噴漆室及廢氣治理規劃的系統化思考

自2014年來(lái)，北京、上海、江蘇等地響應國家號召，陸續發(fā)布了史上最嚴的汽車(chē)制造業(yè)大氣污染物排放地方標準，其中將關(guān)鍵排放指標——非甲烷總烴排放濃度限值，從原先執行了十多年的《GB 16297—2004 大氣污染物排放標準》中規定的150 mg/m3驟降至20~30 mg/m3，標志著(zhù)汽車(chē)制造業(yè)正式開(kāi)始環(huán)保轉型。

  在法規陸續出臺并完善的這5年時(shí)間里，關(guān)于廢氣治理技術(shù)成為了汽車(chē)涂裝行業(yè)最熱點(diǎn)的話(huà)題，針對不同工況下的廢氣治理辦法也在不斷討論分析實(shí)踐中固化。然而在這一過(guò)程中，導致不同工況產(chǎn)生的源頭——生產(chǎn)設備，卻鮮有被提及。

本文以噴漆室為例，將生產(chǎn)設備與后續治理建立關(guān)聯(lián)，并給出規劃指引。

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(fēng)、動(dòng)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、產(chǎn)品尺寸、噴涂形式等因素的影響，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(huì )對一次投資、維護運營(yíng)、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(chē)制造業(yè)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(jiǎn)單分為濕式和干式兩大類(lèi)。

1.1 濕式文丘里

濕式文丘里用于漆霧分離在涂裝行業(yè)的應用歷史悠久，目前仍是國內最主流的漆霧分離形式之一，原因有以下幾點(diǎn)：

1）機械結構穩定可靠。濕式文丘里在循環(huán)水的動(dòng)力提供方面采用了離心水泵，漆渣上浮后的刮渣環(huán)節采用了電機驅動(dòng)的往復機構，除此以外再無(wú)其他可動(dòng)部件。穩定可靠的機械結構減輕了車(chē)間維修的壓力，同時(shí)也降低了車(chē)間運維的難度。

2）制造難度低、技術(shù)門(mén)檻低。作為目前主流形式中歷史最悠久的一種，其技術(shù)核心及結構細節已經(jīng)普及，門(mén)檻降低的同時(shí)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里漆霧分離裝置在運行過(guò)程中的系統參數變化較小。通常只需要保證水量穩定、淌水板潔凈，就可以維持初次投入時(shí)的分離效率。有關(guān)藥劑添加及水質(zhì)維持方面的工作一般由外包專(zhuān)業(yè)供應商負責，幾乎不會(huì )影響到設備運行。

    盡管濕式文丘里有以上諸多優(yōu)點(diǎn)，然而從整個(gè)噴漆室系統的角度來(lái)看，濕式原理導致的空氣濕度上升成了當前車(chē)間選擇該形式的最大阻力。當噴漆室系統采用循環(huán)風(fēng)時(shí)，選擇濕式文丘里會(huì )導致付出更多的循環(huán)風(fēng)除濕能耗，即使噴漆室系統不采用循環(huán)風(fēng)，較高的排風(fēng)濕度仍然會(huì )給后續沸石濃縮轉輪的治理增加難度。這也是近期行業(yè)內都在尋求可靠的干式系統來(lái)取代濕式文丘里的最重要原因。

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，該系統除具備干式系統空氣狀態(tài)變化小的優(yōu)勢外，還提供了目前業(yè)內最高的分離效率，在核心參數占據絕對優(yōu)勢的情況下，阻礙用戶(hù)選用的主要原因集中在以下兩點(diǎn)：

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(lài)進(jìn)口，且濾芯在使用過(guò)程中會(huì )有所損耗，一般整體更換周期為3 a，造成了一次投資的高昂費用以及后續周期發(fā)生的更換費用。所以通常用戶(hù)會(huì )搭配高比例的循環(huán)風(fēng)來(lái)使用石灰石系統，用極低的循環(huán)風(fēng)能耗來(lái)體現石灰石系統的精益性。

2）廢石灰處理問(wèn)題。目前采用石灰石系統的所有車(chē)間都將廢石灰按固廢價(jià)格外包后處理。然而，廢石灰中含有漆霧顆粒、VOC、金屬粉末等成分，這些物質(zhì)是否會(huì )使廢石灰在日益收緊的環(huán)保政策下重新定義為危廢，這個(gè)不確定項將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復雜，通過(guò)靜電將漆霧吸附至電極板上，再通過(guò)清洗劑洗去電極板上的積漆，從最終的分離效果上來(lái)看能夠媲美石灰石系統，但是一次投資不占優(yōu)勢，且設備維護門(mén)檻較高，雖然是一項可用的優(yōu)秀技術(shù)，但在國內的應用案例比較少。

1.4 紙盒式漆霧捕集

紙盒式漆霧捕集系統近年來(lái)發(fā)展迅速，因為技術(shù)門(mén)檻較低，也造成了紙盒供應商魚(yú)龍混雜，最終呈現的效果差異較大。目前使用該系統需要關(guān)注的要點(diǎn)如下：

1）核心紙盒的選擇。紙盒過(guò)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。首先流道設計需要產(chǎn)生足夠的折流以滿(mǎn)足碰撞需求，其次還需要保證流道在捕集漆霧后不產(chǎn)生塌縮導致過(guò)早地堵塞，最后還需要在合理的空間內設計盡可能多的漆霧堆積位置來(lái)提升容漆量。同時(shí)結合以上三點(diǎn)設計的紙盒才能夠充分發(fā)揮出干式系統運營(yíng)成本低的特性。

2）紙盒后過(guò)濾的選擇。就紙盒原理及現有紙盒的實(shí)際表現來(lái)看，單純的折流離心碰撞仍然無(wú)法獨立承擔漆霧捕集的任務(wù)，最終的漆霧捕集依然要借助過(guò)濾袋完成。精度較低的過(guò)濾袋會(huì )導致漆霧透過(guò)量大，精度較高的過(guò)濾袋會(huì )導致濾袋堵塞快。結合紙盒本身效率來(lái)選擇搭配后續過(guò)濾是產(chǎn)線(xiàn)建成后需要持續摸索的關(guān)鍵。

3）更換周期及周期內的變化。紙盒系統最早誕生針對的是離線(xiàn)修補等低產(chǎn)能、非連續生產(chǎn)的場(chǎng)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(chē)流水線(xiàn)后首要考慮的因素是如何在車(chē)間生產(chǎn)的狀態(tài)下進(jìn)行紙盒更換，且對噴漆室風(fēng)平衡不產(chǎn)生影響，其次還要考慮在一個(gè)更換周期內紙盒的阻力變化，如何設置更換周期對整個(gè)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(wú)論選用哪種形式的漆霧分離裝置，最終都將產(chǎn)生漆霧捕捉媒介與過(guò)噴漆霧的混合物，假設該混合物在收集后可以做到密閉保存、運輸，那么最終混合物內的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(jiàn)表2。

VOC在最終混合物中的殘留量取決于捕捉媒介在整個(gè)系統內的滯留時(shí)間。

濕式文丘里的循環(huán)水更換頻次很低，除了少量的蒸發(fā)、漆渣攜帶造成的適當補液外，循環(huán)水整體置換頻次可長(cháng)達1年甚至更久，這導致了油漆所含VOC幾乎都在噴漆室系統中充分揮發(fā)，濕式文丘里對廢氣減排幾乎沒(méi)有作用。

石灰石漆霧捕集裝置在使用石灰粉捕捉漆霧顆粒后會(huì )在短時(shí)間內通過(guò)管道將廢石灰收集至密閉容器內，很大程度上限制了過(guò)噴漆霧在噴漆室系統內的揮發(fā)。

靜電漆霧捕集系統在采用電極板吸附過(guò)噴漆霧顆粒后，為了使電極板保持清潔，滿(mǎn)足連續生產(chǎn)要求，會(huì )不斷使用清洗劑沖洗電極板表面，在這個(gè)過(guò)程中過(guò)噴漆霧會(huì )被收集至密閉罐體中，也能限制過(guò)噴漆霧的揮發(fā)。

紙盒式漆霧捕集裝置受到產(chǎn)能、噴涂量以及紙盒本身容漆量的影響，紙盒更換周期從3 d至7 d不等，更換頻次越高對生產(chǎn)運維壓力越大，但卻有助于減少揮發(fā)。

2 、原材料揮發(fā)情況

在實(shí)際規劃廢氣治理設備時(shí)，原材料的揮發(fā)情況雖然未被忽視，卻也幾乎沒(méi)有被準確預估過(guò)。通常情況下一個(gè)新建車(chē)間在正式滿(mǎn)產(chǎn)前，規劃者并不清楚最終的排放值會(huì )是多少。通過(guò)油漆材料的MSDS信息可以大致了解VOC成分所占比重，但即使準確測定了VOC在源頭的量，對于這些揮發(fā)性物質(zhì)會(huì )在什么場(chǎng)合以什么速度揮發(fā)卻依然無(wú)法明確。

例如業(yè)內規劃計算階段常常提到的定理：噴房揮發(fā)與烘房揮發(fā)的比例為7∶3。然而這是正確的嗎？色漆先于清漆完成噴涂對揮發(fā)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、噴涂設備和送風(fēng)參數不斷變化的現狀下，7∶3的經(jīng)驗比例卻幾乎沒(méi)做過(guò)任何修訂仍然作為規劃依據，這和缺少基礎學(xué)科的支撐和檢測儀器的支持有關(guān)。

為了明確油漆車(chē)間各工藝環(huán)節的實(shí)際排放情況，本文就國內某工廠(chǎng)2C1B工藝全自動(dòng)噴涂線(xiàn)的實(shí)際情況做了以下實(shí)測統計。

表3統計了該車(chē)間內所有含VOC原料的單車(chē)耗量，以及所有委外廢棄物、非生產(chǎn)排放物的VOC含量，最終得到正常滿(mǎn)產(chǎn)期間單車(chē)VOC排放量約為2.8 kg/h。該車(chē)間滿(mǎn)產(chǎn)節拍為40臺/h，合計總排放速率為112 kg/h。

再對該車(chē)間所有廢氣排放口進(jìn)行實(shí)測，嘗試找出各排放口的VOC排放比例，結果見(jiàn)表4。

由表4可知，色漆排風(fēng)、清漆+閃干排風(fēng)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(chē)間排放總值的一半，與面漆烘房的排風(fēng)比例也更接近于6∶4，與業(yè)內默認的7∶3存在差異。

至此，我們完成了對全車(chē)間物料的統計及排口的測量，得到的原材料的揮發(fā)數據完整性較高，具備規劃參考意義。采用相同工藝的產(chǎn)線(xiàn)可以使用以上數據通過(guò)產(chǎn)能折算來(lái)類(lèi)比使用，當然前提是同樣采用濕式文丘里漆霧分離系統，對于干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(shí)測VOC含量做扣除使用。

3、結合循環(huán)風(fēng)選擇合適的治理手段

3.1 循環(huán)風(fēng)與排放濃度的關(guān)系

噴漆室是否采用循環(huán)風(fēng)以及循環(huán)風(fēng)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(huì )根據自動(dòng)化比例、供風(fēng)需求、能源消耗、濾材消耗等因素綜合考慮后決定。近年來(lái)，隨著(zhù)油漆體系逐步轉型為水性漆，更高的溫濕度要求導致的空調能耗提升迫使業(yè)內開(kāi)始選擇更高的循環(huán)風(fēng)比例。

然而，循環(huán)風(fēng)比例對后續廢氣治理設備規劃的影響在噴漆室規劃過(guò)程中很少考慮。廢氣治理設備似乎總是在被動(dòng)接受，當然這也和早期廢氣治理項目大多為改造項目相關(guān)，就新建產(chǎn)線(xiàn)而言，噴漆室規劃應當在工藝允許的范圍內，更多地思考如何去配合廢氣治理設備，以得到雙贏(yíng)的結果。

我們繼續使用表3和表4得出的結論，假設采用2C1B工藝后單車(chē)VOC排放量為2.8 kg/h，而噴漆室排風(fēng)占總量的一半，達到單車(chē)1.4 kg/h。配合產(chǎn)能信息及噴漆室排風(fēng)量，噴漆室排放濃度與節拍、風(fēng)量的關(guān)系見(jiàn)表5。

由表5可知，最終噴漆室排廢氣的濃度與生產(chǎn)節拍成正比，與噴漆室排風(fēng)量成反比。

3.2 治理手段的對應選擇

將排放濃度與30 mg/m3的排放指標掛鉤后，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(jiàn)表6。

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

當一個(gè)新建項目確定了產(chǎn)品尺寸、最大產(chǎn)能以及噴涂形式后，噴漆室布局也基本確定，通過(guò)沉降風(fēng)速與投影面積的乘積得到的總送風(fēng)量也就確定了下來(lái)。在這些前提下，想要調整排風(fēng)量的大小，只能通過(guò)調整循環(huán)風(fēng)比例的方式來(lái)完成。循環(huán)風(fēng)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，當后續治理設備的效率無(wú)法提高時(shí)，就要通過(guò)循環(huán)風(fēng)比例的調整來(lái)適當增加排風(fēng)量，換取較低的治理難度。

在整車(chē)制造涂裝行業(yè)內被證明最為適用的治理手段有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、余熱利用等方面的設計，但對于治理效果來(lái)說(shuō)區別不大?！皾饪s+燃燒”的治理手段因為存在轉輪吸附效率以及燃燒凈化效率的串聯(lián)，其系統整體治理效率會(huì )低于直接燃燒。沸石濃縮轉輪設備作為治理設備來(lái)說(shuō)，存在運行維護難度高、運行效率不穩定的特點(diǎn)。它對于入口廢氣的狀態(tài)有著(zhù)嚴格的要求，溫度、濕度、濃度稍有偏離就會(huì )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(yè)內廣泛出現，然而轉輪設備廠(chǎng)家卻極少對入口顆粒計數做明確量化規定。

相比較而言，直接燃燒治理的凈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(fēng)具有大風(fēng)量低濃度的特征，所以采用直接燃燒會(huì )消耗大量的天然氣，通常僅用在烘干室廢氣的治理上。

就目前業(yè)內的使用情況來(lái)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(huì )有差異，以廠(chǎng)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(lái)看，當所需治理效率低于93%時(shí)，我們可以使用“濃縮+轉輪”的方案，當所需治理效率高于93%時(shí)，“濃縮+轉輪”方案會(huì )無(wú)法應付高濃度的廢氣，采用直接燃燒治理會(huì )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(huán)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(huán)保方案。

4 、結語(yǔ)

行業(yè)環(huán)保近年來(lái)不斷頒布新規，更新舊規，排放相關(guān)的標準越來(lái)越嚴格、精準，同時(shí)對原材料的控制也在完善的過(guò)程中。幾乎所有人都認為加強治理、控制源頭是行業(yè)環(huán)保發(fā)展的兩條路徑，然而從表6的結果可以看到，假設企業(yè)在愿意承擔能耗費用的情況下，刻意選擇大風(fēng)量全新風(fēng)的規劃理念，那么排放的濃度值將會(huì )急劇降低，對治理設備投入需求也隨之下降，但最終的結果卻是實(shí)際排放值的增加；假設企業(yè)希望盡可能減少能源浪費，合理控制噴漆室排風(fēng)量，又會(huì )陷入排放濃度較高，治理后依然超標的風(fēng)險，但是最終的排放總量卻會(huì )得到有效控制。為了在節能環(huán)保的道路上持續進(jìn)步，研究設備規劃對終端治理的影響，并規范與排放相關(guān)的生產(chǎn)設備規劃原則，才是目前最具挖掘空間的地方。