有機催化燃燒法在噴漆有機廢氣治理中應用研究

　　隨著國家工業化的快速發展，近年來人們對大氣環境質量越來越關注，以揮發性有機污染物為代表的大氣環境污染日趨嚴重，噴漆企業因使用溶劑型涂料和溶劑型稀釋劑而成為揮發性有機廢氣的主要排放源。由于有機廢氣存在易揮發、成分復雜、揮發性不同等特點，難以去除。催化燃燒法是有機廢氣治理的其中一種方法，其在遠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，是商業上處理VOCs應用最有效的處理方法之一。

　　隨著經濟快速發展，應用噴漆工藝的化工、汽車、機械、電子產品、船舶等行業也隨之不斷壯大。噴涂過程中排放的有機廢氣對周圍環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。這些揮發性有機物輕則使人頭痛惡心，重則抽搐昏迷，傷害人體免疫系統。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和大氣環境保護標準限制和治理廢氣產生的危害。

　　一、慨述

　　催化燃燒是典型的氣—固相催化反應，它在催化劑的作用下降低反應的活化能，使其在較低的起燃溫度250～350℃下進行無焰燃燒，在固體催化劑表面有機物質發生氧化，同時產生CO2 和H2O，并放出大量的熱量，因其氧化反應溫度低，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，使其多數形成分子氮。

　　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，以及噴涂過程中產生的揮發性有機化合物形成噴漆廢氣污染環境。由于不同油漆涂料所用溶劑不同，因而在噴涂過程中產生的廢氣組分也不同。以汽車噴涂為例檢測標準，不同油漆以及采用不同工藝生產的涂料其VOCs 成分及比例也大不相同。[1]某規模較大汽車涂料企業中發現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%。某工業園有關涂料的眾多企業時檢測出苯、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，散發在空氣中的漆霧經呼吸道吸入后會引發急慢性中毒，損害人體的神經和造血系統。吸入高濃度的苯、甲苯、乙酸乙酯等廢氣短時間內會抑制人的記憶力、注意力和感覺運動速度，長時間接觸會對肝臟造成毒性反應，甚至對中樞神經造成破壞。見表。

　　三、噴漆廢氣處理技術

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

　　1、濕式凈化法。濕式凈化法是依據相似相溶原理，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。水簾式凈化法是經過水泵循環噴淋產生流動的簾狀水層，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，通過專用循環水泵調節水簾形狀，當噴漆氣流通過水簾時，漆霧被附著留下。工業上常見的水簾式噴漆室設備主要由噴漆室室體、漆霧凈化器、水氣分離器、水過濾器、水循環管、照明裝置、風機、水泵及電器控制系統等部分組成。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，結構簡單。但水幕凈化產生含有漆霧的廢水，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空氣濕度，影響工人工作環境和涂層質量。

　　(2)無泵水幕式凈化法。無泵水幕式凈化法是利用空氣誘導提水形成水幕，當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入氣水攪拌通道，在通道中與水混合;進入集氣箱后由于氣速降低發生氣液分離，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，循環重復凈化噴漆廢氣，相對于水簾式凈化法，無泵式凈化法去除了水泵設備，優化了凈化流程，節約成本和占地面積，同時克服了漆霧黏附管道內壁導致水泵阻塞的現象。

　　2、干式凈化法。干式凈化法是將噴漆廢氣進入過濾器，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，并對其中的揮發性有機物進行少量吸附。該方法無二次污染，不產生廢水;缺點是過濾不夠徹底，對設備污染嚴重，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，企業開始放棄濕式凈化法，轉而使用沒有廢水排出的干式凈化法。

　　三、有機廢氣的凈化處理

　　經去除漆霧處理后的噴涂廢氣主要含有揮發性有機物，其處理技術包括傳統凈化技術、新型凈化技術和復合型凈化技術。燃燒法是將噴漆廢氣中的有機物燃燒氧化，轉換成CO2 和H2O 無害物質達到廢氣凈化目的。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導致不完全燃燒。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℃;但當燃燒不完全時，會導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。

　　2、熱力燃燒法。低濃度可燃有機廢氣可采用熱力燃燒法處理。濃度低可燃性物質導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氣體，通過燃燒助燃氣體提高熱量，使廢氣達到反應溫度并充分燃燒，熱力燃燒法溫度一般在500～900℃范圍內，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，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;但催化劑性能優劣決定VOCs 凈化效果，因此，高性能催化劑選擇和研究開發是高效新型催化燃燒法，處理高濃度、小風量有機廢氣可采用催化燃燒法，但噴漆廢氣風量大、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。當有機廢氣濃度不高時，常規的熱力燃燒和催化燃燒不足以維持自燃，需要額外補充大量熱能，因此宜采用蓄熱燃燒。目前應用的蓄熱燃燒器分兩種：蓄熱式熱力燃燒反應器(RTO)和蓄熱式催化燃燒反應器(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在進行閥門切換過程中會發生管道殘留有機廢氣同凈化后的廢氣一同排放問題，導致在凈化周期內有一半以上時間內無法實現達標排放，凈化效率低于80%;三室RTO 在二室RTO 的基礎上增加了沖洗室，解決了廢氣未處理就排出問題，但閥門過多很難實現同步切換，使未處理廢氣同凈化氣體混合，無法實現達標排放;對于多室RTO 亦是如此。RCO 裝置一般由蓄熱催化爐和旋轉換向閥組成，蓄熱催化爐內分隔成多個蓄熱催化室，有機廢氣通過旋轉換向閥的進氣口進入蓄熱催化室中加熱，待氣體溫度達到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，最后通過旋轉換向閥的排氣口排出，蓄熱燃燒技術優勢在于凈化效率高、無二次污染，同時實現能量回收，節約燃料，具有良好應用前景。

　　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，應用范圍較窄;濕式凈化前期設備投資較高，但性能穩定、凈化效率高、運行成本較低，大部分企業選用該方法。 隨著科技不斷進步和實驗研究的不斷深入，噴漆廢氣治理由單一凈化工藝向多種工藝結合的方向發展，在發揮不同工藝優勢的同時，也規避單一工藝的不足，最大程度提高噴漆廢氣的處理效率。