汽修行业喷漆废气处理工艺技术进展

梁文俊，张依铭，任思达，李 坚, 何 洪

(北京工业大学 区域大气复合污染防治北京市重点实验室，北京 100124)

1 前 言

随着我国经济的高速发展，汽车成为人们日常生活中必不可少的交通工具。汽车给人们带来巨大便利的同时，也引发了许多环境污染问题。其中汽修行业产生的喷漆废气是造成大气污染的原因之一。汽修喷漆废气中含有漆雾颗粒及VOCs等成分，具有大风量、低浓度，间歇性、工艺复杂等特点。

随着我国汽车业的蓬勃发展，产业带来的环境负面影响也渐渐引起了社会的重视。其中喷漆废气中的VOCs的治理也成为大气污染治理的重要组成部分，引起了政府的高度关注。政府部门一直在采取有效措施，加强监管，促使汽车行业各企业逐渐重视VOCs的治理，节能减排，绿色生产，实现可持续性发展。以北京市为例，北京市针对汽车维修行业制定了大气污染物排放标准，见表1[1]。表中I时段为2017年1月1日之前，Ⅱ时段为之后，可以从表中结果看到Ⅱ时段较I时段的排放标准严格了近一倍，所以，加强汽修行业VOCs综合治理具有十分重要的意义。

表1 喷烤漆房大气污染物排放浓度限值Tab.1 Limitations of air pollutants in spraying room (mg/m3)

2 汽修行业喷漆废气成分及特点

汽修行业，以4S店为例，主要的喷漆废气来源于烤漆房。据统计，汽车4S店喷烤漆房的内部空间在70～75m3，换气次数在220～320次/h之间，喷烤漆房废气量在15 000～25 000m3之间[2]。汽修喷漆油漆用量波动较大，特别是在喷整车漆的时候，油漆用量更大，这也直接造成喷漆废气中污染物浓度波动值较大。另外，与汽车涂装行业不同的是，实际工作生产中，汽修企业只有在维修汽车时才会产生喷漆废气，因此废气具有不连续、间断性的特点。曾培源等[3]在某汽车涂料生产车间采集若干样品并对其分析，检测出15种VOCs，包括苯系物(甲苯、二甲苯等)、酯类(乙酸乙酯、乙酸丁酯等)、酮类(甲基异丁基酮)和醚类(乙二醇丁醚)等。值得一提的是，油漆车间的VOC排放主要来自于溶剂型色漆及中涂漆，采用水性漆可大幅降低VOCs排放，VOCs排放仅为传统溶剂型油漆工艺的1/3左右。表2为溶剂型色漆和水性色漆的VOCs含量对比。

表2 溶剂型色漆和水性色漆的VOCs含量对比Tab.2 Comparison of VOCs contents of solvent color paint and waterborne paint (%)

3 喷漆废气漆雾处理方法

与其他工业废气不同，喷漆废气中不仅含有VOCs等有机污染物质，还含有大量过喷漆雾。过喷漆雾是由于在汽车喷涂过程中一部分漆液无法达到车身表面从而进入周围环境形成的。漆雾中固态物质与液态物质并存，其中液态物质以气溶胶的形式存在。漆雾颗粒具有颗粒小，粘度大等特点，若不对漆雾进行预处理，漆雾颗粒会粘附在吸附剂、催化剂、生物填料的表面，形成堵塞，使之失去处理活性[4]。因此，对喷漆废气的处理应优先对废气中的漆雾进行预处理，此过程十分重要。

目前国内外对于漆雾的预处理方法很多，处理材料的种类也十分多样，总的来说，处理方式分为干式处理法和湿式处理法[5]。

3.1 干式处理法

干式处理法就是使用干式过滤材料对漆雾进行拦截与过滤。工作原理是将滤料固定在过滤装置上，通过风机的作用使含有漆雾的废气进入过滤器，使之粘附在滤料上被过滤，过滤后的废气进入下一级处理系统，达到预处理的目的[6]。具有代表性的方法有滤料过滤法和石灰石干式吸附法。目前常用的干式过滤材料有漆雾棉、初效棉、中效棉、迷宫纸、玻纤阻漆网和地网棉等。其中漆雾棉、初效棉、中效棉等过滤材料的材质主要是玻璃纤维，是一种环保型过滤材料，工作时玻璃纤维与空气磨擦产生静电，更有效捕捉喷漆时产生的漆雾颗粒。葛兆星[7]介绍了一种迷宫纸在含漆雾废气的处理中的应用。该迷宫纸使用特制复合型瓦楞纸通过折叠冲孔黏合形成V形孔，运用文丘里旋风效应来拦截漆雾颗粒。该干式过滤材料对漆雾的分离效率大于一般的干式材料，可达98%，其使用寿命是纤维网的5倍多。陈音瑜[8]介绍了应用于油漆车间的一种石灰石干式吸附处理法，石灰石处理漆雾的流程见图1。该处理过程可通过更换喷漆室各模块石灰石频率及降低石灰石消耗来石灰石的使用量，从而提高石灰石收集漆雾的效率。

3.2 湿式处理法

湿式处理法就是根据相似相溶原理，使用液态物质(多为在水中加絮凝剂)捕捉漆雾[9]。工作原理是利用循环水与漆雾充分混合来捕捉过喷漆雾，处理后的废水含有大量具有粘性的油漆废渣，易粘附在管道内壁和水池表面，降低净化效率，需要加入絮凝剂来对油漆废渣进行改性，凝聚，使之成团从而固液分离，净化循环水，提高利用率，降低成本。湿式处理法根据操作方式的不同可分为文丘里式、水帘式(水幕式)、水旋式等[10]。

3.2.1 文丘里式净化法

文丘里式喷漆室主要由送风系统、排风系统、循环水系统、文丘里系统组成[11]，工艺流程如图2所示，文丘里净化法主要利用文丘里效应，循环水负压通过文丘里器管道，在喉管段气流速度逐渐增大，经过风口的水流被充分雾化，利用雾化后的水雾捕捉空气中的漆雾颗粒，使漆雾与循环水中的凝聚剂充分接触，而后流入循环水池，定期捞出浮渣后达到净化的目的。

图1 石灰石处理漆雾的流程Fig.1 Process of painting mist treatment by limestone

图2 文丘里式净化法工艺流程Fig.2 Venturi purification process

图3 水帘式净化法工艺流程Fig.3 Water curtain purification process

3.2.2 水帘式净化法

水帘式喷漆房的工作原理是利用循环水泵在喷漆房光滑板壁上形成水幕，在风机的带动下将喷漆房内漂浮的漆雾落入水幕中，随水幕流动进入循环水槽[12]。工艺流程如图3所示，水帘式喷漆房的构造需要注意两点，第一淌水板必须坚固且光滑，确保水幕与板壁呈平行方向顺利流下；第二水幕需具有一定厚度，防止漆雾气流吹散水幕在板壁上留下痕迹影响板壁光滑[13]。

3.2.3 水旋式净化法

水旋式喷漆室主要由喷漆室室体、送排风系统和漆雾处理系统等组成，采用上进气的送气方式[14]，利用旋压器内的高速气流将水流卷起，与喷漆室上部输送的喷漆废气接触来达到净化的目的。工艺流程如图4所示。彭芬等人[15]研究了一种水旋式喷漆室的设计方案，该设计方案对喷漆室室体、送风系统、水旋器等关键部位进行了参数设计及优化，针对性地使用了疏水漆雾改性剂，提高了漆雾捕捉的效率，降低了污染，改善了喷漆工人的工作环境，具有巨大的市场应用前景。

图4 水旋式净化法工艺流程Fig.4 Water rotary purification process

4 汽车行业喷漆废气综合处理技术

汽车行业喷漆废气普遍存在风量较大，VOCs浓度较低的特点，同时废气之中还混合许多具有粘性的漆雾颗粒，因此，汽车行业有机废气的处理方式将会较为繁杂，一般需要多种处理技术综合利用才能使废气处理达标[16]。

4.1 漆雾预处理+沸石浓缩转轮吸附+催化燃烧处理技术

沸石转轮吸附+催化燃烧技术是上世纪70年代由日本研制出的一种有机废气处理技术，适合处理大风量低浓度的有机废气，处理效率可达99%。图5 所示为沸石转轮系统组成。沸石转轮吸附装置主要由气体过滤器、风机、VOCs浓缩转轮和热交换器组成[17]，其中沸石转轮的主体由蜂窝状的陶瓷纤维片组成，在转轮的表面通过特殊的烧结工艺覆盖具有吸附性能的疏水性沸石[18]。转轮内部通过耐高温耐腐蚀的气体密封垫将其分隔成三个区域：吸附区、脱附区、冷却区。含有VOCs的废气在风机的作用下经过转轮吸附区被沸石分子筛吸附，成为洁净气体排出。随着转轮旋转，吸附有机废气至饱和的吸附转轮进入脱附区，在高温脱附气体的反向吹扫下，高浓度的有机气体从转轮上脱附下来后被送入催化燃烧装置实现再生。随后转轮旋转到冷却区，一小部分废气被引入到该区域对转轮进行冷却处理，使随后的吸附区能正常地再对废气进行净化，完成吸附-脱附-冷却的循环过程[19]。上汽大众汽车有限公司的林宣乐[20]介绍了沸石转轮浓缩与催化燃烧技术在汽车涂装喷漆室有机废气净化方面的应用，针对喷漆室废气大风量、低浓度的特点，综合考察了废气及喷漆室各项信息，制定了如图6所示的工艺方案，优化了沸石转轮及催化燃烧设备的工艺参数，对不同形式的喷漆室制定了可行的废气处理方案，并在实际项目中成功运用且满足地方排放标准。

1.经过过滤等处理后的喷漆室废气；2.转轮吸附区；3.排风风机；4.吸附后洁净气体；5. 转轮冷却区；6.转轮脱附区；7.脱附风机；8.浓缩废气；9.焚烧炉；10.热交换器；11.焚烧处理后洁净气体图5 沸石转轮系统组成Fig.5 Composition of Zeolite rotary system

图6 沸石转轮废气处理方案流程Fig.6 Process of waste gas treatment by Zeolite rotary

对于以4S店为代表的汽修企业，普遍具有规模小，分散度高的特点，且废气间断性排放，不连续。沸石转轮技术通过热交换器将催化段的多余热量用于脱附，实现热量的回收利用，但需要系统连续运行来确保热量得到有效回收利用，因此对于汽修行业间歇排放废气的特点，沸石转轮技术不适用。另外沸石转轮吸附技术设备占地面积大，前期技术投入高，对于汽修这种小型企业来说经济效益较低。

4.2 漆雾预处理+活性炭吸附+催化燃烧处理技术

活性炭是一种黑色的无定形碳，有粉末状、块状、颗粒状、蜂窝状等形态。活性炭的微晶结构使其具有发达的孔隙结构和极大的比表面积，因此活性炭具有十分优良的吸附性能，被广泛应用于气相与液相的吸附处理工艺中[21]。以汽车行业为例，活性炭吸脱附+催化燃烧工艺是汽车涂装喷漆废气处理应用最多的一种工艺，其装置简易，运行稳定，处理效率优良。欧海峰[22]介绍了一种吸附-催化燃烧法处理喷漆废气实例应用，整个系统集吸附-脱附-催化燃烧于一体，正常运行时，多单元吸附器中的一个单元进行脱附操作，而其它单元处于吸附或冷却状态，脱附出的高浓度有机废气进入催化床燃烧分解。实际运行效果表明，该技术效果高，污染少，费用低。奚海萍[23]设计了一种针对某汽车企业喷涂有机废气的过滤-浓缩-催化一体的治理技术。废气中的过喷漆雾使用过滤棉进行预处理，采用蜂窝活性炭对有机废气进行吸附浓缩，而后高浓度有机废气进入催化工艺进行催化燃烧。该工艺在除臭的同时能在较低的温度下催化分解有机废气，催化燃烧的热量可以满足自身燃烧反应，排出的尾气可通过换热器为脱附反应提供热量，实现节能目的，降低运行费用。

目前汽车4S店喷烤漆废气基本都采用的活性炭吸附法。活性炭吸附容量有限，需要在运行管理中严格按照要求或者使用频率进行更换。另外，活性炭与其他吸附材料相比着火点较低，当吸附罐内发生热量集聚时易发生着火的现象，产生安全问题。从理论上来说，脱附时间越长，脱附温度越高，脱附效果越好，但是在实际应用过程中，脱附温度过高就会存在活性炭吸附材料着火的风险，温度过低又很难脱附干净造成排放浓度难达标；另外活性炭吸附的大部分污染物都会在较短的时间内脱附出来，如果脱附时间过长脱附效果会随之越来越不明显，经济效益较低。因此，在实际应用中，确定合适的工艺条件，即最佳脱附时间与脱附温度需要深入研究。在如今汽修市场大环境下，采用活性炭吸附法处理废气的店大多没严格按照要求进行活性炭的更换或者解吸附，后期处理效果并不理想。因此可以通过对吸脱附工艺的改善与调节，采用着火点高的改性活性炭或分子筛来解决活性炭着火问题，同时也可以实现能量的再利用，提高能量利用率。

4.3 漆雾预处理+生物法处理技术

生物净化技术是不同于传统有机废气处理技术的新型技术，已在国内外广泛应用。生物法处理有机废气的原理是利用生物滴滤塔内的附着在填料上的微生物的新陈代谢作用，降解废气中的有机物[24]。生物法净化有机废气的关键是针对特定有机物选取合适的微生物，并控制适宜的温度与PH来保证微生物的活性，确保废气净化效率[25]。刘建伟[26]研究了生物滴滤与生物过滤组合工艺在某汽车喷漆车间废气处理的应用。该实验研究在对喷漆废气预处理后，在风机的作用下将废气送入生物滴滤塔，气液逆流操作，营养液有水泵经喷淋装置进入生物滴滤塔。而后尾气进入生物滤塔后排入大气。该研究考察了组合工艺对喷漆废气中TVOCs的处理效率及组合工艺对TVOCs的去除负荷。结果显示，该生物法对有机废气的去除效率大部分保持在98%以上，且对于组分较为复杂的喷漆废气该工艺仍能达到较高的去除负荷，说明该处理技术具有良好的效果。

考虑到汽修行业喷漆废气间歇性的特点，生物法在实际运用中可操作性不强。生物滴滤塔内的微生物需要废气持续输入来为其提供营养来源，一旦废气停滞又无外界营养液补充，微生物会大量死亡影响处理效率。另外，生物法设备占地面积较大，对操作环境有一定要求，因此该工艺不适合汽修行业喷漆废气处理领域的应用。

5 结 语

汽修行业喷漆废气属于有机废气，对环境和人体健康有较大的危害。废气具有风量大、浓度低、间歇性的特点，且废气中掺杂着具有粘性的漆雾颗粒，成分复杂，对处理工艺的选择具有较高的要求。对于喷漆废气中的漆雾的预处理分为干式和湿式处理法，中低效干式过滤效果较差，组合式干式过滤法是目前较为有效的去除漆雾的工艺，但运行成本较高；湿式处理法能到达中高效的除漆雾效果，但会增加气体含湿量，影响后续的吸附浓缩过程且会产生废水问题，如何根据实际工况、排放要求及成本问题选择适当的处理工艺是在应用中需要考虑的问题。在喷漆废气中有机物的处理方面，实际应用中逐渐将单一的处理技术发展为多技术综合利用的方法，大大提高了处理效率，降低了经济成本。综合考虑实际工况条件，在改善工艺参数与使用新型吸附剂的前提下，活性炭吸脱附加催化氧化法仍然是目前大部分汽修企业的最佳选择。另外，国内外近些年出现了许多新型技术用以处理喷漆废气，例如，湿式喷淋-低温等离子体工艺技术[27]、微纳米气泡技术[28]等。目前，针对汽修喷漆废气处理工艺中，由于不能对漆雾进行预处理，导致了处理系统整体处理性能不高。所以，在今后治理汽车喷漆废气的研究中，需要结合实际工况条件，经济情况，综合利用不同处理技术的优势，选取最为合适的治理技术，此外，还要加强处理设备日常维护，加强环境管理，实现以最小的经济成本和人力投资净化喷漆废气，达到国家排放标准要求。