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布袋除尘+UV光催化+喷淋塔

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行业简介

为了贯彻落实国务院 《大气污染防治行动计划》,2015 年环保部制定并会同国家质检总局发布了 GB31570《石油炼制工业污染物排放标准》、GB 31571《石油化学工业污染物排放标准》、GB 31572 《合成树脂工业污染物排放标准》[1]等国家大气污染物排放标准。 到目前为止,已全部完成了“大气十条”要求制定的大气污染物特别排放限值的 25 个重点行业排放标准。新标准的出台给涂料生产企业提出了更高的环保要求,新建企业必须按新标准执行, 老企业应该抓紧生产设备和环保设备改造,因为 2017 年老企业也必须执行新标准。大力研发、生产和使用无溶剂涂料(UV 固化涂料、水性涂料、粉末涂料等)是解决涂料 VOCs 排放的根本途径,但是目前还不可能做到全部无溶剂化。生产企业必须重视生产过程中 VOCs 的挥发,采取有效措施,使生产尾气排放符合国家标准。

优化生产模式,有效治理废气

涂料生产包括涂料制造和涂料用树脂的合成,涉及工业窑炉、 化学反应装置、 制漆装置 3 类废气排放源,后者的工业废气难处理, 因为面广、量大、浓度低,是本文讨论的对象。涂料企业只有抛弃粗放式生产模式,采用新方案、新技术、新设备,实行精细管理才能使废气排放达标。具体就是要做到以下几点。

密闭生产

料企业现在正逐步实现密闭生产,但很不彻底。平盖式配料、调漆容器缝隙较大,敞开投料,溶剂易挥发; 砂磨机可以彻底封闭, 但经常与移动容器配套使用,移动容器成了 VOCs 的主要排放源;产品的人工灌装和容器的人工清洗,其溶剂的挥发不但污染环境,对工人的健康也造成很大威胁。

了实现密闭式生产,现在的配料、调漆容器都采用釜式结构,液体投料管道化,粉料通过料管与料仓或投粉装置连接,在微负压下加入,实现了现场 VOCs 的零排放。 给砂磨机、搅拌机配套的移动容器加盖,在盖上接抽气管道, 也可以实现现场的零排放; 或给搅拌机、篮式砂磨机等安装带抽气口的升降盖,可以达到同样的目的。在劳动力成本高昂、自动灌装技术(清洗、换 色)有了突破的今天,涂料灌装可以采用密闭式自动灌装机,其溶剂挥发问题也可以解决了。现在又有了自动清洗机(洗桶机),代替人工清洗移动容器,这样可以实现涂料生产全过程现场废气的零排放。

科学处理

实现密闭生产、尾气收集以后,废气的处理仍是一大难点。业主及管理者关心的是怎么处理,得花多少钱,本文在后面将进行详细阐述。

精细管理

众所周知,涂料生产废气流量大、浓度低,后处理很困难。 因此环保专家和工程设计人员十分强调废气的浓缩。在设计中力争良好密封,这样微微抽气就可以实现现场的零排放,并且后期的废气处理量也不大。但正因为如此设计建造, 新建项目投产后常出现一些要抽气的地方气抽不走,车间里气味呛人现象。问题多在于:(1)该关闭的不关闭,到处空抽;(2)设备维护跟不上,缝隙不堵,漏洞不补,也造成漏气。因此有人建议风管阀门与设备联动,容器盖与搅拌马达连锁等。方案虽好,但投资太大。 为什么不坚持精细管理呢? 要像杜绝长明灯、 长流水那样, 随时随地关闭无物料设备的抽风,有料设备在投料调节、检测取样时加大抽风,过后立即关小风量。活动软管容易破裂,要及时发现及时修补或更换。只有实现这样的精细管理,才能尽可能降低废气收集量又实现生产现场的零排放, 也降低后续的废气处理成本。

 

常用废气处理方法

对有机溶剂废气的处理方法有多种,但每种处理方法都有其适用性和局限性,因此有机废气处理工艺的选择,需要结合有机溶剂的物理化学特征。常见的处理工艺有两类:一类是破坏性方法,如燃烧法等主要用于处理无回收价值或有一定的毒性的气体;另一类是非破坏性的,即吸收法,吸附法、冷凝法,以及新发展的生物膜法、脉冲电晕法、臭氧分解法、等离子体分解法等。  

1.回收法

回收法有吸附-解吸-冷凝(冷冻)法、萃取(吸收)-分馏法。为了获得较为纯净的溶剂以便作为原料重复使用,有时还需要对回收的废溶剂进行提纯。但在涂料制造企业,因为废气中气态溶剂浓度太低,回收成本太高,所以一般都采用销毁法。

2.销毁法

简单有效的销毁法是焚烧法。 焚烧法的技术特性见表 1,其他处理技术特性见表 2。涂料制造企业废气量大,采用焚烧法来处理废气,设备将会很大,甚至要配置几套。通过吸附-脱吸,将大量低浓度的废气转换成少量高浓度废气, 既可以缩小焚烧装置的规模,又可以进一步降低燃料消耗。另外还有微波催化氧化法等。 在这些方法中等离子法、光催化氧化等方法还有一些问题没有解决,离实际应用还有一段时间。 吸附法和蓄热式焚烧法已经在涂料行业得到应用。单纯的吸附法不是涂料行业的最佳选择,但目前使用最广泛, 因为简单有效费用低, 容易通过环保审查。 其实这是权宜之计,吸附剂很快就饱和了,不及时更换吸附剂环保设备形同虚设, 及时更换费用太大, 因此企业对于吸附剂的更换能拖则拖,有应付审查之嫌。 相信在政府的严格管控下企业将不得不花更多的钱及时更换吸附剂,这将促使企业采用更好的废气处理方案。

 

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涂料生产废气处理技术

以上介绍的废气处理技术各有利弊,单独一种技术往往不能完美解决涂料生产尾气。 吸附法简单,投资低, 但吸附剂更换或再生费用大。 焚烧法处理彻底,但面对低浓度大风量尾气,要消大量耗燃料。 下面系统地介绍了在涂料制造行业具有推广前景的废气处理技术。

1.沸石转轮浓缩+焚烧技术

近期沸石转轮技术成为了热点, 该技术其实就是通过吸附、 脱吸把原来低浓度大风量的尾气转变为高浓度小风量的废气, 然后通过蓄热焚烧销毁 VOCs,不需要外加燃料或仅需少量燃料, 产生的热量还可以用于脱吸过程,原理见图 1。此技术之所以成为热点,一是它的集成化,一个转轮同时完成吸附、脱吸、冷却几个过程;二是用改性沸石制成的专用填料(型材)代替容易自燃的活性炭。 小型装置可以将焚烧器集成在一个底座上进行吊装,安装十分方便。但转轮技术也有不足是处: 转轮 3 个工作域的切分并不彻底,有串气现象;沸石吸附介质的利用率不高(见图 3),填料吸附不能全部达到饱和,否则尾气排放就会超标;转轮动密封性成问题(所以只能在负压状态下工作);尾气处理前必须严格过滤除尘,否则会堵塞吸附介质;大流量处理装置的转轮体积庞大等。如图 3 所示,废气从转轮的一边进,另一边出,当进口处沸石吸附饱和而出口处沸石尚未吸附饱和时就要中止吸附进入脱吸过程, 否则出口尾气 VOCs 将超标。 受设备重量和尺寸的限制,转轮厚度有限,所以沸石的利用率有限。

 

2.沸石流动床浓缩+焚烧技术

流动床技术可以让每一粒填料吸附有机物都达到饱和,然后再进入脱吸过程;流动床设备固定不动,不存在设备动密封问题;沸石颗粒是流动的,流动会发生轻微摩擦,以除去表面粘附的粉尘,所以尾气处理前不需要过滤除尘;流动床床高只有 0.8~1.5 m,但面积可以做得任意大,以满足任意流量的尾气处理;流动床横截面可以因地制宜做成任意形状:圆型、方型、长方型。

对于处理大流量废气的流动床, 关键技术是吸附介质颗粒流动过程的均匀分布和均匀落料, 要确保十几平方米甚至上百平方米流动床的床底平面和床顶平面绝对平行(气流阻力均等)、高度恒定,而且不依赖动 力机械(动力机械使颗粒摩擦过渡,损耗增加),粒子纯属自由流动。 其工作原理见图 4。

有些涂料涂装大企业, 每天释放溶剂几百公斤甚至更多, 有回收价值, 可以用冷凝回收装置代替焚烧炉,经济效益可观。为了节能,应注意制冷冷量的回收。 可以用热氮气脱吸代替热空气脱吸 (这样更安全),或代替水蒸气脱吸(可省去油水分离和废水处理),大部分氮气是循环使用的,只要补充小部分。同样要注意热氮气热量的回收。

再生后的吸附剂颗粒可以采用气流输送到吸附塔中去,也可以采用提升机输送。前者的气流最终经旋风分离后还有少量粉尘排放, 后者通过振动筛可分离收集全部的粉尘和到达寿命终点的吸附剂颗粒 (其特征是粒径变小)。

 

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图 1 沸石转轮工艺流程图

 

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图 2 沸石转轮(左)和蓄热焚烧炉(右)

 

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图 3 沸石转轮工作状态

 

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图 4 流动床浓缩技术

 

3.生物法处理技术

生物法早期应用于饲料加工、 牲畜粪便处理和生活污水处理的尾气脱臭。 随着对生物法处理技术研究的不断深入,生物法被逐步应用于其他工业领域。 生物法处理工业废气具有运行费用低、 无二次污染等优点。生物法对有机物的降解速度较慢, 所以设备体积较大。生物菌种对有机物的生化降解具有很强的专一性,只有适合生物降解的有机物才可以使用生物法进行净化,好在制漆行业挥发的不同溶剂现在都有适合的菌种。这些菌种一般来自化工厂下水道污泥中,这种污泥经过一段时间的驯养(吸附于载体,置于化工废气的氛围中,调节温湿度和 pH 值,给予必要的营养),有益菌种 得到繁衍壮大。微生物处理技术在运用中必须很好地保持生化环境,确保菌种生命力旺盛,不要衰落。一旦衰败,重新建立一个生态系统是一件麻烦的事情。 根据处理运行方式不同, 生物处理工艺主要分为生物过滤床、生物洗涤床和生物滴滤床、曝气池等形式。生物过滤床是一种在地上或地下建造的池子,在其中填入含有微生物、 能吸附水分、 营养元素的填料(通常是植物茎干的腐败物)。 当经过除尘加湿的废气进入过滤床通过生物填料层时, 填料层中的微生物将有机物捕获并消化降解。生物过滤床可以做得很大(如羽毛球场那么大,甚至更大),为了不浪费土地,可以在 上面种草绿化。 为保持床体的湿润,应提供间隙喷淋。

 

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图 5 生物过滤床

 

生物洗涤床通常由 1 个洗涤塔和 1 个再生池组成,在洗涤塔中,循环液通过喷淋形式将废气中的污染物和氧气转入液相,实现质的传递[5]。 吸收了有机物的洗涤液流入再生池, 在那里有足够的滞留时间和合适的生化环境让液相中的微生物分解所吸收的有机物。 生物滴滤床有点类似生物过滤床,不同的是:(1)滴滤床不采用植物茎干的腐败物做填料, 而是采用人造填料;(2) 时刻保持对床体的喷淋。 滴滤床的人造填料表面或多空填料的孔洞中附着有微生物, 废气由床底部进入,回流液从上部喷淋而下,气态有机物溶解于水中,并被附着于填料的微生物吸收分解。当尾气中的有机物喂不饱微生物或营养不够全面时, 应在回流液中补充营养物质,并且节假日不能停止喷淋,以防止微生物干涸死亡。

曝气池的结构和配套设施类似于废水处理的曝气池,池液中有活性污泥,活性污泥中含有降解有机物的微生物。废气鼓泡穿越池液时,VOCs 溶解于池液,并被微生物降解。 废气不需要除尘加湿, 池液要调整 pH 值、污泥浓度,必要时要补充营养。 值得大力提倡的是: 将废水处理和废气处理合二为一,这对于大型涂料制造企业特别适合。因为废水处理系统包含了曝气法处理废气所需的一整套设施—高压风机、曝气池(好氧池)、沉淀池、清水池、排污池、气浮池、压滤机、污泥泵等。所不同的是,仅需将曝气池的尺寸和结构略作修改,增加风机数量,改并联鼓新鲜空气为串联鼓废气。 处理废水有机物的微生物正好能够处理废气中的 VOCs。

1.低温等离子体技术[5]和光降解技术

这是 2 种采用不同的激励方法同样得到高活性的粒子, 再通过高活性粒子之间的化学反应使有害物质转化为无害物的方法。一种是通过高压放电,一种是通过紫外光照射(辅以催化技术,如纳米 TiO2 催化), 也可以将这 2 种方法结合在一起。 产生的高活性粒子是氧、水、气态有机物的离子、自由基、裂解物等,尤其是活性氧原子、氧离子、氧自由基、氢氧自由基,据说它们具有类似 1 300 ℃火焰的氧化能力, 能有效地降解VOCs。

低温等离子体技术和光降解技术处理废气的优势包括:(1)废气通道几乎没有阻力, 系统的动力消耗非常低;(2)装置为模块结构,容易安装和维修;(3)装置可以随时开启与关闭,灵活机动;(4)装置小巧;(5)无需除尘除水。由于目前激励效率比较低, 废气净化率<70%,因而限制了它的实际应用。 相信通过人们的努力会不断改进。

 

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图 6 生物洗涤塔

 

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图 7 生物曝气池

 

几种主要废气治理技术投资及运转费用比较

表 3 为废气处理的设备投入及平时的运行费用情况(个案值仅供参考,市场运作的实际结果变化极大)。不同浓度的废气采用不同的处理方式, 其综合费用比例见图 8。图 8 没有考虑处理量,图 9 给出了不同处理量、不同浓度比较合适的处理方法。 其中,“转轮浓缩+”表示时,涂料管道需要 15 m 左右,为保障喷涂质量及减少清洗距离,将混合模块移至离喷枪 3 m 处,A、B 组分在混合模块处混合,缩短了混合距离,提高了喷涂质量, 减少了清洗工作量;清洗装置:外接了清洗装置,若发生意外,喷涂间隔时间超过试用期或者中午休息时间均可用此清洗装置清洗混合模块至喷枪处的混合部分。

 

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图 4 双组分无气喷涂设备图

 

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图 8 不同方法处理不同浓度废气的相对成本

 

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图 9 各种处理方法的适用范围

 

转轮浓缩技术后面可以加焚烧、可以加冷凝回收、可以加冷冻回收,+焚烧主要用在涂料制造业,+回收主要用在溶剂挥发量特别大的企业。 “转轮浓缩+” 也可以用“流动床浓缩+”代替。

 

喷涂过程及喷涂效果

(1)可喷涂, 雾化效果可通过泵压力及气压力调节;(2)喷涂泵压力 5 MPa、气压力 4 MPa,喷嘴口径 0.6 ( 相当于 0.3 mm);(3) 涂膜外观较好, 基本能满足工程机械涂层外观。

 

结语

环保型涂料是目前工程机械用涂料的发展方向, 聚天门冬氨酸酯涂料以其“ 低 VOC、低能耗、低成本” 的优势作为超高固体分环保涂料的一种试用于工程机械领域,实验表明,在合适的涂料配方、改进的施工工艺及优化的涂装设备下,聚天门冬氨酸酯涂料可满足工程机械用涂料及涂装的要求。

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