活性炭吸附在涂装电泳段废气处理中的应用

王一哲，景胜春，白晓鹏，孙俊杰，刘 杰

（中国汽车工业工程有限公司，天津 300113）

涂装车间是汽车整车生产工艺过程中制造“三废”最关键且数量最大的环节，其中废气是其中最重要的部分[1]。在涂料制造过程中产生的全部废弃物充其量不超过涂料量的3%，挥发进入大气的溶剂量仅为溶剂总量的0.25%，而在涂装时，随涂料的种类和涂装方法的不同，散发的溶剂总量有差异，在喷涂有机溶剂型涂料的场合，散发出的挥发性有机化合物量占涂料用量的 20%～80%[2]。涂装废气主要来源为处理烘干室的分解物以及喷漆室体的有机挥发物，常用的处理方法有活性炭吸附法、直接燃烧法、催化剂氧化分解法以及蓄热式燃烧法[3-4]，汽车厂一般会根据实际的浓度及风量选择一种合适的处理装置或者几种的组合。电泳段的废气由于其湿度大、浓度低等特点，一般会选择不经过任何处理直接排放。但是随着国家对环保要求越来越高，对汽车整车制造业（涂装工序）排放的大气污染物要求也越来越严，如北京市要求废气中非甲烷总烃（Non-Methane Hydrocarbon, NMHC）含量≤25 mg/m³，重庆市主城区对这一数值的要求为≤30 mg/m³，即使是目前广泛使用的水性涂料仍无法满足环保要求。当大气中的NMHC含量浓度超标时，除直接对人体健康有害外，在一定条件下经日光照射还能产生光化学烟雾，对环境和人类造成危害[5]。由于之前的忽视或者环保要求低等原因，电泳段废气的处理案例少之又少，亟待解决。本案例首次将改进后的活性炭吸附系统应用在电泳段废气处理上并产生了良好效果。

1 排放超标原因分析

1.1 阴极电泳涂料成分

想要解决废气排放超标的问题，首先要认识电泳涂料成分。由于此部分废气发生在烘干前涂料并未发生分解反应，所以废气属性与涂料本身基本一致。

目前广泛使用的电泳涂料是一种在水性底漆的基础上开发的，在水中能离解为带电荷的水溶性成膜聚合物，在直流电场的作用下泳向被涂面并在其表面上沉积析出。阴极电泳涂料所用的成膜聚合物为阳离子型树脂，最常用的树脂有环氧树脂和聚氨酯等，在树脂骨架中含有多数的胺基，经有机酸，如：甲酸、乙酸、乳酸等，中和至酸碱度（Pondus Hydrogenii, PH）值为5.5～6.5[6]。电泳涂料在不断搅拌的过程中，会挥发出大量溶剂，如：醇、酮、乙二醇醚等，随排风系统直接排放到大气中，所以需重点关注当地的NMHC排放要求。随着环保要求越来越严格，各大涂料厂商也在积极的开发新型环保型、低污染、毒性小的产品来满足国家和市场要求。例如：各种无铅、低挥发性有机物（Volatile Organic Compounds,VOC）阴极电泳涂料相继被开发并应用，这些新涂料显著地减轻了涂装车间的火灾危险性和涂装公害。

1.2 喷淋水雾

常规的电泳生产线工艺流程如图1所示，按工件运行方向顺序为准备段→电泳→UF1→UF2→UF3→水洗→防尘段，超滤清洗方式一般选择为UF1喷淋、UF2浸洗及UF3喷淋。

图1 电泳工艺简图

电泳系统一般包含送排风系统、循环系统、漆料回收系统、加电系统、极液系统等。其中送排风系统包含电泳送排风、超滤水洗段排风及后防尘送风，部分车间还设置有准备段送排风。对以上排放点进行测量发现，除超滤水洗段废气超标外，其余排放口废气浓度均达标。对测量点所处的环境进行分析，超滤水洗段废气排放口设置在UF1与UF2之间，正好处于喷淋区，喷淋过程中会产生大量水雾，水雾中夹带有机溶剂随废气一起排放造成浓度超标。而在电泳排风段废气浓度较低的原因是虽然涂料在不断挥发，但此区域基本没有水雾并且有新风不断送入室体内部。因此，喷淋水雾是造成电泳废气浓度超标的重要原因之一。

1.3 产能

对不同涂装生产车间的超滤水洗段废气进行取样分析，结果如表1所示。

表1 不同生产车间超滤水洗段废气NMHC浓度

虽然各生产车间的电泳涂料不尽相同，排放浓度由于涂料本身属性也略有差异，但对结果分析仍具有指导意义。结果显示，产能对废气排放浓度影响较大，排放浓度随产能提升而显著增加，所以新建的高节拍生产线在设计初期，就需考虑设置电泳废气处理装置。生产过程中，为了保证车身的清洗效果，产能高的项目，输送设备的链速以及喷嘴数量增加。喷淋量增加导致危害物挥发量增加，从而产生的更多的水雾。

2 电泳废气处理系统

在选择废气处理装置时，最主要的是参考操作条件，如：废气浓度、温度、压力、实际流速、风量等指标。而活性炭作为低温、低浓度有机废气处理装置，应用在电泳废气处理上优势十分明显。

2.1 活性炭吸附装置

由于活性炭对废气的湿度及清洁度有一定要求，在传统处理装置的基础上增加了除湿区及除尘区，如图2所示。

图2 活性炭吸附装置

1）第一区域为除湿区，装有G4除湿滤袋。除湿滤袋由抗断性的合成有机纤维经过热粘和制成的无纺布构成，采用渐进式结构。过滤器抗湿性能可达 100%相对湿度，能有效保护下游过滤段。

2）第二区域为除尘区，装有F7中效过滤器，通过多孔的过滤介质分离捕捉气体中的固体、液体粒子。含尘气体进入过滤器，滤尘黏附在滤料的迎风面，从背风面逸出的气体进入下一道工序。通过除尘工艺可以降低活性炭更换周期，减少运行费用。

3）第三区域为吸附区，由防水性活性炭装填而成，是整个装置吸附浓缩环节的主要部件及核心工序。其吸附原理：在用多孔性固体物质处理流体混合物时，流体中的某以组分或某些组分可被吸引到固体表面并浓集保持其上，此现象称为吸附[7]。在进行气态污染物治理中，被处理的流体为气体，因此，属于气-固吸附。被吸附的气体组分称为吸附质，多孔固体物质称为吸附剂。活性炭选用以优质无烟煤作为原料、外形蜂窝状，其主要特点有强度高、吸附速度快、吸附容量高、比表面积较大、孔隙结构发达、孔隙大小介于椰壳活性炭和木质活性炭之间。

除以上三个重要工序外，处理装置还配有其它一些附属设备。在通道侧，设有多个检修门，进行滤袋和活性炭的更换。除湿区和除尘区的背侧开有排水口，以免积水过多影响滤袋使用效果。吸附区的相对湿度已经很低，不再设排水口。每道工序前后都设有压差计，用来检测滤袋及活性炭的使用情况。

活性炭的更换周期计算公式为

式中，T为更换周期，天；m为活性炭用量，kg；s为动态吸附量；c为活性炭消减的VOCs浓度，mg/m3；Q为风量，m3/h；t为运行时间，h/天。

由式（1）可知，活性炭的使用寿命与装填量、浓度削减量息息相关。以本案例为例：更换周期设定为1个月，初始排放物浓度为 35 mg/m3，削减量取20 mg/m3，风量为12 500 m3/h，动态吸附量取 10%，对于高碘值活性炭此项数据会更高，运行时间按双班制每天工作16 h计算，由以上数据可得活性炭用量为1 000 kg，约为2.3 m3。当然装填量越大活性炭的使用寿命越长，更换周期也越短，所以必须在设计时，将人工成本、环保要求等纳入考虑范围，才能实现社会效益和经济效益双赢。

2.2 消水器

为了减少除湿滤袋的更换周期，在活性炭处理装置之前设置消水器，结构如图3所示。

图3 消水器结构图

消水器工作原理：当夹带水滴的废气在相邻两挡水板的通道内曲折前进时，由于惯性作用，水滴与挡水板相碰撞后粘附在其表面上并形成水膜，沿板面流到下部的集水池并通过排放口排出[8]。但是无论采用任何形式的挡水板，仍有一些直径较小的小水滴通过挡水板随着废气穿过下一道工序，所以在活性炭处理装置中设置除湿滤袋显得尤为重要。

最终形成的废气处理系统流程：废气→消水器→除湿滤袋→除尘滤袋→活性炭→排风机→达标排放到大气。

3 处理效果

对已经完成改造的30 JPH涂装车间电泳段废气排放路径的不同位置点进行取样分析，如表2所示，可得如下结论：

表2 取样数据

1）经过消水器处理后的有机废气浓度略微下降，主要原因是废气中的水滴在消水器中析出，带出一部分有机物，但数据显示消水器基本不具备废气处理能力，主要作用是降低湿度，减少废气中的液滴。

2）经过活性炭吸附装置处理后的废气排放浓度显著降低，达到排放要求，可见活性炭作为电泳段废气处理方案可靠有效。

3）对于废气浓度消减量较高的生产线，为了保证处理效果必须有足够的装填量，这样首次投入的设备成本及场地、后期维保成本及更换活性炭的人工成本会相应增加，活性炭吸附仍是有效的处理方式之一，但也可选择将风管延长至车间的废气处理设备进行处理。

4 结语

对涂装废气，应根据废气特点，综合考虑生产节拍、建设成本、场地大小等因素，选择合理的环保处理方案，既保证生产和环保要求，同时也使投资更为适宜合理。