汽车喷漆废气VOCs处理技术应用进展

摘要：简述了汽车喷漆废气VOCs处理的几种处理技术，以及其发展历程、适用范围、各自的特点及应用前景等。指出了因汽车行业的喷漆废气的典型特点是风量大、浓度偏低，“沸石浓缩转轮吸附/脱附+催化燃烧”适用于小轿车喷漆废气VOCs处理；“活性炭吸附/脱附+溶剂回收”适用于厢式货运车喷漆废气处理；生物降解处理技术更适用于客车喷漆废气处理，因客车的生产工艺有别于轿车和厢式货运等车型，客车喷漆的废气量更大、浓度更低，使用其它处理方式的建造成本、运行成本都将极高，且占地面积很大。

关键词：VOCs； 沸石浓缩转轮； 催化燃烧； 溶剂回收； 生物降解

中图分类号：X51文献标识码：A文章编号：16749944（2016）18010203

1引言

“十二五”时期，我国工业化和城市化仍在快速发展，资源能源消耗持续增长，大气环境面临前所未有的压力，环境形势十分严峻。汽车涂装行业有机废气排放具有工序多、成分复杂、大风量浓度低、漆雾多等特点，给废气处理工程带来了挑战。

2有机废气处理技术简介

VOCs处理技术大体可分为回收和消除技术两大类。回收技术主要包括吸附法、吸收法、冷凝法和膜分离法等物理方法，消除技术主要包括燃烧法、生物法、低温等离子体法和催化氧化法等生物、化学方法[2]。根据VOCs处理技术应用状况的分析可知，工业VOCs气体特性对处理技术选择有重要影响。其中，VOCs浓度可作为技术初步筛选的一个重要影响因素。根据研究调查统计结果，对于高浓度（TVOC>10000 mg/m3）有回收价值气体，可考虑采用冷凝技术进行处理（VOCs 的沸点越高越适宜），对于TVOC浓度2000～10000 mg/m3的有回收价值气体，可考虑采用吸附技术处理。对于高浓度气体，当流量不大且温度不高时还可以考虑采用膜分离技术进行回收处理。对于TVOC 浓度大于2000 mg/m3并没有回收价值的气体，可以采用催化燃烧、热力燃烧等技术进行处理[3]。VOCs成分复杂，浓度、流量等因素不同，每种VOCs处理技术都有其自身的优势和使用限制，如何选择合适的技术是VOCs处理工作者必须面对的问题[4]。

3汽车涂装VOCs废气的主要成分、特点及技术方案比选传统溶剂型的汽车涂装过程中，产生的VOCs主要有甲苯、二甲苯、芳香烃、酯、醇、醚、酮等，主要来源是喷漆、流平和烘干等过程，其中约 15% 的VOCs在喷漆和流平过程中挥发，约 85% 的VOCs在烘干过程中挥发。

烘干室废气的VOCs浓度高、排气量相对较小，且烘干室需要大量热源，所以烘干室产生的有机废气一般采用直接燃烧法进行处理，燃烧温度为 800～850 ℃，以天然气作为辅助燃料，二甲苯、甲苯等有机物净化效率大于 90% 。经检测，燃烧处理后的烘干有机废气二甲苯浓度在1.5 mg/m3左右，苯的浓度在0.3 mg/m3左右，甲苯未检出，非甲烷总烃的浓度在1.85～2.32 mg/m3之间。

与烘干室不同，喷漆室VOCs的浓度低、风量大，且废气中夹杂着大量漆雾，处理喷漆室的有机废气较为复杂，通常要用几种方式的组合才能达成目标。现介绍几种汽车喷漆行业常用的处理方式。

3.1预处理+沸石浓缩转轮吸附/脱附+催化燃烧

喷漆房排放出来有机废空气先后经过预处理，滤去废空气中粉尘及漆雾小液滴。

沸石浓缩转轮由若干块单元拼合而成，单元块的加工，先由基材卷制后烧制成陶瓷基体，再将基体放入沸石的合成混合物中，控制溶液的浓度和放置时间，基体表面上就会形成一定厚度的疏水性分子筛膜，分子筛膜是吸附有机废气的关键部分。

陶瓷基体上的沸石分子筛膜，具有均匀微小的孔道和较大的比表面积和吸附容量，同时具有良好的疏水性和再生能力。当有机废气从陶瓷孔穿过时，在浓度梯度的作用下，有机气体分子附着在沸石分子筛膜表面并逐渐向内部扩散，与膜内孔壁充分接触，在分子间的范德华力和静电吸引力作用下，膜内有机气体分子达到一定数量，内外浓度及蒸汽压力开始保持一定的平衡，即达到吸附饱和。当有机气体吸附饱和后，用热空气对陶瓷孔进行吹扫，高温破坏了有机气体分子与沸石分子之间范德华力和静电吸引力，有机气体分子从沸石分子筛膜内微孔道内释放出来，被热空气带走，从而完成脱附。

旋转的浓缩转轮，使以上的吸附、饱和、脱附过程得以连续循环地进行，在实际应用上实现了连续从有机废气中分离出有机气体，达到净化空气的目的。

其工作过程如图1所示，转轮以一定的速度匀速顺时针转动，有机废气穿过吸附区，去除了有机气体的洁净空气直接排放到大气；转轮旋转到脱附区时，热空气将吸附在转轮内的浓缩有机气体带走，送到焚烧炉进行焚烧，之后经换热器换热后排放到大气；当转轮旋转到冷却区时，被有机废气的小量分支冷却，转轮冷却后继续进行吸附；冷却完转轮的废气送去换热器进行加热，加热后送到脱附区用来进行脱附。如此过程，周而复始。

蓄热式热力焚烧系统主要由燃烧机组、炉膛、蓄热室（两室或三室）、流向转换阀门和控制系统等组成。蓄热室内的蓄热陶瓷有很强的蓄热能力，先将流经的高温烟气中大部分热量储存在里面，再把热量传递给流经的有机废气，废气可以被加热到接近裂解的温度，燃烧机组只需要很少的燃料就可以维持系统的运行。在转换阀门的控制下，烟气和废气交替经过每个蓄热室，实现蓄热、放热的循环过程。其突出特点是燃料消耗少，处理温度高，排烟温度低。

近年来，国内“沸石浓缩转轮吸附+催化燃烧”工艺发展迅速，目前许多知名汽车企业有选用此套工艺处理VOCs废气，如：一汽解放、一汽大众、天津华泰、重庆力帆、长安福特、长安汽车、长城汽车等，都采用此工艺。

3.2预处理+活性炭吸附+催化燃烧

喷漆房排放出来有机废空气先后经过二级或三级预处理，滤去废空气中粉尘及漆雾小液滴。

本法是应用新型活性炭吸附浓缩低浓度的有机废气，吸附接近饱和后引入热空气加热活性炭，使有机废气脱附出来进入催化燃烧床进行燃烧净化处理，热气体在系统中循环使用或增设二级换热器进行热能回收。该法将低浓度的有机废气通过活性炭将其浓缩成高浓度的有机废气再通过催化燃烧彻底净化。该法结合了吸附法和催化燃烧法的优点，克服了单独使用的缺点，解决了治理低浓度、大风量有机废气的难题，是目前国内治理有机废气的成熟、实用方法之一。其大致的工艺流程如图2。

此工艺目前已较为成熟且有广泛推广，已用于电子、化工、制药、鞋业和涂装等各行各业的有机废气治理。相关喷漆行业的应用案例有比亚迪、太平货柜、新华昌、中集等大型企业均有采用此法处理有机废气。

3.3预处理+活性炭吸附/脱附+溶剂回收

喷漆房排放出来有机废空气先后经过过滤器预处理，滤去废空气中粉尘及漆雾小液滴，再由经过漆雾分离器里的水洗后由高压离心风机抽送进入装有活性炭的吸附槽内。有机废气在通过活性炭层时，被活性炭吸附在孔隙中，空气则透过炭层。达到排放要求的尾气由吸附槽顶部排放口排至大气。吸附槽吸附一定时间，当吸附槽顶部即将穿透时，通入蒸汽加热气体溶剂，使活性炭得到再生。从活性炭表面脱附下来的有机溶剂和水蒸汽进入冷凝器冷凝成液体后，混合液体进入油水分离槽自动分离，分离出来的溶剂液进入储槽，废水直接排到废水处理场。

此法目前普遍用于集装箱及厢式货运车喷漆废气处理，如中集、新华昌、太平货柜等大型企业有采用此法，每年可能回收再利用废气中90%左右的有机物，可产生巨大的环境和经济效益。

3.4生物降解处理法

生物降解处理有机废气的原理主要是利用微生物的代谢活动将VOCs气体转化为CO2、H2O以及细胞组成物的过程，处理工艺主要包括生物过滤池、生物洗涤器、生物滴滤塔以及膜生物反应器[5]。生物降解技术最早出现在美国的研究报道中，至20世纪70年代逐渐在西方各国兴起，而我国相关研究起步较晚。据统计，欧洲21世纪初已有7500多套生物降解处理VOCs装置投入运行[6]。

由于生物降解处理技术在常温、常压下进行，操作条件要求低，能耗、投资和操作费用相对较少，而且无二次污染，因此，该技术在各种环保净化方法中具有较广泛的应用前景。对于VOCs浓度低、风量大的废气，生物法具有设备简单、成本低廉、效果好、操作简便等优点被广泛关注[7]。但生物降解技术也存在一定的局限性，其生物降解速率有限，废气中有机物需能溶于水，对具有生物毒性的物质处理效果较差。汽车涂装的VOCs气体的主要成分是苯系污染物，属难溶或不溶于水的，也可称之为疏水性VOCs。

针对疏水性的VOCs气体，国内外开展了广泛的研究，科学家们大量的实验数据也表明，添加表面活性剂是提高处理效率的方法之一。研究表明：甲苯在表面活性剂浓度小于临界胶束浓度的溶液中增溶明显[8]。王宝庆在用生物过滤法净化乙苯过程中添加的表面活性剂为0.3 mol/L的十六酸钾，可使净化效率提高25.86%[9]。添加表面活性剂促进疏水性有机物增溶和降解，将给工业推广生物降解处理疏水性有机废气带来极大的机遇和发展空间。

4结论

四种有机废气处理的工艺各有优势和适用范围（表1）。目前轿车大部分已采用水性漆，水性漆中有机挥发物的成分比传统的油性漆已大大降低，废气中VOCs的浓度低，“沸石浓缩转轮吸附+催化燃烧”是近年来国外引进的新技术，主要用于处理废气量大、浓度较低的有机废气，因此目前普遍应用于轿车类的喷漆废气处理，不过其一次性投入成本较高；“活性炭吸附/脱附+催化燃烧”工艺较为成熟，目前在国内使用较为广泛，但其较为适用于处理浓度中、高的有机废气，且活性炭和天然气消耗量大，汽车涂装行业的废气特点是风量大、浓度较为偏低，若使用“活性炭吸附+催化燃烧”工艺需要耗费大量的电力及天然气，一方面设备的占地面积大，另一方面运行成本高；“活性炭吸附/脱附+溶剂回收”最大的优点在于环境效益和经济效益明显，此法能吸附浓缩废气中90%以上的有机物成分，并将其脱附、冷凝后回收成有机溶剂，回收后的有机溶剂能二次利用，且不用添加天然气等能源去焚烧。其较适用于喷漆量较大、废气浓度较高的工艺，在集装箱喷漆、货车车厢喷漆等废气处理运用较为广泛，且实例证实，此法可取得较大的经济效益和环保效益；客车生产工艺有别于小轿车和厢式货车等，因客车属于定制化产品，颜色、图案都不一样，大多采用间歇式生产，难以实现流水化连续作业，因此相比轿车和厢式货车等连续性流水线作业的产品，客车喷漆废气的废气量更大、浓度更低，喷漆室在100%工况下，实测的VOCs浓度也都在40 mg/m3以下，若采用以上三种废气处理工艺，投资成本和运行费用都极高，占地面积也极大，且处理效率也有限，生物降解处理法或将是此类喷漆废气的一个良好备选方案。

参考文献：

[1]许淑娟，和军强.汽车涂装喷漆室VOCs处理浅谈[J].清洁生产， 2015，11（18）：58～60.

[2]方云，杨澄宇，陈明清，等.纳米技术与纳米材料（1）——纳米技术与纳米材料简介[J].日用化学工业， 2003，33（1）：55～59.

[3]席劲瑛，武俊良，胡洪营，等. 工业VOCs气体处理技术应用状况调查分析[J]. 中国环境科学， 2012，32（11）：1955～1960.

[4]李长英，陈明功，盛楠，等. 挥发性有机物处理技术的特点与发展[J]. 化工进展， 2016，35（3）：917～924.

[5]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）： 24～28.

[6]Van Groenestijin J W， Kraakman N J R. Recent developments in biologicl waste gas purification in Europe[J]. Chemical Engineering Journal， 2005， 113（2）：85～91.

[7]刘佳，杨竹慧，李坚. 生物表面活性剂在疏水性VOCs生物讲解中的应用潜力[J]. 中国科技论文在线， 2014， 9（3）：355～359.

[8]Chan W C， You H Z. Nonionic surfactant Brij35 effects on toluene biodegradation in a composite bead biofilter[J]. Afr J Biotechnol， 2009， 8（20）： 5406～5414.

[9]王宝庆. 生物过滤法净化含苯系物废气的研究[D]. 西安： 西安建筑科技大学， 2004.

[10]许文红，王家亮，徐世海，等.汽车涂装中几个常易忽视的问题[J].客车技术与研究，2000（2）.

[11]林鸣玉.我国汽车涂装的现状与未来[J]. 汽车工艺与材料，1995（3）.

[12]高成勇.我的汽车涂装事业--成才经验谈[J]. 现代涂料与涂装，2016（6）.

[13]马潇.汽车涂装技术应用探讨[J]. 山东工业技术，2015（6）.

[14]詹兵兵.浅谈喷漆室废弃物处理技术[J]. 现代制造技术与装备，2015（6）.

[15]亓安刚.汽车起重机整车喷漆室通风排毒效果评价[J]. 江苏环境科技，1993（3）.