船舶外场喷涂移动式VOCs吸附收集装置方案研究

＊戴健 王月 孙有君 陈浩 栾咏梅

（1.招商局重工（深圳）有限公司 广东 518067 2.大连船舶重工集团有限公司 辽宁 116006）

随着经济的发展，我国工业涂装市场发展迅猛，使得我国环境空气质量面临严峻挑战，大气中的挥发性有机物（Volatile Organic Compounds，VOCs）作为一种关键的前体物有着十分重要的作用，VOCs与氮氧化物在光照条件下通过光化学反应生成O3从而形成光化学烟雾污染[1-2]。

涂装过程中使用大量的涂料、稀释剂、清洗剂和胶粘剂等有机溶剂，排放出大量的有机废气，使之成为VOCs的主要排放来源传播之一[3-4]。

1.船舶涂装现状

船舶涂装不同于其他行业的涂装，其具备船舶分段大，处理风量大，有机废气浓度低，涂装区域分散等特点[5]。

船舶涂装目前主要分为两种方式，一种是船舶制造过程中在涂装房内进行涂装作业，有专门的有机废气处理系统对VOCs气体进行处理后排放进大气，属于“有组织”排放。一种是对船舶维修时在船坞、船台等外场进行涂装作业，其产生的有机废气直接排放到大气中，属于“无组织”排放。而对其有机废气的处理也基本处于空白阶段。

2020年全球新建船舶所用的船舶涂料市场份额占比46%，修缮船涂料市场占比54%。近几年，由于全球宏观经济下行、新船订单需求萎缩等因素导致新建船舶涂料市场下降，而修缮船涂料市场发展较快。因此对“无组织”排放的有机废气进行处理已经刻不容缓。

2.无组织排放收集方案

(1)方案设想

无组织排放的有机废气处理难度较大，那么可以通过一些手段将无组织排放变为有组织或类有组织排放，再将收集到的有机废气进行处理即可。

根据船舶外场喷涂露天涂装作业无组织排放现状，需进行露天涂装作业VOCs收集与处理，露天作业主要的喷漆移动设施为高空作业车，故设计时可以将收集系统安装在高空作业车平台上，通过柔性管路连接吸附与处理系统进行VOCs的收集与处理[6-8]。

(2)工作原理

直接通过底部进行废气的采集和实时漆雾的收集，集气罩面部及以上区域使用玻璃板密封并在顶部安装风幕机，风幕机竖直向下吹风，将喷涂区域与操作区域进行隔离，除了能防止油漆漆雾飞溅到操作者身上与脸部，减少了漆雾对身体伤害，同时也防止风幕对喷漆造成干扰，影响涂装的质量。整个集气罩利用上下电动气缸进行伸缩，方便进行实际喷漆和位置移动操作，机动性更强，通过四个气缸伸缩调节，在一定程度上可以适当偏移一定角度，尽最大可能性正对和贴近喷漆表面，增加了集气的效率，整体除必要的框架外，全部使用透明材料，保证施工过程中光线与亮度，方便喷漆过程中的质量监测。

为保证施工的便捷性，优先预设一个整体平移按钮和四个自动微调按钮，保证了使用过程中集气罩操作的施工效率。

表1 集气罩参数

图1 集气罩

(3)仿真模拟

在实际喷漆收集过程，喷漆运动比较复杂，喷漆过程涉及射流，破裂以及碰撞模型，喷漆到喷漆表面过程属于反弹粘附模型，整个油漆与船体进行喷射粘附后反弹，并被底部的吸附风口吸入移动式VOCs吸附处理装置，因整个收集流体运动模型比较复杂，为了精确进行收集率计算，使用有限元分析软件Fluent进行建模分析模拟。

仿真采用高压无气喷枪进行喷漆，喷枪距离喷漆表面距离为300mm，出口压力为15MPa，喷涂流量为1.4L/min，喷射后的实际粘附后的反弹流量系数为0.45，风量10000m3/h。根据有限元分析模拟油漆喷涂反弹后在空气负压的流动路径，其中大部分颗粒聚集在吸附口的下端，模拟计算漆雾收集效率大约为58%。

3.废气处理方案

(1)方案设想

根据船舶外场喷涂作业的现状，需要进行处理的有机废气处理设备需要具备可移动性，可耐候性，高安全性和操作简便等特点，因此可采用移动式的活性炭吸附+高温脱附/催化燃烧方式的一体机设备对有机废气进行处理。

(2)工作原理

采用活性炭吸附+高温脱附/催化燃烧系统操作原理是先集中收集废气处理过程产生的VOCs，待PLC系统提出饱和警告时，将移动式收集装置拖到脱附中心进行集中脱附和催化燃烧[9]，整体装置参数如下表：

表2 活性炭吸附装置参数表

图2 移动式VOCs处理装置工作示意图

主要考虑高空作业车与移动式VOCs处理装置进行搭配使用，在工作过程VOCs吸附装置临时放置在平板车上，喷漆过程中，高空作业车携带集气罩带着柔性管路进行移动实时吸附喷漆过程中产生的VOCs，集气方式采取局部采集方式，柔性管路长度可伸缩，一般每次喷漆只需要移动一次VOCs处理装置，实现喷漆同步吸附喷漆所产生的VOCs，采集完成后，利用牵引车将吸附装置移到脱附中心利用脱附装置进行集中脱附和排放。

图3 活性炭吸附+高温脱附/催化燃烧原理与工艺说明流程图

①吸附模块介绍。吸附模块包含二级过滤器与蜂窝活性炭吸附系统，油漆漆雾预先经过二级过滤系统，将颗粒浓度降低至活性炭处理浓度，经过二级过滤装置以后，通过吸附阀门进入蜂窝活性炭吸附装置，活性炭采用两层蜂窝活性炭进行吸附，有机废气处理机组分别在设备进、出口处配置两台PID浓度检测系统，检测设备的进口和出口的有机废气浓度，并通过检测的浓度数据经过PLC软件计算吸附箱体内蜂窝活性炭吸附程度，在每个吸附箱体内配置温度传感器对箱体内的温度进行监控和CO2消防装置，用于预防可能的蜂窝活性炭着火的情况，确保设备安全稳定。

图4 吸附模块

②二级过滤装置。主风机将集气罩的有机废气引入一级、二级干式漆雾过滤装置，残留的漆雾、粉尘和有机废气在穿过两级干式漆雾过滤装置时，其中固体颗粒物被过滤装置中的中高效无纺布过滤干净。当漆雾棉吸附固体颗粒物达到饱和时，通过干式漆雾过滤装置的压差计显示内外差压，便可知晓漆雾过滤棉是否需要更换。

③蜂窝活性炭吸附。经过两级干式漆雾过滤装置滤清颗粒物后的有机废气进入装有蜂窝活性炭的吸附浓缩装置中，利用高比表面积活性炭的微孔吸附能力来吸附废气中的有害苯系物（苯、甲苯、二甲苯）及其他烃类、酮类等有机废气，实现有机废气与空气分离，吸附净化后的洁净空气经排气筒高空排入大气。蜂窝活性炭吸附到一定程度后，其吸附性能便会降低，在此状态下的状态称为吸附饱和，蜂窝活性炭吸附效率≥95%。

综上所述，移动式VOCs吸附处理效率≥95%。

④脱附+催化燃烧模块介绍。装置分吸附和脱附两个模块，全部采用模块化设计，在实际使用过程中实现简单管路连接后就可以直接使用，采用一体式设计，运输使用方便，脱附装置是一套完整的脱附与催化燃烧系统，主要包含一级换热器，二级换热加热器以及催化燃烧装置，集中将吸附装置活性炭中的VOCs进行脱附和催化然后处理，最终完成脱附和达标排放。

脱附时，关闭上下二个进出阀门，由加热器、脱附风机及脱附床形成一个小循环，进行循环加热，加热到120℃时，有机物已经进行脱附。关闭小循环，打开新空气阀，将废气送入催化燃烧室，进行继续加热，使气体加热到250～300℃催化燃烧，催化燃烧后的气体进入烟囱排放。

为了节省能源，利用催化燃烧后的热量，在催化燃烧室部分，设置热管热交换器，使新风进入时，先经过热交换器预热，作为脱附气体，此时电加热器可以不用或减少功率。提高热能利用率，减少加热电能。

⑤热空气脱附。蜂窝活性炭吸附饱和后需对其进行脱附再生，使其重新恢复吸附功能，本装置采用热空气脱附，并在装置内配备催化燃烧装置和换热加热装置。

当蜂窝活性炭将要接近吸附饱和状态时，启动脱附风机与电加热器，对其中一个吸附单元进行预加热，将该吸附单元中的蜂窝活性炭加热到脱附温度（120～150℃）；预热结束后开始循环脱附流程。洁净脱附新风经过二级换热加热装置后达到脱附温度进入吸附箱，通过均匀送风管道均匀地提升蜂窝活性炭床层温度，活性炭吸附能力随温度升高而大幅下降，同时有机溶剂分子受热获取能量后增强分子热运动，当床层温度达到某类溶剂沸点时，有机溶剂分子脱离活性炭微孔吸附力束缚进入洁净脱附空气流中。大量的有机溶剂分子脱离吸附介质进入洁净脱附空气，使洁净脱附空气成为小风量高浓度的有机废气，该浓缩脱附废气通过脱附风机送入到催化燃烧装置内进行催化[10-11]。

⑥催化燃烧。催化前启动催化燃烧装置的电加热器及热循环风机，使催化剂加热达到催化工作温度（250～300℃）后停止预热流程；浓缩脱附废气经过一级换热装置进行一次升温，再进入催化燃烧装置中的电加热器进行二次升温，将其温度控制在催化氧化反应温度区间，在铂、钯贵金属催化剂作用下氧化反应活化能大幅降低，有机溶剂分子被氧化分解为二氧化碳与水蒸汽，此过程称为无焰催化氧化燃烧；氧化净化后的热空气进入一级换热装置中对脱附浓缩废气进行一次预热，再进入二级换热加热装置中对脱附新风进行一次预热，充分回收催化氧化反应热能后排入吸附箱废气进气总管，使其未能完全反应的有机物再次被吸附净化。

⑦浓度及温度控制。在有机废气处理机组内安装多套温度传感器，时刻掌握各个脱附单元的进、出温度及催化燃烧的进、出口温度来监测整个机组的运行状况。保证整套机组达到的脱附和催化燃烧过程的温度要求。

⑧安全控制。通过在有机废气设备机组内气动阀门的感应开关来阀门的切换是否到位，保证预热、脱附燃烧过程正常运行，机组配置一台可燃气体报警装置，安装于二级换热加热装置循环风部位，检测对吸附箱体预加热脱附时的VOC体积分数，检测值为体积爆炸极限的下限的0%～100%，体积分数超过爆炸下限值25%后报警，此时打开进风管新风阀，提早进行脱附，在催化燃烧装置内配置温度传感器，当内部温度到达600℃时，关闭电加热器，并打开阀门，将装置内的废气经过排气筒直接排入大气。

图5 有机废气设备机组

4.实际应用

根据上述的各个系统效率情况，参数如下：

表3 各个系统效率参数表

考虑到在实际进行涂装作业时，废气的收集和处理会受到风力、风向、光照、温度、湿度和作业强度等各种因素的影响，因此设备的整体效率会根据作业的工况不同而有所变化，因此还需进行进一步深度化的研究。