铁路车辆及部件喷漆房环保设施现状分析

杜雅兰

(中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京 100081)

1 概述

铁路车辆作为现代化时代的主要交通运输工具正在迅速发展。车辆在制造、维修和保养过程中，喷漆工艺是重要的工作环节之一。特别是铁路车辆在运行一定距离后，按照检修规程进行不同等级的维修保养，精度等级要求较高。我国铁路车辆的制造、维修过程中的喷漆工艺，主要有自动喷漆和手工喷漆两种。其中自动喷漆按工艺要求选用Ω型静电自动喷漆和普通往复自动喷漆等，小部件的喷漆通常与悬挂输送线相结合，实现自动喷涂的目的;而手工喷涂以分散的作业点为主，主要是对工件形状不规则或自动喷涂设备喷不到的局部进行手工补漆或喷涂。喷涂过程中，漆雾和有机废气四处弥漫，若不设计选用相应的通风净化设施，不仅影响车辆(或工件)的喷涂质量，而且还直接危害操作人员的身体健康，对周围环境造成污染。因此，设计选用合理的通风净化设备是非常必要的。

近年来，我国铁路车辆不同作业点的喷漆房，多数设计选用了封闭式喷漆室的形式进行漆雾及有机废气的治理，没有按喷漆工件的大小、工艺流程特点及喷漆精度要求进行设计，在使用时往往因为过滤部分堵塞使净化系统能耗过大、气流组织方式不合理、排污量大、维修更换不方便等原因而少用或停用。因此，应结合铁路喷漆工艺特点，设计合理的气流组织，制造出投资少、运行成本低的喷漆环保设备。

2 喷漆设备的功能

喷漆设备是一种多功能的专用设备，不仅要满足不同喷漆工艺要求，保证喷漆质量，还应该具备保护作业人员身体健康、减少环境污染的基本条件，达到国家卫生学标准和环保排放标准的要求。因此，喷漆设备的主要组成部分有:能够有效达到合理的气流组织方式的室体、送排风净化系统、烘干加热系统、漆雾净化系统、有机废气净化系统和控制系统等。

2.1 喷漆工艺基本流程

工艺基本流程:待喷涂车体(部件)→移车台(悬挂线)牵引车体→喷漆库→启动电控设备(喷漆程序)→喷漆→喷涂结束→启动烘干程序→人员撤出→烘干结束→启动强冷程序→强冷程序结束→移车牵引车体出库。

车辆及部件的喷漆工艺基本流程，通常按照工艺、生产节拍、作业场地的要求，自行设计删减、增加部分环节。

2.2 喷漆设施基本功能

2.2.1 室体(房体)

铁路车辆及部件的喷漆工艺，按工艺流程及生产节拍的要求，设计不同功能的流水线，同时配备不同形式和规模的环保净化设施。多数选用的是封闭式喷漆室的形式进行漆雾及有机废气的治理，只有少部分喷漆作业点选用半封闭式室体的形式进行废气的治理。

封闭式喷漆室室体采用拼装方式组成，主体材料为复合保温板，中间填充不燃的岩棉材料，具有良好的密闭性、保温性和抗冲击性。室体主要由静压箱、导流板、过滤棉、安全门、照明装置、下部的排风沟、地板格栅等组成。室体将内部结构全部密闭，实现室外空气的初效过滤、均匀送风、照明等功能，能够有效达到合理的气流组织，防止漆雾及废气外泄而影响环境。主要适用于整体车辆、底架、转向架等大部件的喷涂和烘干作业。

半封闭喷漆室室体通常由固定结构或固定结构与伸缩前室相结合，利用自然补风的气流组织方式形成风洞效应，有效控制漆雾和废气的散逸。主要适用于如杆件、弹簧、基础制动装置、排石器、撒砂装置、轮缘润滑检修线、裙板、构架等小部件的喷涂和烘干作业，使用行车吊挂件灵活方便，减轻操作人员搬运负荷。

2.2.2 送风净化系统

送风净化系统主要设备有循环送风机、初效过滤棉、顶棚过滤棉、加热器(燃气燃烧器、电加热器、蒸汽加热)、高效换热器、送风管道等。其功能是将进入喷漆房的空气经过预处理，除去飘尘，使新风均匀的向下流动，室内残留漆雾、溶剂全部经地板格栅流向下层过滤棉或集水槽、吸附装置后排出。

送风净化系统的新风空气过滤为II级过滤，初效过滤(进风口过滤)及顶部中效过滤。初效过滤应能有效地捕捉直径大于10 μm的尘粒，风压在18～250 Pa之间;顶部过滤棉应能有效地捕捉直径大于5 μm的尘粒，风压在27～400 Pa之间;整个过滤系统过滤效率可达98%以上。

2.2.3 烘干加热系统

烘干加热系统是结合喷漆工艺要求进行设计的。加热方式有燃气(油)加热、电加热、蒸汽加热、电加热+蒸汽加热混合等方式。主要设备有加热器、热交换器、自动或手动控制阀类。主要功能是将加热的空气在风机的推动下，送至室体顶部静压室，进行风量分配以层流方式自上而下流动，流经车体(部件)表面，对喷漆后的车体(部件)进行烘干加热。为节省能耗，大部分热空气在风机的牵引作用下，又被送入循环加热系统内继续加热利用，使房内温度逐步升高，当室内温度升到指定值时，加热装置自动停止，室内处于保温状态;当室内温度低于设定温度加热装置自动开启继续加热，达到节能目的。

2.2.4 排风净化系统

喷漆室排风净化系统包括排风装置、溢风装置、漆雾治理系统和废气净化系统。主要设备有排风机、排风管道及支架、避雷装置、控制阀门、防爆轴流风机、漆雾净化装置和废气净化装置等。

2.2.4.1 排风系统

排风系统的排风机组通常选用低噪音空调风机和防爆电机，箱体具有隔声降噪措施，降低噪声的二次污染。排风管道及烟囱采用镀锌钢板制作，角钢法兰联接，烟囱标高按高出地面15 m设计，满足《大气污染物综合排放标准》标准的要求。

2.2.4.2 漆雾净化系统

漆雾净化方式有干式和湿式两种，结合生产节拍、工艺特点等因素进行设计选型。现有铁路车辆及部件喷漆工艺的漆雾净化系统多数采用干式净化;小部件、喷漆量少或补漆工位有少部分选用湿式净化方式。

干式漆雾净化法也称为吸附阻档法，主要由漆雾过滤棉、均风板两大部分组成，采用单元模块组合形式，布置在地沟格栅底部，与排风机组构成一个系统。在排风地沟的格栅板下面铺设过滤棉，以增加过滤面积。过滤棉固定在钢丝网上，钢丝网固定在骨架上，安全牢固，漆雾经过滤棉被阻挡吸附，过滤棉更换快速简便。喷漆时，过喷漆雾经排风地沟格栅下面铺设的过滤棉，漆雾被吸附阻档，废气通过过滤棉进入废气吸附箱，吸附处理后经过排放管道排入高空，达到环保要求。漆雾过滤棉风压在12～250 Pa之间，具有耐高温的特性。

湿式漆雾净化方式包括:喷淋式、有泵水帘式、无泵水帘式、文氏管式及水旋式等多种形式，其结构虽不相同，但原理都是利用液体与污染空气的接触，将漆雾微粒清洗到水中。其中后三种为目前较为流行的、净化效率较高的过滤方式。

无泵水帘式漆雾净化装置在铁路喷漆工艺使用较为普遍，它主要由泛水板、气水通道、汽水分离器和溢水槽等组成，含有漆雾的空气与含有漆雾凝聚剂的水充分反应使漆雾凝聚，收集未附着于工件上的雾状油漆，防止漆雾扩散，以改善作业环境。气水通道用于漆雾的二次洗涤净化和循环水的汲取。而气水分离器将夹杂在空气中的水分挡回溢水槽内而不被抽走，有效实现气水分离，使排风的水携带量减少到最低，从而有效保障设备和节约用水。溢水槽置于泛水板上方，为泛水板提供足够的水量，保证喷漆室淌水板上形成一层均匀的水膜，提高净化效率。风压在800～1 000 Pa之间。

2.2.4.3 废气净化系统

废气净化系统主要由废气吸附材料、废气吸附箱等组成，废气吸附装置设置在漆雾净化装置和排风机之间。通常设计在风机封闭箱内低部设置抽屉式多组活性炭吸附装置，减少串动摩擦，废气接触反应均匀，更换方便。

喷漆室的废气是在换气过程中产生的。喷漆室需要在一定的风速范围内进行换气，因此，喷漆室排出废气的特点是风量大，废气浓度极低(大约在10～20 mg/m3范围内)。除含有低浓度的溶剂蒸气外，还含有一部分由于过喷而形成的涂料烟雾，这些涂料烟雾的颗粒直径大约在20～200 μm 左右。

烘干室的废气，是在涂层固化过程中产生的。其中，除含有残存的涂层中未挥发的溶剂外，还有在成膜过程中，涂料各单体成分热分解及反应生成物。

喷漆和烘干室废气的处理有直接燃烧法、催化燃烧法、吸收法和活性炭吸附法等。结合铁路车辆及部件的喷漆节拍慢、产生的有机废气浓度低等特点，通常选用活性炭吸附法净化有机废气。

活性炭吸附法是利用活性炭作为吸附剂，把气体中的有害物质成分在活性炭庞大的固相表面进行吸附浓缩，从而达到净化废气的目的。在工业上，利用活性炭作为吸附剂进行吸附的方法有固定层法、流动层法和接触过滤法。在用活性炭进行废气处理时，由于活性炭摩耗和粉化程度小，用固定层吸附方法是最适宜的。当被排放气体的出口端浓度与入口端的浓度达到一定比值时，就需要对活性炭进行再生处理或更换。

用活性炭吸附法处理喷漆和烘干室废气，效率高，运转费用底，处理程度可以控制，目前被广泛使用。

3 设计选型及技术参数指标的分析

3.1 有机废气(稀释剂)挥发量

目前，我国铁路行业使用的喷漆涂料主要为溶剂型涂料。如:过氯乙烯漆、醇酸漆、氨基漆、硝基漆等，这些涂料中的溶剂在施工过程中约有45%在喷涂时释放出来，约有40%在流平及烘干过程中释出。表1是几种常用涂料的溶剂种类、含量及不同工艺阶段的溶剂挥发量。

表1 常用涂料中的溶剂种类、含量及挥发量［1］

结合表1所示，在设计废气净化装置时，不仅要考虑喷漆涂料的种类，还要计算有机废气的排放量，结合现场情况，设计选用过滤风速低、体积小、更换频次少、净化效率高的净化装置。

3.2 送、排风系统形式的确定

3.2.1 分段送排风方式的特点

铁路车辆及部件喷漆室的特点是被喷工件大、工艺流程要求复杂、送排风量很大，若采用集中送排风的方式，则机组功率会很大，能源浪费较多，得不到充分的利用。因此在设计整体车辆或大部件喷漆烘干房的时候，尽量将整个喷漆烘干房分成若干个工作段，实现分段送排风(也可以同时运行)。分段送排风与集中供风相比，具有以下优越性:

1)单台送排风机组电机功率小，减少启动时对电网电压的冲击。

2)单台机组占地空间小，利于安装调试。3)运行费用低，节省能源。

4)单台风机风量降低，利于噪声控制。

3.2.2 送排风系统风量及风压的计算［2］

对于密闭性房体的喷漆房，送排风系统的风量与风压可分别由式(1)和(2)计算得出。

式中:Q——通风量(m3/h);

V——喷漆房内的控制风速(m/s);

F——喷漆房内面积(m2)。

式中:R——喷漆房系统阻力(Pa);

R1－Rn——分别为引(送)风管道、过滤层、漆雾净化器、溶剂净化器等的阻力。

喷漆房内空气的控制风速一般在0.35～0.68 m/s范围内，对于铁路车体及大部件的喷漆房，可按有载和无载的状态下适当降低断面的风速。

3.2.3 尽量减少通风管网的长度、气流折弯变向的角度及次数、降低系统阻力，节省能耗。

3.2.4 设计选用初效过滤棉、顶棚中效过滤棉和漆雾过滤棉时，重点考虑过滤材料的初始阻力、最终阻力、单位面积的容尘量和吸附量等指标，同时还要降低通过过滤装置的风速来提高捕集效率。

3.2.5 选用湿式净化方式时，考虑液体喷淋密度、挡水板形状及数量、废气净化器阻力等，在一定程度上可以大大降低系统阻力。

3.2.6 废气净化装置尽量设计在漆雾净化装置的上部或紧邻其旁边，减少连接部分的阻力;废气净化装置的结构设计要具有阻力低、效率高、维护更换简便等功能。

3.3 漆雾净化系统

3.3.1 漆雾净化系统形式的确定

针对铁路车体及部件喷漆涂料的种类、工艺流程、生产节拍、工件大小和作业环境等设计选用不同的漆雾净化方式。因此，干式主要应用在整个车体及大部件喷漆作业(但在生产节拍较快的整车制造工位建议选用大型湿式);湿式主要应用于小部件喷漆或手工补漆工位。图1所示。

图1 漆雾净化装置示意图

由于漆雾净化种类很多，漆雾净化器的净化效率和运行能耗各不相同，设计可参考表2所示选用。

表2 几种漆雾净化器的效率

3.3.2 湿式漆雾净化系统溶剂的特点和种类

喷漆烘干工艺产生的漆雾溶剂中，溶于水的有机废气有丙酮、甲醇、乙醇、丁醇、醚类等，微溶于水的有醋酸乙酯、醋酸丁酯等，不溶于水的有苯、甲苯、二甲苯等。吸附漆雾溶剂的吸收液应具有下列特点:

1)溶解度高、吸收速度快、用液量少;

2)非挥发性或低挥发性;

3)化学稳定性好，腐蚀性小;

4)粘度低、气液接触面积大;

5)不燃、无臭、无毒;

6)容易分离;

7)价格低、货源广。

使用湿式方式来捕集漆雾，吸收部分的溶剂有许多优点:如成本低、粘度小、不燃、安全可靠。如使用油类吸收液来捕集漆雾，不仅漆雾捕集率高，而且还能吸收部分不溶于水的有机溶剂。表3是几种吸收液对甲苯废气的吸收效果。

表3 几种吸收液对甲苯废气的吸收效果［3］

3.4 有机废气净化系统

喷漆烘干工艺产生的有机废气，均不溶于水而存在于空气中，即使使用油类吸收液也只能除去一小部分。如气流分布不均匀而产生偏流，就会降低气液传质效率。因此，必须在漆雾净化设备后面设计选用高效废气净化设备，才能将净化后废气排放。

3.4.1 废气净化系统方式的确定

常用的废气净化方法有氧化法和回收法两类。氧化分解法有直接燃烧法、催化燃烧法、浓缩燃烧法等;回收法有冷凝法、吸收法、浓缩法、洗涤法等。表4为几种方法的简单比较。

表4 几种废气处理方法的比较

对于铁路车体及部件喷漆产生的废气来说，由于风量大、浓度低、又是间歇式操作，设计选择活性炭吸附法为净化系统方式。

3.4.2 活性炭吸附剂的选择

活性炭作为吸附剂来处理喷漆废气中的溶剂已被认为是一种较好的方法，但活性炭的种类有数十种，其性能各异，可适宜用作废水净化、废气处理;即使同为气相用碳、对有机溶剂的吸附也具有选择性。在设计使用前，结合活性炭的吸附、脱附性能、对不同溶剂气体的吸附容量等指标进行详细的研究，以缩小设备体积、延长吸附周期、减少投资和便利操作等原则正确选用活性炭吸附剂。

3.4.3 吸附装置的结构设计［1］

吸附装置必须设计成具有投碳量大、碳层厚度小、通风量大、断层通过风速适中、床层阻力小、更换方便的特点，才能实现净化效率高、运行能耗低、维修方便的功能。如图2所示。

图2 活性炭吸附设备结构示意图

活性炭吸附装置在现场使用过程中，要根据吸附时间、吸附量、废气浓度等因素进行定期更换。活性炭的吸附周期可用式(3)来估算:

式中:t——吸附周期(h);

G——吸附量(mg/g);

D——投碳重量(kg);

C——废气浓度(mg/m3);

Q——废气流量(m3/h);

η——净化效率(%);

η'——放大系数(%)。

4 小结

4.1 喷漆室的送排风量及阻力的设计，必须结合喷漆工艺、喷漆种类和操作人员数量等因素，经过详细的理论计算，达到既不造成涂料浪费，又能保证操作工人呼吸带浓度不超过卫生学标准的目的。

4.2 喷漆系统中的初效过滤棉、顶部中效过滤棉和漆雾过滤棉:设计选用必须满足单位面积容尘量大、初始阻力、最终阻力、寿命长、耐酸碱、耐高温等特性，使其表面特有的粘膜层能尽最大效能阻止气流中微细粒子泳移。

4.3 烘干室内设有可燃气体检测报警装置，当室内可燃气体浓度超过设定极限值时，系统报警并自动启动排风机，将室内有机气体迅速排出。该排风机的风量设计一定要结合循环风量经过详细的理论计算，尽量降低风量，以减少热量的损失，降低能耗。

4.4 湿式净化装置的设计一般为一体机，结构简单，安装拆卸方便。当带有大量漆雾与有机废气的空气，进入地板格栅或集水槽时，设计选用高效过滤装置将漆雾捕集并实现气液分离，以免废气净化装置的堵塞;捕集漆雾用的循环水(或其他溶液)中除含有漆雾外，还有多种溶剂。为使循环水保持清洁不致于堵塞喷嘴等，外排前均须处理，减少对环境的污染。

4.5 喷漆烘干室内应设有浓度检测系统、压力检测系统和温度检测系统。浓度检测系统随时对漆库内可燃气体浓度进行监测，当库内的可燃气体浓度超过设定值时自动报警;压力检测系统随时检测静压室内部阻力，当压力超过设定值时，提示用户更换过滤棉;温度检测系统安装在喷漆库内，时刻监控室体内温度，当超温时，温度控制阀自动关闭。

4.6 有机废气的吸附方式中在铁路行业仅限于使用活性炭的吸附方式。用活性炭吸附废气中的有机溶剂可以脱附、冷凝冷却后回收，运行一段时间后可再生，运行成本低。而燃烧法是在650～800℃高温燃烧炉内，用火焰燃烧有机废气中的溶剂，使其变为H2O和CO2;催化燃烧法是催化剂在250～300℃的温度下，氧化分解废气中的有机溶剂，使它变为H2O和CO2。后两种方式对环境污染小，但投资相对较高。今后在设计时，可根据工艺及投资要求适当选用。

［1］机械工业部《油漆作业通风与废气治理》编写组．油漆作业通风与废气治理成果汇编．第一分册．

［2］陆耀庆．供暖通风设计手册［M］．北京:中国建筑工业出版社，1987．

［3］上海市劳动卫生职业病防治院．苯中毒的防治［M］．北京:人民卫生出版社，1974．