噴漆室及廢氣治理規(guī)劃的系統(tǒng)化思考

自2014年來，北京、上海、江蘇等地響應(yīng)國家號召，陸續(xù)發(fā)布了史上最嚴(yán)的汽車制造業(yè)大氣污染物排放地方標(biāo)準(zhǔn)，其中將關(guān)鍵排放指標(biāo)——非甲烷總烴排放濃度限值，從原先執(zhí)行了十多年的《GB 16297—2004 大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的150 mg/m3驟降至20~30 mg/m3，標(biāo)志著汽車制造業(yè)正式開始環(huán)保轉(zhuǎn)型。

  在法規(guī)陸續(xù)出臺并完善的這5年時間里，關(guān)于廢氣治理技術(shù)成為了汽車涂裝行業(yè)最熱點的話題，針對不同工況下的廢氣治理辦法也在不斷討論分析實踐中固化。然而在這一過程中，導(dǎo)致不同工況產(chǎn)生的源頭——生產(chǎn)設(shè)備，卻鮮有被提及。

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

1 、漆霧分離裝置的選擇

  一套完整的噴漆室系統(tǒng)通常由送排風(fēng)、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(guī)劃設(shè)計受到節(jié)拍、產(chǎn)品尺寸、噴涂形式等因素的影響，但主體結(jié)構(gòu)大同小異，對于噴漆室系統(tǒng)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(hù)運(yùn)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(yè)主流的噴漆室漆霧分離裝置，根據(jù)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干式兩大類。

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(yīng)用歷史悠久，目前仍是國內(nèi)最主流的漆霧分離形式之一，原因有以下幾點：

1）機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。濕式文丘里在循環(huán)水的動力提供方面采用了離心水泵，漆渣上浮后的刮渣環(huán)節(jié)采用了電機(jī)驅(qū)動的往復(fù)機(jī)構(gòu)，除此以外再無其他可動部件。穩(wěn)定可靠的機(jī)械結(jié)構(gòu)減輕了車間維修的壓力，同時也降低了車間運(yùn)維的難度。

2）制造難度低、技術(shù)門檻低。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(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)已經(jīng)普及，門檻降低的同時也降低了一次投資的規(guī)模。

3）分離效率相對穩(wěn)定。穩(wěn)定的機(jī)械結(jié)構(gòu)使得濕式文丘里漆霧分離裝置在運(yùn)行過程中的系統(tǒng)參數(shù)變化較小。通常只需要保證水量穩(wěn)定、淌水板潔凈，就可以維持初次投入時的分離效率。有關(guān)藥劑添加及水質(zhì)維持方面的工作一般由外包專業(yè)供應(yīng)商負(fù)責(zé)，幾乎不會影響到設(shè)備運(yùn)行。

    盡管濕式文丘里有以上諸多優(yōu)點，然而從整個噴漆室系統(tǒng)的角度來看，濕式原理導(dǎo)致的空氣濕度上升成了當(dāng)前車間選擇該形式的最大阻力。當(dāng)噴漆室系統(tǒng)采用循環(huán)風(fēng)時，選擇濕式文丘里會導(dǎo)致付出更多的循環(huán)風(fēng)除濕能耗，即使噴漆室系統(tǒng)不采用循環(huán)風(fēng)，較高的排風(fēng)濕度仍然會給后續(xù)沸石濃縮轉(zhuǎn)輪的治理增加難度。這也是近期行業(yè)內(nèi)都在尋求可靠的干式系統(tǒng)來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(tǒng)在德系供應(yīng)商提供的方案中被廣泛應(yīng)用，該系統(tǒng)除具備干式系統(tǒng)空氣狀態(tài)變化小的優(yōu)勢外，還提供了目前業(yè)內(nèi)最高的分離效率，在核心參數(shù)占據(jù)絕對優(yōu)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(tǒng)最為核心的濾芯目前仍然依賴進(jìn)口，且濾芯在使用過程中會有所損耗，一般整體更換周期為3 a，造成了一次投資的高昂費(fèi)用以及后續(xù)周期發(fā)生的更換費(fèi)用。所以通常用戶會搭配高比例的循環(huán)風(fēng)來使用石灰石系統(tǒng)，用極低的循環(huán)風(fēng)能耗來體現(xiàn)石灰石系統(tǒng)的精益性。

2）廢石灰處理問題。目前采用石灰石系統(tǒng)的所有車間都將廢石灰按固廢價格外包后處理。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，這個不確定項將嚴(yán)重影響該系統(tǒng)的可用性。

1.3 靜電漆霧捕集

靜電漆霧捕集系統(tǒng)在整體機(jī)電設(shè)計上較為復(fù)雜，通過靜電將漆霧吸附至電極板上，再通過清洗劑洗去電極板上的積漆，從最終的分離效果上來看能夠媲美石灰石系統(tǒng)，但是一次投資不占優(yōu)勢，且設(shè)備維護(hù)門檻較高，雖然是一項可用的優(yōu)秀技術(shù)，但在國內(nèi)的應(yīng)用案例比較少。

1.4 紙盒式漆霧捕集

紙盒式漆霧捕集系統(tǒng)近年來發(fā)展迅速，因為技術(shù)門檻較低，也造成了紙盒供應(yīng)商魚龍混雜，最終呈現(xiàn)的效果差異較大。目前使用該系統(tǒng)需要關(guān)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(shè)計合理性要求極高。首先流道設(shè)計需要產(chǎn)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后不產(chǎn)生塌縮導(dǎo)致過早地堵塞，最后還需要在合理的空間內(nèi)設(shè)計盡可能多的漆霧堆積位置來提升容漆量。同時結(jié)合以上三點設(shè)計的紙盒才能夠充分發(fā)揮出干式系統(tǒng)運(yùn)營成本低的特性。

2）紙盒后過濾的選擇。就紙盒原理及現(xiàn)有紙盒的實際表現(xiàn)來看，單純的折流離心碰撞仍然無法獨立承擔(dān)漆霧捕集的任務(wù)，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(dǎo)致漆霧透過量大，精度較高的過濾袋會導(dǎo)致濾袋堵塞快。結(jié)合紙盒本身效率來選擇搭配后續(xù)過濾是產(chǎn)線建成后需要持續(xù)摸索的關(guān)鍵。

3）更換周期及周期內(nèi)的變化。紙盒系統(tǒng)最早誕生針對的是離線修補(bǔ)等低產(chǎn)能、非連續(xù)生產(chǎn)的場合，采用紙盒系統(tǒng)可以減少設(shè)備占地，且濾材更換成本更低。在應(yīng)用到整車流水線后首要考慮的因素是如何在車間生產(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更換周期內(nèi)紙盒的阻力變化，如何設(shè)置更換周期對整個系統(tǒng)運(yùn)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，最終都將產(chǎn)生漆霧捕捉媒介與過噴漆霧的混合物，假設(shè)該混合物在收集后可以做到密閉保存、運(yùn)輸，那么最終混合物內(nèi)的VOC含量就是漆霧分離裝置對噴漆系統(tǒng)的VOCs減量。不同漆霧分離裝置對VOCs排放的影響見表2。

VOC在最終混合物中的殘留量取決于捕捉媒介在整個系統(tǒng)內(nèi)的滯留時間。

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(dāng)補(bǔ)液外，循環(huán)水整體置換頻次可長達(dá)1年甚至更久，這導(dǎo)致了油漆所含VOC幾乎都在噴漆室系統(tǒng)中充分揮發(fā)，濕式文丘里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后會在短時間內(nèi)通過管道將廢石灰收集至密閉容器內(nèi)，很大程度上限制了過噴漆霧在噴漆室系統(tǒng)內(nèi)的揮發(fā)。

靜電漆霧捕集系統(tǒng)在采用電極板吸附過噴漆霧顆粒后，為了使電極板保持清潔，滿足連續(xù)生產(chǎn)要求，會不斷使用清洗劑沖洗電極板表面，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(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(yùn)維壓力越大，但卻有助于減少揮發(fā)。

2 、原材料揮發(fā)情況

在實際規(guī)劃廢氣治理設(shè)備時，原材料的揮發(fā)情況雖然未被忽視，卻也幾乎沒有被準(zhǔn)確預(yù)估過。通常情況下一個新建車間在正式滿產(chǎn)前，規(guī)劃者并不清楚最終的排放值會是多少。通過油漆材料的MSDS信息可以大致了解VOC成分所占比重，但即使準(zhǔn)確測定了VOC在源頭的量，對于這些揮發(fā)性物質(zhì)會在什么場合以什么速度揮發(fā)卻依然無法明確。

例如業(yè)內(nèi)規(guī)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(shè)備和送風(fēng)參數(shù)不斷變化的現(xiàn)狀下，7∶3的經(jīng)驗比例卻幾乎沒做過任何修訂仍然作為規(guī)劃依據(jù)，這和缺少基礎(chǔ)學(xué)科的支撐和檢測儀器的支持有關(guān)。

為了明確油漆車間各工藝環(huán)節(jié)的實際排放情況，本文就國內(nèi)某工廠2C1B工藝全自動噴涂線的實際情況做了以下實測統(tǒng)計。

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

再對該車間所有廢氣排放口進(jìn)行實測，嘗試找出各排放口的VOC排放比例，結(jié)果見表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(dá)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(fēng)比例也更接近于6∶4，與業(yè)內(nèi)默認(rèn)的7∶3存在差異。

至此，我們完成了對全車間物料的統(tǒng)計及排口的測量，得到的原材料的揮發(fā)數(shù)據(jù)完整性較高，具備規(guī)劃參考意義。采用相同工藝的產(chǎn)線可以使用以上數(shù)據(jù)通過產(chǎn)能折算來類比使用，當(dāng)然前提是同樣采用濕式文丘里漆霧分離系統(tǒng)，對于干式漆霧捕集系統(tǒng)而言，最終排放值需要根據(jù)漆霧捕集媒介的實測VOC含量做扣除使用。

3、結(jié)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(guī)劃決策對于噴漆室結(jié)構(gòu)本身影響并不太大，在項目規(guī)劃階段通常會根據(jù)自動化比例、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，隨著油漆體系逐步轉(zhuǎn)型為水性漆，更高的溫濕度要求導(dǎo)致的空調(diào)能耗提升迫使業(yè)內(nèi)開始選擇更高的循環(huán)風(fēng)比例。

然而，循環(huán)風(fēng)比例對后續(xù)廢氣治理設(shè)備規(guī)劃的影響在噴漆室規(guī)劃過程中很少考慮。廢氣治理設(shè)備似乎總是在被動接受，當(dāng)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)線而言，噴漆室規(guī)劃應(yīng)當(dāng)在工藝允許的范圍內(nèi)，更多地思考如何去配合廢氣治理設(shè)備，以得到雙贏的結(jié)果。

我們繼續(xù)使用表3和表4得出的結(jié)論，假設(shè)采用2C1B工藝后單車VOC排放量為2.8 kg/h，而噴漆室排風(fēng)占總量的一半，達(dá)到單車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(jié)拍、風(fēng)量的關(guān)系見表5。

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

3.2 治理手段的對應(yīng)選擇

將排放濃度與30 mg/m3的排放指標(biāo)掛鉤后，可以得到不同工況下廢氣治理設(shè)備所需具備的治理效率，見表6。

由表6可見，當(dāng)產(chǎn)量較低、排風(fēng)量較大時（表6左下角區(qū)域），幾乎不需要治理排放也能達(dá)標(biāo)（治理效率要求0%）；當(dāng)產(chǎn)量較高、排風(fēng)量較小時（表6右上角區(qū)域），治理難度極大（治理效率要求＞95%）。

當(dāng)一個新建項目確定了產(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。在這些前提下，想要調(diào)整排風(fēng)量的大小，只能通過調(diào)整循環(huán)風(fēng)比例的方式來完成。循環(huán)風(fēng)比例設(shè)計得越高，廢氣濃度就越高，所需配套的治理設(shè)備效率就要越高。換言之，當(dāng)后續(xù)治理設(shè)備的效率無法提高時，就要通過循環(huán)風(fēng)比例的調(diào)整來適當(dāng)增加排風(fēng)量，換取較低的治理難度。

在整車制造涂裝行業(yè)內(nèi)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(shè)備核心為沸石濃縮轉(zhuǎn)輪和焚燒設(shè)備，焚燒設(shè)備可以選擇RTO或者TNV，不同的焚燒設(shè)備影響到整體系統(tǒng)配置、余熱利用等方面的設(shè)計，但對于治理效果來說區(qū)別不大?！皾饪s+燃燒”的治理手段因為存在轉(zhuǎn)輪吸附效率以及燃燒凈化效率的串聯(lián)，其系統(tǒng)整體治理效率會低于直接燃燒。沸石濃縮轉(zhuǎn)輪設(shè)備作為治理設(shè)備來說，存在運(yùn)行維護(hù)難度高、運(yùn)行效率不穩(wěn)定的特點。它對于入口廢氣的狀態(tài)有著嚴(yán)格的要求，溫度、濕度、濃度稍有偏離就會造成整體運(yùn)行效率的下降。漆霧顆粒引起的轉(zhuǎn)輪堵塞案例也在業(yè)內(nèi)廣泛出現(xiàn)，然而轉(zhuǎn)輪設(shè)備廠家卻極少對入口顆粒計數(shù)做明確量化規(guī)定。

相比較而言，直接燃燒治理的凈化效率及運(yùn)行穩(wěn)定性都遠(yuǎn)高于“濃縮+燃燒”治理。但是我們通常認(rèn)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(nèi)的使用情況來看，穩(wěn)定運(yùn)行的情況下“濃縮+燃燒”的治理效率可以達(dá)到93%（根據(jù)不同工況的計算結(jié)果會有差異，以廠家計算數(shù)為準(zhǔn)），而直接燃燒的治理效率則能達(dá)到99%以上。結(jié)合表6來看，當(dāng)所需治理效率低于93%時，我們可以使用“濃縮+轉(zhuǎn)輪”的方案，當(dāng)所需治理效率高于93%時，“濃縮+轉(zhuǎn)輪”方案會無法應(yīng)付高濃度的廢氣，采用直接燃燒治理會更為合理。并且當(dāng)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(diào)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(jié)語

行業(yè)環(huán)保近年來不斷頒布新規(guī)，更新舊規(guī)，排放相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格、精準(zhǔn)，同時對原材料的控制也在完善的過程中。幾乎所有人都認(rèn)為加強(qiáng)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(jié)果可以看到，假設(shè)企業(yè)在愿意承擔(dān)能耗費(fèi)用的情況下，刻意選擇大風(fēng)量全新風(fēng)的規(guī)劃理念，那么排放的濃度值將會急劇降低，對治理設(shè)備投入需求也隨之下降，但最終的結(jié)果卻是實際排放值的增加；假設(shè)企業(yè)希望盡可能減少能源浪費(fèi)，合理控制噴漆室排風(fēng)量，又會陷入排放濃度較高，治理后依然超標(biāo)的風(fēng)險，但是最終的排放總量卻會得到有效控制。為了在節(jié)能環(huán)保的道路上持續(xù)進(jìn)步，研究設(shè)備規(guī)劃對終端治理的影響，并規(guī)范與排放相關(guān)的生產(chǎn)設(shè)備規(guī)劃原則，才是目前最具挖掘空間的地方。