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有機(jī)催化燃燒法在噴漆有機(jī)廢氣治理中應(yīng)用研究

發(fā)布時間:2023-03-09 返回列表

隨著國家工業(yè)化的快速發(fā)展,近年來人們對大氣環(huán)境質(zhì)量越來越關(guān)注,以揮發(fā)性有機(jī)污染物為代表的大氣環(huán)境污染日趨嚴(yán)重,噴漆企業(yè)因使用溶劑型涂料和溶劑型稀釋劑而成為揮發(fā)性有機(jī)廢氣的主要排放源。由于有機(jī)廢氣存在易揮發(fā)、成分復(fù)雜、揮發(fā)性不同等特點(diǎn),難以去除。催化燃燒法是有機(jī)廢氣治理的其中一種方法,其在遠(yuǎn)低于直接燃燒溫度條件下處理低濃度的VOCs 氣體,具有凈化效率高、無二次污染、能耗低的特點(diǎn),是商業(yè)上處理VOCs應(yīng)用的處理方法之一。

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,應(yīng)用噴漆工藝的化工、汽車、機(jī)械、電子產(chǎn)品、船舶等行業(yè)也隨之不斷壯大。噴涂過程中排放的有機(jī)廢氣對周圍環(huán)境甚至人類健康帶來危害,噴漆廢氣主要以三苯為主,有些還兼具酯類、醚類、酮類等組分。這些揮發(fā)性有機(jī)物輕則使人頭痛惡心,重則抽搐昏迷,傷害人體免疫系統(tǒng)。為有效解決這些問題,國家及部分省市已頒布一系列法律法規(guī)和大氣環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)限制和治理廢氣產(chǎn)生的危害。

一、慨述

催化燃燒是典型的氣—固相催化反應(yīng),它在催化劑的作用下降低反應(yīng)的活化能,使其在較低的起燃溫度250~350℃下進(jìn)行無焰燃燒,在固體催化劑表面有機(jī)物質(zhì)發(fā)生氧化,同時產(chǎn)生CO2 和H2O,并放出大量的熱量,因其氧化反應(yīng)溫度低,所以大大地抑制了空氣中的N2形成高溫NOx。而且由于催化劑有選擇性催化作用,有可能限制燃料中含氮化合物的氧化過程,使其多數(shù)形成分子氮。

催化燃燒廢氣處理設(shè)備

催化燃燒廢氣處理設(shè)備

二、催化噴漆廢氣的成分及危害

在噴漆涂裝過程中高壓空氣噴射的油漆絕大部分停留在工件上,其他未到達(dá)噴涂表面的噴霧微粒與溶解噴漆微粒的水珠懸浮在空氣中,以及噴涂過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)化合物形成噴漆廢氣污染環(huán)境。由于不同油漆涂料所用溶劑不同,因而在噴涂過程中產(chǎn)生的廢氣組分也不同。以汽車噴涂為例檢測標(biāo)準(zhǔn),不同油漆以及采用不同工藝生產(chǎn)的涂料其VOCs 成分及比例也大不相同。[1]某規(guī)模較大汽車涂料企業(yè)中發(fā)現(xiàn)VOCs 主要成分為乙酸仲丁酯、甲基異丁酮、甲苯、乙酸丁酯、乙苯和二甲苯,且二甲苯和乙酸丁酯所占比例接近50%。某工業(yè)園有關(guān)涂料的眾多企業(yè)時檢測出苯、甲苯、二甲苯和正乙烷為VOCs主要成分。研究涂裝排放VOCs 特征譜后得出其主要VOCs 依次為乙酸乙酯、乙苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯和乙酸丁酯等。噴漆廢氣對人類危害不容忽視,散發(fā)在空氣中的漆霧經(jīng)呼吸道吸入后會引發(fā)急慢性中毒,損害人體的神經(jīng)和造血系統(tǒng)。吸入高濃度的苯、甲苯、乙酸乙酯等廢氣短時間內(nèi)會抑制人的記憶力、注意力和感覺運(yùn)動速度,長時間接觸會對肝臟造成毒性反應(yīng),甚至對中樞神經(jīng)造成破壞。

三、噴漆廢氣處理技術(shù)

噴涂廢氣不僅含有揮發(fā)性有機(jī)物,還包含噴涂過程中懸浮在空氣中的漆霧,漆霧會影響后續(xù)有機(jī)廢氣處理,所以噴漆廢氣凈化前需要去除其中的漆霧,以便對其中揮發(fā)性有機(jī)物凈化治理。

1、濕式凈化法。濕式凈化法是依據(jù)相似相溶原理,通過溶劑吸收噴漆廢氣中的漆霧,常用的處理法。

(1)水簾式凈化法。水簾式凈化法是經(jīng)過水泵循環(huán)噴淋產(chǎn)生流動的簾狀水層,水幕捕集飛散的漆霧,一般大型水簾式噴漆室將水簾斜坡放置在室底,通過專用循環(huán)水泵調(diào)節(jié)水簾形狀,當(dāng)噴漆氣流通過水簾時,漆霧被附著留下。工業(yè)上常見的水簾式噴漆室設(shè)備主要由噴漆室室體、漆霧凈化器、水氣分離器、水過濾器、水循環(huán)管、照明裝置、風(fēng)機(jī)、水泵及電器控制系統(tǒng)等部分組成。水簾式凈化法可有效降低噴漆廢氣中漆霧的排放量,操作方便,結(jié)構(gòu)簡單。但水幕凈化產(chǎn)生含有漆霧的廢水,需廢水處理防止二次污染;對于大型水簾噴漆室,大面積水簾會增大室內(nèi)空氣濕度,影響工人工作環(huán)境和涂層質(zhì)量。

(2)無泵水幕式凈化法。無泵水幕式凈化法是利用空氣誘導(dǎo)提水形成水幕,當(dāng)噴漆廢氣與水幕碰撞后,水幕截留霧狀微粒及其攜帶油漆的水珠;然后廢氣穿過水簾進(jìn)入氣水?dāng)嚢柰ǖ?,在通道中與水混合;進(jìn)入集氣箱后由于氣速降低發(fā)生氣液分離,凈化后的氣體排放到大氣中,被分離的水在集氣箱中匯集流向溢水槽,再通過泛水板形成水幕,循環(huán)重復(fù)凈化噴漆廢氣,相對于水簾式凈化法,無泵式凈化法去除了水泵設(shè)備,優(yōu)化了凈化流程,節(jié)約成本和占地面積,同時克服了漆霧黏附管道內(nèi)壁導(dǎo)致水泵阻塞的現(xiàn)象。

2、干式凈化法。干式凈化法是將噴漆廢氣進(jìn)入過濾器,利用濾層阻留噴漆廢氣中的漆霧和顆粒物,常用玻璃纖維棉、爐渣等作為濾料。過濾法可以去除大部分漆霧,并對其中的揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行少量吸附。該方法無二次污染,不產(chǎn)生廢水;缺點(diǎn)是過濾不夠徹底,對設(shè)備污染嚴(yán)重,易堵塞。從表5 可以看出,相對于濕式凈化法,干式凈化法在性能上不夠穩(wěn)定,但由于美國等已將濕式凈化排放的含涂料廢水視為危險廢棄物,企業(yè)開始放棄濕式凈化法,轉(zhuǎn)而使用沒有廢水排出的干式凈化法。

四、有機(jī)廢氣的凈化處理

經(jīng)去除漆霧處理后的噴涂廢氣主要含有揮發(fā)性有機(jī)物,其處理技術(shù)包括傳統(tǒng)凈化技術(shù)、新型凈化技術(shù)和復(fù)合型凈化技術(shù)。燃燒法是將噴漆廢氣中的有機(jī)物燃燒氧化,轉(zhuǎn)換成CO2 和H2O 無害物質(zhì)達(dá)到廢氣凈化目的。燃燒法可分為直接燃燒法、熱力燃燒法、催化燃燒法、蓄熱燃燒法等類型。

1、直接燃燒法。高濃度可燃有機(jī)廢氣宜采用直接燃燒法。直接燃燒法需要足夠高溫度,并保證燃燒空間內(nèi)擁有足夠氧氣。若氧氣量不足則燃燒不完全;若氧氣量過多,會使可燃物濃度不在著火界限范圍內(nèi)導(dǎo)致不完全燃燒。為防止氣體爆炸,一般在鍋爐或敞開的燃燒器中燃燒廢氣,燃燒溫度大于1100℃;但當(dāng)燃燒不完全時,會導(dǎo)致一些污染物和煙塵排放到大氣中,同時燃燒的熱能無法回收,造成燃料能量損失。

催化燃燒廢氣處理設(shè)備

催化燃燒廢氣處理設(shè)備

2、熱力燃燒法。低濃度可燃有機(jī)廢氣可采用熱力燃燒法處理。濃度低可燃性物質(zhì)導(dǎo)致在燃燒過程中不足以釋放支持整個燃燒過程所需的能量,因此需加輔助燃料作為助燃?xì)怏w,通過燃燒助燃?xì)怏w提高熱量,使廢氣達(dá)到反應(yīng)溫度并充分燃燒,熱力燃燒法溫度一般在500~900℃范圍內(nèi),低于直接燃燒法溫度。

3、催化燃燒法。催化燃燒法被視為處理VOCs 的一種高效技術(shù),在催化劑作用下VOCs 可在較低溫度下(通常為200~400℃)氧化生成無污染的CO2 和H2O。催化燃燒法無二次污染,工藝操作簡單,安全性高,起燃溫度低;但催化劑性能優(yōu)劣決定VOCs 凈化效果,因此,高性能催化劑選擇和研究開發(fā)是高效新型催化燃燒法,處理高濃度、小風(fēng)量有機(jī)廢氣可采用催化燃燒法,但噴漆廢氣風(fēng)量大、VOCs 濃度一般低于300mg/m3,不太適合處理噴漆廢氣。

4、蓄熱燃燒法。當(dāng)有機(jī)廢氣濃度不高時,常規(guī)的熱力燃燒和催化燃燒不足以維持自燃,需要額外補(bǔ)充大量熱能,因此宜采用蓄熱燃燒。目前應(yīng)用的蓄熱燃燒器分兩種:蓄熱式熱力燃燒反應(yīng)器(RTO)和蓄熱式催化燃燒反應(yīng)器(RCO)。對于RTO 裝置,一般由蓄熱式換熱器、熱力燃燒室和切換閥門組成,常見的基本形式有二室、三室和多室RTO。二室RTO在進(jìn)行閥門切換過程中會發(fā)生管道殘留有機(jī)廢氣同凈化后的廢氣一同排放問題,導(dǎo)致在凈化周期內(nèi)有一半以上時間內(nèi)無法實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放,凈化效率低于80%;三室RTO 在二室RTO 的基礎(chǔ)上增加了沖洗室,解決了廢氣未處理就排出問題,但閥門過多很難實(shí)現(xiàn)同步切換,使未處理廢氣同凈化氣體混合,無法實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放;對于多室RTO 亦是如此。RCO 裝置一般由蓄熱催化爐和旋轉(zhuǎn)換向閥組成,蓄熱催化爐內(nèi)分隔成多個蓄熱催化室,有機(jī)廢氣通過旋轉(zhuǎn)換向閥的進(jìn)氣口進(jìn)入蓄熱催化室中加熱,待氣體溫度達(dá)到200~500℃后通過另一個蓄熱催化室,在催化劑作用下得到凈化并釋放熱量,凈化后的高溫氣體被蓄熱體吸收能量并降低溫度,最后通過旋轉(zhuǎn)換向閥的排氣口排出,蓄熱燃燒技術(shù)優(yōu)勢在于凈化效率高、無二次污染,同時實(shí)現(xiàn)能量回收,節(jié)約燃料,具有良好應(yīng)用前景。

選擇合適工藝治理噴漆廢氣污染很有必要,干式凈化漆霧過濾效率較低,應(yīng)用范圍較窄;濕式凈化前期設(shè)備投資較高,但性能穩(wěn)定、凈化效率高、運(yùn)行成本較低,大部分企業(yè)選用該方法。 隨著科技不斷進(jìn)步和實(shí)驗(yàn)研究的不斷深入,噴漆廢氣治理由單一凈化工藝向多種工藝結(jié)合的方向發(fā)展,在發(fā)揮不同工藝優(yōu)勢的同時,也規(guī)避單一工藝的不足,最大程度提高噴漆廢氣的處理效率。

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