不同特征喷漆废气的前处理技术与设计思路应用研究

沈永超

摘 要：化工、汽车、家具等行业在生产制造过程中会产生一定量的喷涂废气，喷涂废气对人类健康以及环境会造成许多不利影响。在处理喷漆废气的工艺中，浓缩转轮是目前主流工艺，对于浓缩转轮而言，由于其本身设备比较贵，对来气颗粒物，湿度，高沸点物质等要求比较高，要想保证浓缩转轮的使用寿命，必须要进行合适的前处理。本文介绍了喷涂废气在处理过程中会涉及的一些前处理技术以及其设计思路。漆雾预处理主要分为干式处理与湿式处理。本文主要阐述了不同喷漆废气所需要对应的前处理工艺设计，各种对后续浓缩转轮可能造成影响的情况，例如堵塞，处理效率降低，脱附聚合等，必须从源头去除，从而更优的保护后段设备免受漆雾损坏，延长后段设备使用寿命，使整套处理系统运行更稳定。

关键词：喷漆废氣;前处理工艺设计;高沸点;聚合性;粘性颗粒物

前言

随着我国社会经济的高速发展，使用喷漆工艺的行业也在不断地壮大，主要有化工、房地产、汽车、机械、电子产品、船舶等行业[1]。喷漆过程中会产生大量的有机废气，对人类健康以及环境会都会造成不良影响。

目前，针对喷漆废气较为常用的处理方法是“沸石+燃烧”，然而沸石成本较高，喷漆废气中含有大量的漆雾渣，特殊漆种还会含有不同的聚合物、黏性物质、高沸点物质等，这些都会对沸石造成不同程度的损伤，引起不可逆的劣化。本文重点提出了针对不同漆种产生的喷漆废气前处理设计思路，有效保护后段设备不受损害，降低系统运行成本，加强系统运行稳定性。

1、喷漆废气的成分及特点

1.1 喷漆废气的主要组分

在涂装喷漆过程中，喷枪喷出的油漆绝大部分会停留在工件表面，其他未留在工件表面的喷雾微粒悬浮在空气中，加上喷涂过程中产生的VOCs合在一起成为喷漆废气[2]，喷漆废气对人类健康的危害不容忽视，漆雾经过呼吸道进入人体后会引发急慢性中毒，损伤人体神经以及造血系统，长时间接触还会对人体肝脏造成毒害[3]。

不同漆料不同溶剂不同喷涂过程所产生的喷漆废气也大有不同。曾培源[3]等在研究广州某汽车喷涂废气中发现其废气中主要VOCs成分为甲苯、二甲苯、乙苯、乙酸仲丁酯、甲基异丁酮、乙酸丁酯。二甲苯和乙酸丁酯的占比接近50%。余宇帆[4]在调查珠三角地区相关喷漆行业废气VOCs特征时发现其成本主要为乙酸乙酯、乙苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯以及乙酸丁酯等。

1.2 喷漆废气的排放特征

为保证喷漆室内的空气环境，喷漆室通常需要采用大风量通入排出，在此过程中，排放的喷漆尾气通常为大风量、低浓度的废气。喷涂废气主要特征如下：

1） 风量较大，通常单个喷房的排放风量在8～10万m3/h;

2） 排放浓度低，按照喷房的类型，自动喷房排放浓度约500mg/m3，手动喷房约250mg/m3;

3） 排放尾气的VOCs组分比较复杂，包括三苯类物质，脂类物质，醇酮类物质;

4） 排放尾气中含有很多漆雾颗粒物、水汽、聚合性物质等。

以上这些问题给后续浓缩转轮的应用带来很多问题，所以需要针对不同的漆种不同喷涂工艺设计不同的预处理方法，以保证系统工艺稳定可靠。

2、不同特征的喷漆废气预处理技术分析研究

2.1 高沸点组分

2.1.1 高沸点组分的处理方式

喷涂油漆原料组成中含有部分高沸点物质，这部分高沸点组分挥发进入喷漆废气中，当采用“沸石转轮+燃烧”工艺处理喷漆废气时，高沸点物质进入沸石转轮，会给转轮脱附带来困难，脱附不彻底会严重影响转轮的吸附性能，导致整个系统处理效率下降。所以在针对含有高沸点物质的喷漆废气前处理过程中，考虑增加AC过滤器。

2.1.2 颗粒活性炭

活性炭是一种主要由含炭材料制成的外观呈黑色、内部孔隙结构发达、比表面积大、吸附能力强的一类微晶质炭素材料。活性炭材料中有大量肉眼看不见的微孔，丰富的微孔可以更好的吸附各类可吸附物质。

2.1.3 板框式颗粒活性炭过滤器

AC过滤器可以去除喷漆废气中的甲醛、甲苯、硫化氢、氯苯以及其他一些高沸点物质。在其吸附达到饱和状态后，高沸点的物质可以将低沸点的物质置换出去，高沸点物质保留在活性炭颗粒内，低沸点成分被置换出来后进入下一道过滤材料。这样就把废气中高沸点物质全部保留在活性炭这一级上了。完全可以避免高沸点物质对浓缩转轮的影响。

2.2 聚合性

2.2.1 喷漆尾气中的聚合性物质

部分漆种在生产制作中会选用苯乙烯、丙烯酸等物质作为原料，这些有机物在一定条件下容易聚合成大分子的聚合物，这些易聚合组分进入沸石转轮后，经过脱附区高温作用下更易在分子筛表面及孔隙内部聚合，致使沸石分子筛严重受损，更多时候是不可逆劣化。故而针对有聚合性物质的喷漆废气，前处理需要加特殊处理来规避聚合堵塞风险。

2.2.2 聚合性物质的处理方式

通常采用加氧化剂的方式，湿式氧化主要通过洗涤塔的形式，喷强氧化剂溶剂，通过气液接触反应;干式氧化主要是通过加氧化球的方式。利用高锰酸钾的强氧化性，将易聚合物质中的不饱和键氧化，反应生成稳定的羧基，从而保证其不会在转轮表面聚合。

2.3 尾气中具有粘性物质及大颗粒物质

2.3.1 文丘里除尘器

对于喷漆废气中存在粘性、含尘量大的物质，为了降低后续干式过滤器材的更换周期、更有效的保护后端设备免受破坏，通常在干式过滤前加旋流板塔或者文丘里洗涤塔。

文丘里除尘器是一种高效湿式洗涤器，在结构上如图2.4所示，由收缩管、喉管和扩散管组成。文氏管是在意大利物理学家文丘里首次研究了收缩管道对流体流动的效率的影响后命名的。文丘里管是在1886年美国科姆斯？藿舍尔为了增加流体的速度从而引起压力的减少而发明的。文丘里除尘器于1946年开始在工业中的应用。

2.3.2 文丘里除尘器的原理

文丘里除尘器是一种高能耗高效率的湿式除尘器。含尘气体以高速通过喉口，水在喉口处被湍流运动的气流雾化，尘粒与水滴之间相互碰撞使尘粒沉降，这种除尘器结构简单，对0.5～5μm的尘粒除尘效率可达99%以上。其工作原理是：含尘气体由进气管进入收缩管后，流速逐渐增大，气流的压力能逐渐转变为动能，在喉管入口处气速达到最大，一般为50～180m/s。洗涤液（一般为水）通过沿喉管周边均匀分布的喷嘴进入，液滴被高速气流雾化和加速。

充分的雾化是实现高效除尘的基本条件。通常假定：

①微细颗粒以与气流相同的速度进入喉管;

②洗涤液滴的轴向初速度为零，由于气流曳力在喉管部分被逐渐加速。

在液滴加速过程中，由于液滴与粒子之间的惯性碰撞，实现微细颗粒的捕集。当夜地速度接近气流速度时，液滴与颗粒之间相对速度接近零。在喉管下游，惯性碰撞的可能性迅速减小。因为碰撞捕集效率随相对速度增加而增加，因此，气流入口速度必须高。在扩散管中，气流速度减小和压力回升，使以颗粒为凝结核的凝聚速度加快，形成直径较大的含尘液滴以便于被低能洗涤器或除雾器捕集下来。

对于含尘量较高的喷漆废气，采用文丘里洗涤塔后，后面初、中效干式过滤器材的更换周期可以由一周一次降至半个月乃至一个月一次。

2.4 含油喷漆废气

2.4.1 旋流板塔

对于部分漆种，其组分中会含有石脑油等油性物质，这类油性物质因为呈液态状、粒径小，故而穿透力很强，如果其穿透前处理滤材到达后端沸石分子筛表面，就会堵塞分子筛孔道，故而在前处理环节需要增加除油工艺。

目前针对除油可以用喷淋塔来处理，旋流板塔是一种喷射型塔板洗涤器，主要机制是尘粒与液滴的惯性碰撞，离心分离和液膜粘附等。这种塔板由于开孔率较大，允许高速气流通过，因此负荷较高，处理能力较大，压降较低，操作弹性较大。

2.4.2 旋流板塔的原理

在喷漆废气入口处设计初级喷淋装置，当废气经进口烟道，与布置在进口烟道段的喷淋形成的水雾进行传质换热，得到初步降温，切向进入吸收塔。废气在吸收塔内通过旋流气动装置的加速和旋流，烟尘与经过雾化的吸收液发生碰撞、附着、凝聚、离心分离等综合性的作用，被甩到塔壁，随塔壁水膜流向塔底。旋流板喷淋塔除尘效率可以达到98.5%以上。通过旋流气动装置的设置，使烟气在同样高度的筒体内旋转次数增加、通过的路径增长，气相紊动剧烈，烟气与吸收液在时间和空间上得到充分的碰撞、接触、溶解、吸收。

旋流板塔可用于处理含有聚合物、含尘量大、含油喷漆废气的处理。

2.5 其余普通喷漆废气

对于大部分喷漆废气，除上面比较有特征的需要额外加特殊深化设计外，常规处理采用三级干式过滤，即DPA+F7+F9（H10），通过多道不同过滤等级的干式过滤器，利用滤层阻留喷漆废气中含有的细小颗粒及漆雾粉尘等杂质[7]，防止其堵塞沸石转轮缝隙，降低沸石转轮的吸附效率和使用寿命。

2.5.1  DPA

DPA漆雾过滤器是喷漆废气最好的选择。对10μm以上的小漆雾捕捉效率可达99.8%。DPA是专门设计用于涂装工业喷漆过程中产生的过喷的液体和粉末涂料。DPA漆雾过滤器在欧美国家广泛应用于干式喷漆房，捕捉漆雾能力是迷宫式过滤纸、玻璃纤维漆雾毡和其他低效率、低成本的漆雾过滤器的4-5倍以上。DPA漆雾过滤器可以捕捉多种成分的油漆漆雾，3D钻石口袋设计可使过滤表面积扩大1倍以上，使漆雾过滤器不容易被堵塞。

2.5.2  F7过滤器

F7过滤器属于中效过滤器，主要针对1μm以上的颗粒，过滤效率可以做到70% - 99%，可做为高效过滤的前端过滤，以减少高效过虑的负荷，延长其使用寿命。

2.5.3  H10高效过滤器

H10过滤器属于亚高效过滤器，针对0.5μm以上的粒子，过滤效率达95% - 99%，亚高效过滤器采用超细玻璃纤维滤纸或聚丙烯滤纸为滤材，经密摺而成。密摺的滤纸由纸隔板或铝箔隔板做成的小插件间隔，保持流畅通道，外框为镀锌板、不锈钢板或铝合金型材，用新型聚氨酯密封胶密封。作为各种过滤系统的末端过滤。

3 结论与建议

针对不同组分的喷漆废气，选择合适的前处理工艺很有必要。只采用传统的单一的干式过滤只能过滤废气中小部分漆雾，对于大部分特殊组分作用并不明显，因为传统的单一干式过滤应用范围也较窄[8]。

喷漆废气前处理是很重要的环节，喷漆废气中含有高沸点物质的时候，前处理加AC过滤器去除其中的高沸点物质，通常为DPA+F7+AC+H10过滤;废气中含有易聚合物质时，通常采用加强氧化剂的方法，破坏物质的不饱和键，使其转化为非聚合性物质;对于有粘性、含尘量大的喷漆废气，为降低运行中过滤器材的更换频率、节省运行费用，通常在干式过滤前加洗涤塔，去除大部分大颗粒物质。对于废气中含有石脑油等油性物质，其穿透力强，通常在干式过滤前加洗涤塔，同时将最后一级过滤H10升级为H13，有效拦截油性物质。

综上所述，合理的前处理设计，会给整个系统带来更优的经济效益、运行稳定性。如何以最小的经济成本、最稳定安全的运行系统净化喷漆废气以达到国家标准、减少环境污染，还需要相关领域研究人员和企业不断去探索与实践。

参考文献：

[1] 李聪， 刘有智， 焦纬洲. 有机废气新型处理技术研究进展[J]. 现代化工， 2014， 34（2）： 24-26.

[2] 孟春燕， 李清钊， 李太山， 等. 汽车喷漆涂料挥发性有机物对小鼠肝脏的损伤作用[J]. 环境与职业医学， 2015， 32（11）： 1058-1061.

[3] 黄丽丽， 肖吕武， 吴琳， 等. 某汽车制造企业油漆涂料接触工人健康状况分析[J]. 中华劳动卫生职业病杂志， 2014， 32（4）： 271-273.

[4] 曾培源， 李建军， 廖东奇， 等. 汽车涂料生产环节VOCs 的排放特征及安全评价[J]. 环境科学， 2013， 34（12）： 4592-4598.

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[8] 葉鸣， 张景林. 超大部件喷漆工位通风及废气净化系统设计[J]. 暖通空调， 2007， 37（10）： 80-82.