs的吸附率可達到90%以上，當廢氣濕度大于90%時，吸附效率則下降至80%左右。
目前，國內汽車涂裝噴漆室采取水旋處理的濕式噴房較多，其排出的廢氣，相對濕度超過90%，因此在廢氣進入沸石轉輪之前，需要進行加熱除濕。同時，由于廢氣中含有少量漆霧等顆粒雜質，需進行過濾處理，避免影響轉輪的吸附效率。
3.3.2 轉輪吸附濃縮VOCs與再生脫附：
過濾后的大流量的低濃度有機廢氣被送至轉輪吸附區，轉輪可根據廢氣處理量，以1～6轉/小時的速度持續緩慢旋轉。廢氣中含有的VOCs被截留吸附在轉輪上的沸石分子篩內部，凈化后的潔凈空氣則直接排放至大氣。轉輪持續旋轉吸附VOCs，逐漸趨向吸附飽和，當轉輪旋轉進入至脫附區時，脫附風機提供200℃左右的高溫熱空氣，穿過吸附飽和的轉輪區域，將其中吸附的VOCs脫附并帶走，轉輪從而恢復吸附能力。脫附后的轉輪進入冷卻區，經冷卻空氣吹掃，恢復至常溫，再次旋轉至吸附區 ，重新開始下一輪的工作。
3.3.3 有機廢氣凈化處理：
轉輪吸附的VOCs經脫附后，隨脫附熱空氣送往RTO進行凈化處理。由于，脫附熱空氣風量僅為5000～20000 m3/h，廢氣中的VOCs被濃縮了5～20倍，因此，需要*終處理的有機廢氣具備了濃度高、風量小、溫度高的特點，能夠與烘干室的廢氣合并后進入RTO集中處理，VOCs的凈化率可達到95%以上。RTO焚燒產生的一部風熱能可用于轉輪脫附空氣的加熱；末端排放的高溫煙氣可進行余熱回收，進一步做到節能、環保。
4 沸石濃縮轉輪系統技術特點：
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特別適用于處理大風量、低濃度的有機廢氣，凈化效率穩定、VOCs去除率達到90%以上。
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轉輪低壓損、無吸附損耗、對于高沸點的揮發性有機氣體，也能夠能有效處理。
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沸石轉輪由無機氧化物組成，具有不燃性，使用**。
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轉輪熱穩定性極高，反復通過加熱脫附來實現再生，理論使用壽命可達到10年左右。
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濃縮后進入RTO處理的廢氣風量小，故可以與烘房共享一套RTO設備，減少了設備投資，降低了RTO運行能耗。
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沸石轉輪可適應較高濕度的有機廢氣吸附，對于濕式噴漆室廢氣處理，可減少除濕的設備投資及運行能耗。
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可采取單只或多只轉輪并聯組合的方式，以適應不同風量的廢氣處理。
5 結束語
目前，國內的北京奔馳、沈陽寶馬、大眾寧波、廣汽日產、北汽增城等涂裝項目均開始使用沸石濃縮轉輪系統對噴漆室廢氣進行處理，通過使用的信息反饋，均達到了設計要求。北汽鎮江、南京依維柯橋林、北汽昌河等新建涂裝項目，也規劃投入該設備。國內部分設備制造企業，也開始具備了沸石濃縮轉輪系統設備的設計、安裝能力。
隨著國家對大氣污染防治的要求越來越嚴格，汽車涂裝VOCs排放限值必然將逐年下調，對于涂裝噴漆室廢氣排放的治理迫在眉睫。沸石濃縮轉輪技術，是現有技術條件下，處理大風量、低濃度、高濕度有機廢氣的*佳選擇，在汽車涂裝廢氣治理中的應用將會越來越廣泛。