钢材预处理废气治理设备排放超标研究

查 浩，葛 珉，许 柱，李宝荣

（扬州海通电子科技有限公司，江苏 扬州 225001）

0 引言

我国船舶制造业在经历废墟起步、对外开放、世界跨越、继往开来等主要阶段后，目前已进入世界造船大国的行列。2021年，我国造船工业市场份额保持全球领先，6家企业分别进入世界造船完工量、新接订单量和手持订单量前10强。与此相应，因船舶制造引发的环境污染问题，也日益受到关注[1-3]。

为了加强对船舶工业生产企业大气污染物排放的控制和管理，多地相继出台法规对船舶制造业大气污染物排放行为进行规范要求和监督。

上海市《船舶工业大气污染物排放标准》规定室内涂装非甲烷总烃排放不超过70 mg/m3，预处理不超过50 mg/m3；天津市《工业企业挥发性有机物排放控制标准》要求船舶行业非甲烷总烃最高允许排放浓度不超过40 mg/m3；江苏省《大气污染物综合排放标准》与辽宁省《工业涂装工序挥发性有机物排放标准》均要求船舶制造室内涂装工艺非甲烷总烃排放不超过70 mg/m3，未明确预处理工艺要求，但要求其它工艺非甲烷总烃排放不超过60 mg/m3；山东省《挥发性有机物排放标准第5部分-表面涂装行业》要求船舶行业挥发性有机物（VOCs）排放不超过70 mg/m3。

蓄热式焚烧技术（RTO）因其较高的处理效率和较低的运行能耗，在造船厂室内分段涂装及钢材预处理流水线废气处理方面得到较为广泛的应用[4-5]。

1 研究基础

以承揽的某船厂钢材预处理流水线配套RTO处理系统为切入点展开。根据上海市《船舶工业大气污染物排放标准》要求（见表1），该船厂1条钢板和1条型钢预处理流水线废气处理系统原有活性炭吸脱附及催化装置，因非甲烷总烃无法满足最新排放标准，改造为2套物理过滤+蓄热式焚烧（RTO）装置，并同步设置进出口污染物浓度在线监测系统。

表1 基本参数

“物理过滤+蓄热式焚烧（RTO）”设备投入使用后，2条预处理流水线每日保持10 h以上的生产时间，废气处理装置同步运行。代运维阶段，根据在线监测系统的数据监测，尾气排放持续达标无异常。

自代运维结束后，整套废气处理装置运维工作交由生产线厂家执行。运行初期，尾气排放维持代运维期间的持续达标。但后期检查PLC数据及在线监测数据，发现自主运维阶段，废气处理装置的运行发生较多异常，出现多类排放超标现象，总结如下：

1）整日连续的尾气排放持续异常超标；

2）废气处理装置早晨开机升温阶段尾气排放异常（未接入流水线生产废气，连通新鲜空气升温）；

3）不规律的间歇性超标，发生在PLC监控的系统故障报警之后；

4）每周一次规律性超标，维持2～3 h，数值基本相同。

2 原因分析及对策

2.1 原因分析

1）废气入口污染物浓度超标及其连锁效应

根据工程经验及业主提供的原始数据，钢材预处理流水线非甲烷总烃源强浓度一般处于1000～2200 mg/m3的范围内，平均浓度1500 mg/m3。

通过检查在线监测系统记录发现，废气入口浓度长期超出设计浓度范围，其浓度长期处于5000～10000 mg/m3之间，且持续不间断时间较长，最大入口浓度超过10000 mg/m3的时间段也较多，如图1所示。

图1 废气入口浓度在线监测数据

在检查车间生产记录的过程中发现，生产线厂家在设备使用过程中出现不合规范的操作。该项目原始设计为2条预处理流水线配置2套“物理过滤+RTO”（RTO系统）设备，因节能需要，考虑业主存在不饱和生产工况时2条预处理流水线根据产品需求切换生产，2套RTO系统设备设置了前端废气互通功能，当2条预处理流水线交错使用时，可通过阀门切换使用同一套RTO系统设备（见图2左上角KV3001与KV3002），从而避免了流水线交错使用时2套RTO系统设备分别升温、降温的能源消耗。但是设计初衷为2条预处理流水线交错生产时使用同1套RTO系统设备，生产线厂家实际使用时为减少能源消耗，在生产饱和2条预处理流水线同时工作的情况下，仅开机1套RTO系统设备，导致设备实际处理远超设计能力，入口废气污染物来自于工作中2条预处理流水线，污染物浓度严重超标。在蓄热式焚烧炉（RTO）固有的处理效率之下，入口污染物浓度严重超标导致排气口的净化尾气浓度超标无法满足标准。

图2 RTO系统（单炉）运行监测图

与此同时，入口污染物浓度超标也产生了连锁效应。为了保证RTO的安全运行，控制系统设置了两级温度安全联锁动作，一级安全联锁为打开RTO炉膛泄温阀门泄温（见图2右上角MV1003），二级安全联锁在一级安全联锁无法实现泄温目的的前提下执行，具体操作为关闭废气入口，引入新鲜空气进入RTO炉膛降温（见图2左中MV1001）。本项目超高浓度污染物在RTO炉膛内充分燃烧、大量放热，导致RTO炉膛内的温升急剧增加，超出了控制系统原本设置的温度限制，开启了一级安全措施即打开了RTO炉膛泄温阀门。由于浓度持续高超标，RTO炉膛泄温阀门持续开启泄温，导致部分污染物在炉膛内未完全燃烧即通过泄温阀门排出，进一步导致了最终净化尾气排气的超标。

2）非正常关停机

RTO系统设备最重要的一个公用工程动力是压缩空气，压缩空气驱动系统内所有阀门的动作。而RTO系统的核心部件提升阀及吹扫阀在运行过程中保持约2 min/次的切换频率，因此在设备运行过程中务必保证压缩空气的稳定供应，否则阀门缺少驱动，无法正常动作，引发系统控制报警停机。同时，预处理流水线生产停止后，废气治理系统需按下“停机”按钮，停机并不是完全停止动作，由于“停机”按钮按下后，RTO炉膛内仍保持正常的反应高温，若直接切断气体流动，炉内长期高温停滞存在安全风险，因此“停机”按钮按下后RTO炉阀门仍保持正常切换，RTO风机仍保持工作，但废气阀门及燃烧系统关闭，新鲜空气阀门开启，RTO风机引入新鲜空气进入RTO炉内执行约1 h的停机降温工作。

在检查RTO系统PLC历史记录的过程中发现，生产线厂家在实际使用时并未严格执行RTO系统操作规范。在每日预处理流水线生产结束后，操作工按下“停机”按钮并未等待RTO炉充分降温，而直接关闭空压机设备，导致RTO系统设备因缺少压缩空气驱动而直接停止一切动作，RTO炉内气流停滞，停机前引入的污染物无法进入顶部氧化室，在中部蓄热室、底部风室以及管道内沉积。因此，在下一次RTO系统启动升温过程中，由于升温阶段，炉膛温度较低，未达到氧化温度，沉积在蓄热室、风室及管道内的污染物被新鲜空气带入氧化室而未完全反应后按流程排出至烟囱，导致出口的在线监测系统在RTO系统开机升温阶段检测到尾气排放超标。

经常性的非正常停机操作，除了会导致RTO系统开机升温阶段的尾气排放超标，高温气流停滞长期会加速设备的老化，影响使用寿命；同时，船厂钢材预处理线所使用的底漆一般为硅酸锌车间底漆或无机硅酸锌车间底漆，包含硅酸乙酯成分，硅酸乙酯水解或燃烧后生成SiO2，极易堵塞蓄热陶瓷材料，因此本项目采用了改性的蓄热陶瓷材料，一定程度上缓解了SiO2的堵塞风险，但长期的非正常停机操作，沉积在蓄热室内的污染物若长期不流通，反而会加速蓄热室内蓄热陶瓷的堵塞，影响设备的使用寿命。

3）未正常维护导致的故障停机

RTO系统的稳定运行离不开操作人员的定期巡检和维护，如定期检查润滑点并添加润滑剂、定期检查漆雾过滤器材使用情况并及时更换、定期检查燃烧机组UV火焰监测器并及时清理等。但是生产线厂家在实际使用过程中未严格执行定期巡检和维护，经检查发现如下情况：

操作人员未定期检查漆雾过滤器情况，导致部分漆雾过滤器使用时间过长，表面沉积的粉尘和漆渣过多，漆雾过滤器滤袋破裂；

操作人员为降低漆雾过滤器沉积漆渣较多引起阻力过大的问题，擅自拆卸部分漆雾过滤器，造成RTO系统前端物理过滤精度降低，部分颗粒物进入RTO炉内，可能引起堵塞；

操作人员未定期检查并清理燃烧机组UV火焰监测器，导致UV火焰监测器表面有积聚的灰尘，UV火焰监测器对火焰的监测不灵敏；

车间供应的天然气为储罐天然气，车间内其他生产工序多处使用天然气的强度不规律，导致储罐天然气输出至各点的压力不稳定、波动性大，RTO系统使用过程中常遇到天然气压力过低导致故障停机的情况。

4）在线监测系统运维标定

为有效监测废气治理系统处理效果及达标排放情况，RTO系统设备在废气入口管道及排气烟囱上均安装了VOCs在线监测系统。为确保仪器正常运行，进行了定期的保养。由于使用情况和环境条件差别很大，仪器的器件每周定期检查，并采用标气标定。

2.2 对策及措施

1）根据实际生产启动相应的RTO系统，避免单套RTO系统超负荷使用，避免浓度超标的安全隐患；

2）检查并优化预处理线喷漆系统，可有效避免陷入RTO系统废气浓度超标风险，同时从根源上减少喷漆系统的油漆浪费，节能降耗；

3）规范开关机操作，保证压缩空气、电力等公用工程系统的持续供应，保证正常的开关机执行流程；

4）保有定量的易损易耗件，如过滤器、磁感应开关等，及时更换易耗件；

5）聘用专业的废气处理装置运维团队或培养专业的维护使用人员，高效合理地使用RTO系统设备。

3 结语

蓄热式焚烧技术（RTO）已成为船舶制造业钢材预处理流水线废气治理最有效的方法，同时也在船舶制造业分段涂装工厂废气治理上有广泛的应用[6-7]。

为切实做好船舶制造业 VOCs 的污染防治工作，废气治理系统的使用应严格遵守设备规范，保证规律性的检查、维护和保养工作，培养使用人员的专业素养，切忌强制不合规的使用，保障废气治理设备的长期高效运行和达标排放。