防水卷材废气处理装置

2024-08-14

防水卷材废气处理装置(共3篇)

防水卷材废气处理装置 篇1

1 废气治理的必要性和紧迫性

改革开放30多年来,我国国民经济经历了快速发展,目前已成为世界第二大经济体。但随着经济的持续发展,环境污染问题也日趋严重,这其中水污染和大气污染成为困扰我国可持续发展的瓶颈。进入2000年以来,华北-环渤海、长三角、珠三角等中国经济最发达地区日益严重的雾霾天气,敲响了治理大气污染的警钟。近年来,国家环保部、发改委、工信部等部委陆续出台了一批大气污染治理措施,其中重要的原则和目标就是要尽量做到污染物减排、清洁生产。

防水材料作为一种重要的建筑材料,在我国近二三十年来发展很快,已从最初单一的纸胎石油沥青油毡品种,发展到今天囊括聚合物改性沥青防水卷材、高分子防水卷材、防水涂料、密封材料等大类品种、门类齐全的建筑防水材料产业。但是,产业集中度不高、布局不合理、产品能耗高、污染大的粗放式发展模式还未得到彻底扭转。于整个行业来说,改性沥青防水卷材既是防水材料中最主要的品种,也是行业中面临环保压力最大的品种,突出的原因在于防水材料生产企业长期以来只重视生产线的产能提升而忽视配套废气处理装置的配备和运行,环保欠账过多。加之防水卷材企业选址往往与居民区相距较近,废气的无组织和低空组织排放,引起周边居民反感和抵触,严重危害人体健康及自然环境,因此必须予以治理,实现达标排放。

工业化国家都对沥青烟气的排放制定了相应的环保标准。美国政府工业卫生工作者会议将工作环境中的沥青烟允许浓度定为0.2 mg/m3。前苏联国家标准规定沥青烟中苯并芘浓度为0.15μg/m3。德国规定排入大气的沥青烟浓度应小于50 mg/m3。我国GB16297—1996《大气污染物综合排放标准》规定了现有污染源排放限值,其中:苯并芘最高允许排放浓度0.50μg/m3,沥青烟(熔炼、浸涂)最高允许排放浓度80mg/m3,沥青烟(建筑搅拌)最高允许排放浓度150mg/m3,沥青烟(吹制沥青)最高允许排放浓度280mg/m3,非甲烷总烃(使用溶剂汽油或其他混合烃类物质)最高排放浓度150 mg/m3,生产设备不得有明显的无组织排放存在;新建污染源污染物排放限值为:颗粒物最高运行排放浓度120 mg/m3,苯并芘最高允许排放浓度0.30μg/m3,沥青烟(熔炼、浸涂)最高允许排放浓度40 mg/m3,沥青烟(建筑搅拌)最高允许排放浓度75 mg/m3,沥青烟(吹制沥青)最高允许排放浓度140 mg/m3,非甲烷总烃最高排放浓度120 mg/m3,生产设备不得有明显的无组织排放存在。所谓非甲烷总烃(NMHC)是指采用HJ/T 38《固定污染源排气中非甲烷总烃的测定气相色谱法》规定的监测方法,检测器有明显响应的除甲烷外的碳氢化合物的总称(以碳计),通常作为排气筒及厂界VOCs排放的综合控制指标[1,2]。

为应对日益严重的雾霾污染,北京市于2014年1月1日起发布并实施了DB 11/1055—2013《防水卷材行业大气污染物排放标准》。该地方标准明确规定:自2014年1月1日起至2015年6月30日止,现有污染源执行第Ⅰ时段相应标准限值;自2015年7月1日起,现有污染源执行第Ⅱ时段相应标准限值。自2014年1月1日标准实施之日起,新建污染源执行第Ⅱ时段相应标准限值。第Ⅰ、Ⅱ时段排放标准如表1、表2所示[3]。

注:* 适用于沥青类防水卷材

这是迄今为止国内第一部针对改性沥青防水卷材生产废气治理排放的标准。标准实施以来,诸多企业在严酷的环保压力下,不得不作做出向河北、山东、辽宁等周边省市迁建的决定。但迁建不等于低水平重复建设,对既有生产线和新建线进行技术改造提升,特别是废气治理环保装置的升级改造成为有社会责任企业现实而必须的选择。

2 废气的来源及特点

改性沥青防水卷材生产废气除空气外主要成分包括沥青烟气、无机填料粉尘以及附着的各种小分子异味物质等。从部位来说,改性沥青防水卷材生产废气主要来源于生产线中浸油池和涂油池以及配料罐三个部位[4]。

现有的改性沥青防水卷材生产线上的浸油池和涂油池由于设计限制,无法完全密闭。为减小沥青加热过程中产生的烟气对车间工作人员的伤害,通常会采用风机外抽的措施。由此,大量的室温空气会随着沥青烟进入收集管道系统,如果浸油池及涂油池烟罩设计不合理,则会导致密度较大的沥青烟长期蓄积在烟罩下部,收集系统效率低下且车间内空气质量恶化。因此,来自浸油池、涂油池部位的废气特点是浓度低、温度低、流量大。

当前改性沥青生产线的配料罐仍以立式搅拌罐为主。改性剂、滑石粉、粉煤灰等粉体添加,通常采用从罐顶一侧的开口向下投放的方式。为消除粉体下落过程中的扬尘,投料期间往往采取在另一侧抽气的方式形成负压,然后再对富含粉尘、沥青烟气的废气进行处理。由于配料时需要先将沥青加热到一定温度(150℃以上)熔融,因此来自该部分的废气具有浓度大、温度高、流量较小(间歇)等特点。

除此之外,由于国内当前防水市场低价竞争盛行,不少企业还会在配方中添加一定量的废胶粉(未经脱硫处理)、废机油(含有大量低分子的可挥发物)等物质,这不仅需要大大增加沥青改性的时间、提高改性温度,使挥发物中的低分子物质、异味物质、可燃物质含量显著增加,也给废气处理系统的正常工作带来巨大挑战。

综合来看,需要重点进行处理的对象包括沥青烟、粉尘和小分子可燃、异味物质。要对这些物质进行处理,必须先了解其特性[5,6]。

2.1 沥青烟

沥青烟气的产生,主要是因为轻组分(芳香分和饱和分)的沸点低于胶质和沥青质的沸点。一般情况下将沥青加热到160℃左右时,沥青中的轻组分由于分子运动的原因,就会脱离胶质和沥青质逸出而形成烟雾。沥青标号越高,其中轻组分的含量相对也越高,在相同的加热条件下产生的烟雾也越多。单纯的沥青挥发,不会产生肉眼可见的挥发物。沥青挥发物中除了含有CO、SO2、NOX等常见的大气污染物以外,还有直径为0.1~1μm的焦油颗粒和3,4-苯并芘等毒性大的物质。

沥青烟气温度一般在50~180℃左右,主要由气、液两相组成。液相部分是十分细微的挥发冷凝物,粒径多在0.1~1.0μm之间,气相是不同气体的混合物。对于这种浓度不高又极为分散的沥青烟雾,用常规的方法不可能将其完全净化处理。目前正在研究发展并已获得应用的净化治理方法有4种类型,即燃烧法、电捕法、吸附法和吸收法。

2.2 粉尘粒子

主要源于粉体填料、改性剂。其特点是粒径较大(0.01~1 mm),比表面积大,堆积密度高,容易在重力作用下发生沉降。从气体中去除粉尘粒子常用的办法包括洗涤、沉降、电除尘等方法。粉尘粒子表面能较高,是沥青烟气中挥发性物质的有效载体,负载挥发性有机物的粒子黏性变大,容易沉积在管道底部。现有生产线由于管道设计不合理、气体流速减小等原因,经常造成收集管路被沉积的粉体粒子堵塞、清洗困难且运行效率低下的问题。捕获收集粉体粒子是实现废气净化的有效手段。

2.3 异味物质

异味物质主要来源包括:从石油沥青中挥发出的杂环物质如噻吩、吡啶、哌嗪,以及从为降低材料成本而添加的废胶粉、废机油中挥发的小分子物质等,其浓度低、沸点低,化学反应活性不高,不容易通过吸附、洗涤、电捕等措施完全除去。在现有配方体系不变的条件下,如何做到无味达标排放,是一项很有挑战性的工作。

治理改性沥青防水卷材生产线废气就是要从源头入手,以设计为出发点,统筹考虑各种治理措施的优缺点,实现治理后废气的达标排放。

3 现有生产废气治理技术调研

3.1 燃烧法[7,8]

沥青烟中含有大量可燃烧的物质,因为沥青烟的基本成分是碳氢化合物,还含有油粒及其他可燃烧的物质,因此在一定的温度下,经供氧是可以保证其燃烧的。试验证明,当温度超过790℃时,燃烧时间大于0.5 s,在供氧充足的条件下,烃类物质可以燃烧得很完全;当温度大于900℃时,混杂在沥青烟中的其他物质也能燃烧得很完全。影响燃烧法应用的因素有两点:1)沥青烟的浓度越高,越有利于焚烧的进行;2)燃烧温度一般在800~1 000℃之间,燃烧时间应该控制在0.5 s左右。如果温度不足、时间不够,则焚烧不完全;若温度过高、时间过长,则会使部分沥青烟炭化成颗粒,以粉末形式随烟气排出产生二次污染。

一般对氧化沥青装置的尾气进行处理时较多地采用燃烧法,但因设备投资大、运行成本高,且具有很大的安全隐患,燃烧法很难在防水行业推广应用。

3.2 电捕法[7,8]

电捕法是基于静电场的一些性质而应用该技术的。沥青烟气净增湿后进入电除雾器,沥青烟中的颗粒及大分子的有机物分子进入电场后,在静电场的作用下,它们可以载上不同电荷,并驱向极板,在被捕集后聚集成液体状靠自身重力作用顺板流下,从静电捕集器底部贮斗定期排出沥青,从而达到净化沥青烟的目的。电除雾器内的温度应保持在70~80℃,以保证沥青不在极板上结块。气量14 000~54 000 m3/h,处理前沥青烟气浓度130~800 mg/m3,处理后能降到10~103 mg/m3,收集效率可达95%以上。采用喷淋调质、宽间距高电压、提高气流速度、改善气流分布均匀性和以单片机为核心的自动控制技术,炭素厂沥青烟净化后排放低于德国等发达国家的排放限值50 mg/m3。

该方法的优点是:1)回收的沥青呈焦油状且均溶于苯或环己烷,可返回生产系统或作燃料使用;2)系统阻力小、能耗少、运行费用低。

缺点是:1)对烟温要求较高,温度过高,不利于静电捕集,温度过低又易于凝结在极板上;2)干式静电捕集对气相组分的捕集效率几乎为零,而湿式静电捕集器虽然可捕集气态沥青,但增加了污水处理设备和维修费用;3)沥青易燃,有时会发生放电着火现象,因此静电捕集器不能用于炭粉尘的捕集回收,特别是不适合炭粉尘与沥青烟气混合气体的净化;4)长期运行净化效率降低,必须进行定期清洗维护;5)一次性投资大,占地面积大。

3.3 吸收法[1]

吸收法俗称洗涤法,是一种常用的工业废气治理方法。它是利用废气中各混合组分在选定的吸收剂中溶解度不同,或者某种组分与吸收剂中活性组分发生反应,达到净化废气的一种方法。吸收净化法应用于沥青烟气治理,就是将烟气中气态污染物(实际上是0.1~1.0μm的焦油细雾粒)转移到液相(吸收剂),从而达到净化烟气的目的。

对于防水行业这种相对少量的沥青烟气处理,用水作为吸收剂是最简单有效的。沥青烟气中的焦油细雾粒被水吸附后,基本不溶于水,也不会发生反应产生大量新的化合物,只是形成浮油漂浮在水面,通过油水分离可以实现污染物的收集。水作为吸收剂可循环使用,所以不会造成二次污染。在其他行业例如焦化厂的含沥青烟气的废气处理中,也有用洗油作吸收剂、在填料塔内进行吸收的[4]。

采用吸收净化法,应根据沥青烟气的处理量、压降、温度等具体情况,设计合适的吸收设备。板式吸收塔是适合要求的一种吸收设备,实际应用最普遍。这种设备工艺简单,制造、安装都较容易。板式吸收塔内有多块板式分离部件,操作时,水从塔顶部进入,顺塔板向下逐级流下,废气从塔底部引入向上逐级穿过塔板,沥青烟气和水在塔板上充分接触进行吸收、传热。处理烟气的工艺流程为工作时水从塔顶部导入,然后沿塔板逐级流下。与此相反,废气从塔底部向上逐级流动,这样可保证废气与水充分接触。筛板塔由于其结构简单、实用,是最常用的一种板式吸收塔。

3.4 吸附法[1]

吸附净化法,顾名思义就是利用各种颗粒小或多孔具有较大比表面积的物质(如活性炭、氧化铝等)作吸附剂,将气体或液体混合物中的一种或多种成分吸收,以达到净化气体或液体的目的。根据吸附过程和原理的不同,分为物理吸附和化学吸附两大类。物理吸附一般不受环境温度变化影响,但温度升高会导致吸附效率的下降,在吸附净化前对沥青烟气进行冷凝处理可提高净化效果。沥青烟气所用的吸附净化属于物理吸附范畴。物理吸附是由分子间引力引起的,通常称为“范德华力”,它是取向力、诱导力和色散力的总称,其特征是吸附剂与吸附质之间不发生化学作用,是一种可逆过程,即吸附与脱附[4]。

选用合适的吸附滤料是吸附净化法的关键之一。作为吸附滤料一般应具有以下特点:具有较大的吸附容量,即吸附滤料应是疏松的固体泡沫;具有良好的选择性,以便达到净化一种或几种污染物的目的;具有良好的再生特性和耐磨能力,有对酸、碱、水、高温的适应性。

沥青烟气吸附净化法的主要设备为固定床式吸附器,一般为圆柱形立式结构,内置格板或孔板,其上放置滤料,沥青烟气由容器内通过,穿过滤料间隙,经吸附后排出或进入下一道工序。该方法的优点是:1)工艺简单、净化效率高;2)投资省,操作维修方便。缺点是:管道阻力大、压差损失较大,需要定期更换吸附介质,运行费用较高。

3.5 过滤法[1]

过滤法是利用多孔介质,与沥青烟气中的焦油细雾粒相碰撞而将烟气中焦油细雾粒吸附下来,从而净化废气的一种方法[4]。从原理上来说,该方法应该是属于吸附法的一种。这种废气净化方法在防水行业已有10多年的应用,也是目前应用最广泛的一种沥青烟气处理方法。作为过滤介质的填料,一般为不锈钢金属丝网。用金属丝网叠成条形或盘形网块,制成符合设计要求的形状后放置于相应的烟气设备中。一般将这种填料层块称为丝网除雾器。作为一种有效的气液分离装置,丝网除雾器设备简单、投资少,通常与其他方法结合使用。该方法的缺点是对于颗粒物及挥发性异味物质无作用,且存在收集废物二次污染的风险,现已很少应用。

3.6 复合处理系统

3.6.1 物理吸附加静电吸附、气味化学分解[1,8]

这是一套综合物理吸附剂及静电捕集、气味化学分解功能于一体的改性沥青防水卷材生产废气处理系统。该系统使废气通过不同部位的风管汇集到总管,再对废气进行处理。在总管的外壳加装套管,于套管内使用冷却塔的水进行冷却,升温后的水再送回冷却塔循环;沥青烟气冷凝后于管壁凝结靠自重滴落于积油斗被回收,废气冷却后送往高效吸滤式油烟净化器进行初步处理。沥青烟气被高效吸滤片处理后,大部分油烟大颗粒分子被去除,收集下来的沥青可完全被回用于生产。然后由自动调节料位的高速喷射系统将石粉喷入气固混合装置,烟气与石粉得以充分气固接触并结合成粉尘粒子。进入电除尘器后,大颗粒粉尘粒子在重力作用下首先得以落入灰斗,中细粉尘粒子随气流前进过程中,由于高压静电作用而被高效去除。粉尘分子(沥青烟气)去除效率据称可达99%以上,收集下来的粉尘可完全被送至防水卷材生产线上回用。

该工艺的优点在于先对废气进行降温,以提高后续吸附阶段的净化效率,并提高电除尘效率。缺点在于采用夹套式冷却废气,导致冷凝物质长期蓄积在管壁,容易造成管道堵塞,清洗也很困难;其次,采用一次过滤(金属滤网)、两次物理吸附(石粉及异味吸附物质),导致系统压力损失严重,风机能耗高,运行费用偏高;第三,粉尘回用容易导致二次污染或挥发性物质在系统内的循环,降低系统效率。

3.6.2 电捕加物理吸附

该方法的创新之处在于采用收集系统加水喷淋,实现废气降温、增湿和颗粒物吸收,为废气进入电捕单元创造便利条件,提高了电捕效率。不足之处在于,未设计喷淋水循环使用系统,存在喷淋水处理及排放问题;采用活性炭吸附式过滤器增加了系统中风压损失,活性炭消耗量大,风机功率高,运行成本较高。

3.6.3 洗涤吸收加等离子、光解净化[9]

该处理工艺流程包括:废气收集→喷淋水洗→气液分离→金属滤器吸收过滤→等离子烟气净化→UV光解异味净化→环保排放。

采用该工艺,先进行水洗降温,再用金属滤器吸收过滤,最后通过等离子辉光放电和UV光解净化实现对废气中异味物质的降解清除,比较适用于气体浓度较低、风量较小的场合,如厨房油烟净化等,对于改性沥青防水卷材生产废气处理则可能存在设备容易损坏、需频繁清洗等不足。

3.6.4 电捕加等离子体复合净化[10]

该系统由洗涤降温段、离心扑雾分离段、机械过滤段、高压静电吸附段、低温等离子体净化段、紫外线光解段6部分组成[5]。此工艺的优点在于通过电捕、等离子体辉光放电,形成高能区域实现小分子异味物质的彻底治理,并使喷淋水实现循环使用,最大限度地实现废气治理初衷;缺点在于等离子发生阶段的等离子灯束容易被油污、水雾污染,造成损坏而频繁更换,使用寿命不长。

4 新型废气处理系统的设计及特点

4.1 系统设计与组成

在技术调研分析的基础上,结合国内当前改性沥青防水卷材生产线实际需要,项目组通过优选设计处理工艺,研制开发出一套新型改性沥青防水卷材生产线废气处理系统。该系统的目标是:工艺简单可行,具有良好的废气处理效果,满足处理后的废气达标排放要求;模块化设计,根据生产线实际需要进行灵活调整组合;全面采用自动控制技术,大幅降低设备运行能耗及占地面积。具体组成如图1所示。

如图1所示,该系统由收集系统、洗涤系统、高压电捕系统、化学分解净化除味系统、自动控制系统、循环系统组成。

4.1.1 收集系统

对于既有线的室内收集系统,采取密闭浸(涂)油池,降低空气吸入截面积、增加风速,以及在正对操作面的一侧隔板处安装风管,加大烟气的吸收力度等改造措施。对于新建线,则采取在浸(涂)油池上部安装侧吸式烟罩及风管的设计。对收集废气的管道,均在连接喷淋吸收塔的主管道内壁安装水喷淋系统,通过水流的清洗作用,防止粉体粒子可能造成的管道堵塞。

针对配料系统废气浓度高、温度高、平均风量小的特点,采取设置清扫孔和在收集管道中设置喷淋水系统的措施。

4.1.2 洗涤系统

废气经洗涤塔洗涤净化,其中的固体颗粒物及大部分油性有机物经过物理混合,形成乳浊液排入油水分离器,待回收利用,剩余的小部分颗粒物及小部分有机雾化物进入水油雾扑捉分离装置。烟气经过水气分离捕雾装置脱去水分后,具有一定湿度的沥青烟气进入高压电捕系统。

4.1.3 高压电捕系统

烟气的温度和湿度(含水量)是影响粉尘比电阻的两个重要因素。温度较低时,粉尘的比电阻是随温度的升高而增加的。通过水洗吸收,降低进入高压静电捕焦器废气的比电阻,降低捕焦器的工作电压,同时通过降温处理,可大大增加设备运行的安全性。高压静电捕焦器的设计就是在给定净化效率η、气体流量Q、工作电压V等参数时,计算得到积尘极面积A,并依据计算结果进行设备选型。

4.1.4 化学分解净化除味系统

经过喷淋塔逆流喷淋洗涤、高压电捕两个单元的净化,废气中的粉尘以及粒径0.1μm以上的物质已经基本被清除干净,但一些挥发性的带有刺激性异味的小分子物质,如胺类、吡啶、噻吩、硫醚等仍有微量残留,将这些物质直接排放到大气中,会引起人体的不适反应,必须加以净化分解。在课题组研发的化学分解净化除味系统中,恶臭气体分子在电场中高能自由基的作用下进一步离解,生成无味的物质,其作用机理尚有待进一步研究。但有一点已明确,臭味分解处理能力与改性沥青的原料组成密切相关,对于含有废胶粉、废机油较多的配方,其除味效果欠佳。

4.1.5 自动控制系统

系统采用可编程逻辑控制(PLC)和变频器组合使用,实现系统中风机、水泵、高压电捕器、化学分解净化装置的自动运行和控制,有效降低系统的运行能耗。

4.1.6 循环水系统

循环水系统的核心部件是油水分离器。混合有粉体粒子和有机油污的废水自分离器底部注入,由于各组分密度不同,即污油<油水混合物<水<粉体粒子,各部分在重力作用下发生分层。粉体粒子沉积到分离器底部,上部为污油,两者通过溢流器进行分离。本系统通过油水混合物三级分离的措施实现循环水的再生和重复使用。

新型废气处理系统典型工艺流程如图2所示。

4.2 系统特点

该新型废气处理系统具有如下特点:

1)收集效率高。通过合理设计收集系统的风罩形状、位置、风量和管径,可实现配料系统和浸、涂油池等部位废气的有效收集,收集效率接近100%。

2)工艺先进。彻底摒弃传统的活性炭吸附工艺原理,对收集废气采用逆向喷水洗涤降温除尘、高压静电捕捉、化学分解等核心工艺措施,实现对废气中有害固、液物质的分离、分解,处理效率高。

3)净化效果明显。可有效分离出废气中的细微固体粒子,将其中的沥青烟及非甲烷类烃分解为无害的小分子,实现有组织达标排放。

4)无有害固液废物排放。系统以水为循环介质,无液体及固体废弃物排放二次污染的问题。

5)能效高。综合采用高效引风机、智能控制系统,根据生产线产能自动调节核心处理部件功率,相对传统废气处理系统能耗下降40%以上。

6)安全稳定、使用寿命长。综合考虑收集系统废气的高温特点,利用水洗等措施消除堵管、火灾等安全隐患,系统运行稳定可靠。管道及核心设备采用耐腐蚀工程塑料制造,使用寿命长,维护保养简单。

5 应用案例

本系统自推出以来,已先后在潍坊宏源、江苏宏源中孚、胜利油田大明、广东科顺、天津禹红、浙江中琼等多个厂家获得应用,取得了较好的效果。从现有检测报告来看,江苏宏源中孚公司废气治理系统排气口外侧废气中沥青烟及苯并芘均未检出;潍坊宏源两套处理系统排气口中沥青烟气浓度均未超过20mg/m3,净化效果显著。

6 结论

通过认真分析和比较改性沥青防水卷材生产过程,从源头入手,对生产线中的配料系统、浸油池、涂油池及管路系统进行优化设计,采用负压收集、管道喷淋、水洗净化、固液分离、电离分解、化学净化等一系列处理单元,实现生产过程中废气的收集、处理和组织排放。经过该废气处理系统净化处理的废气,其排放标准可达到北京市地标DB 11/1055—2013《防水卷材行业大气污染物排放标准》的规定。

任何技术都是不断发展和进步的,该套系统及其处理工艺仍需经过大量实际应用,积累经验,发现问题,不断改善和提高,使之更好地解决防水材料企业的废气排放问题。下一步,将在现有基础上完善装置的除味功能,提升循环水的使用效率。

摘要:未经处理或虽经处理但不达标排放的改性沥青防水卷材生产废气,污染大气环境、危害人体健康,是制约防水材料清洁生产的难题。本文在分析改性沥青防水卷材生产中废气产生的原因、特点和治理复杂性的基础上,对比了几种废气处理方法的优缺点,介绍了新开发的改性沥青防水卷材生产废气处理系统的主要组成、工艺路线设计和技术特点。经国内几家防水材料企业实际应用检验,处理效果良好,基本达到设计初衷。

关键词:改性沥青防水卷材,废气处理系统,清洁生产

新型汽车涂装废气处理装置 篇2

近年来, 我国的汽车制造业得到了长足的发展, 已经成为国民经济的一大支柱产业, 但作为汽车行业基础性产业的汽车装备制造业却处于相对落后状态, 而汽车产业的发展与汽车装备制造业的发展是密不可分的。一方面, 汽车产业的发展水平和产品质量取决于装备水平;另一方面, 装备的先进性和制造成本又影响一个国家汽车工业或一个汽车企业的国际竞争能力。因此, 加快发展汽车装备制造业的国产化, 可大幅度降低汽车制造设备和生产线的价格, 提高我国汽车企业在国际市场上的竞争能力。

随着我国汽车行业的迅猛发展, 作为汽车四大工艺装备之一的汽车涂装行业的发展规模和技术水平也得到了飞速提高。在汽车涂装特别是烘干过程中, 会产生大量的含有甲苯、二甲苯等有机溶剂挥发物的有害气体 (以下简称为有机废气) , 这些有机废气若直接排放将会造成严重的环境污染, 还造成大量的可燃物质损失, 也是对能源的一种浪费。因此, 必须对这部分有机废气进行达标处理之后才能进行排放。

针对上述情况, 以有机废气焚烧炉作为烘干设备的热源, 配以两级或多级三元体换热装置逐级进行换热, 从而对烘干设备的各个加热段进行供热的烘干设备加热模式应运而生。这种加热模式将有机废气的处理和烘干设备的供热有机地结合在一起, 不仅彻底解决了烘干过程中产生的有机废气的达标排放问题, 而且最大限度地利用了能源, 是将环保和节能有机结合的综合考虑解决方案, 在高水平、高产量轿车涂装生产线的大型烘干设备上得到了广泛的应用。

有机废气处理方式

国内以往处理这部分有机废气一般采用以下几种方式:

(1) 高空直接排放 不仅严重污染环境, 而且大量的可燃物质损失, 现已不允许采用。

(2) 将有机废气引入到一种特制的焚烧炉内进行焚烧后排放 其主要缺点是焚烧加热要浪费一些燃料, 且燃烧后的热量直接排放, 对能源造成更大的浪费。

(3) 催化燃烧后排放 将有机废气加热后经过某种特殊催化剂催化, 降低有机成分的燃点, 使其有害成分燃烧分解为二氧化碳和水蒸气后排入大气。这种方法的缺点是:加热有机废气体需要部分能源, 一般采用电能;有机废气燃烧后产生的热量未被利用, 直接排放, 造成能源浪费;在烘干过程中, 有机气体产生的量和有机气体的浓度随生产的变化而变化, 因而催化燃烧装置处理有机废气的效果时好时坏, 不能完全满足国家环保排放标准的要求;催化剂在工作一段时间后会发生老化现象, 处理效果会越来越差, 需更换催化剂, 影响生产和造成资金浪费。

(4) 将有机废气引到热风炉炉膛内进行焚烧, 在焚烧废气的同时给烘干室提供热量 这种方法的主要缺点是热风炉的运行状况是靠烘干室内的温度来控制的。当烘干室内温度较低时, 热风炉的燃烧器处于满负荷工作状态, 此时有机废气的处理效果较好, 可以满足废气焚烧和烘干室的供热要求;当烘干室内温度较高时, 热风炉的燃烧器可能会处于半负荷工作状态, 此时有机废气的处理效果就不好;当烘干室内温度高于设定温度时, 热风炉的燃烧器停止工作, 此时有机废气就得不到处理而被排放, 不能满足环保的排放要求。

(5) 采用R T O蓄热式热力焚化炉, 它是将数台烘干室排出的有机废气集中后一起进行焚烧, 废气处理效果较好。这种方法的主要缺点是:安装空间较大;造价较高;有机废气焚烧受控于其浓度, 当浓度低时将需要部分燃料;有机废气焚烧后的热量未充分利用, 部分被直接排放, 造成能源的浪费。

FSL-80新型废气焚烧炉

根据上述情况, 机械工业第四设计研究院会同其他相关单位, 吸取部分国外的先进技术, 研制开发出了一套以有机废气焚烧炉装置作为热源, 以辐射加热混风装置、对流加热三元体换热装置和新鲜空气换热装置等作为烘干室的供热系统, 该系统兼顾了废气焚烧及烘干室供热两种功能, 在彻底干净地将烘干室中排出的有机废气中的有害成分燃烧分解为二氧化碳和水蒸汽的同时, 又最大限度的利用设备为烘干室供热, 为油漆烘干提供了一种全新的方法。

废气焚烧炉装置是该焚烧烘干供热系统中的核心设备, 下面介绍其性能指标、结构、工作原理和特点。

1. 性能指标

(1) 总体指标 该废气焚烧炉及供热系统装置能够净化有机废气8000m3/h以上, 净化后废气中有害气体的排放浓度符合国家环保标准GB16297-1996《大气污染物综合排放标准》的要求, 同时能够向烘干设备提供相当于1600kW以上加热功率的热源, 达到国际同类产品的技术水平。

(2) 净化后废气中主要有害成分甲苯、二甲苯的排放浓度均不高于40mg/m3, NOx的排放浓度不大于200mg/m3。

(3) 该设备能在全年工作300天, 每天工作24h的状态下正常运行, 主体设备使用寿命为10年以上。

2. 结构

如下图所示, 该废气焚烧炉结构形式为卧式圆筒炉, 主要包括焚烧炉保温壳体、主燃料供给和控制管路、点火烧嘴燃料控制管路、压缩空气管路、燃烧器、燃料燃烧和废气焚烧室、入炉废气预热换热器、废气出口电动调节阀、废气压差测量装置以及自动控制系统等。该装置采用国际当前最流行的炉型, 将炉膛与废气预热器设计成夹套式, 不仅使设备结构布置更加紧凑, 而且由于废气预热时冷却了炉膛壁板, 大大延长了设备的使用寿命。

(1) 保温壳体 保温壳体同样设计成圆筒状结构, 便于自由膨胀。保温材料采用优质硅酸铝耐火纤维毡, 通过锚固钉与不锈钢丝网将其固定在炉体上, 外表用1mm厚的镀锌钢板进行包裹装饰。热桥处温度不高于60℃, 其余部分表面温度不高于环境温度+15℃。最大外形尺寸:φ3000mm×6500mm, 并设有坚固的支座和吊耳。

(2) 主燃料供给和控制管路 包括燃料主关断阀、过滤系统、放散阀组、排水阀组、燃料取样阀组、燃料压力调节阀组、燃料控制调节阀组、燃料泄露报警和控制阀组等。

(3) 点火烧嘴燃料控制管路 主要由点火燃料控制阀组组成。

(4) 压缩空气管路 包括压缩空气管道主关断阀、压缩空气过滤净化装置、压缩空气压力调节装置、压缩空气流量自动调节阀组等。

(5) 燃烧器 燃烧器为炉膛提供稳定的燃烧火焰, 要求其具有较高的燃烧稳定性和较大的负荷调节比范围, 保证不同情况下的燃料燃烧和废气的完全净化, 防止产生光化学烟雾物质NOx。燃烧器包括主燃烧器、点火烧嘴、紫外线扫描仪火焰检测器、火焰燃烧状况窥视器等。安装结构的设计便于同MAXONE和CLIPSE相应型号的燃烧器进行互换。

(6) 燃料燃烧和废气焚烧室 为圆筒状结构, 便于自由热膨胀, 采用耐温不低于1000℃的0Cr25Ni20耐热钢制成, 保证在高温下的强度和使用寿命。

(7) 入炉废气预热换热器 采用管壳浮头式结构, 由224根φ38mm×1.5mm的耐热钢列管和五块环形耐热钢折流板组成。折流板与传热管非焊连接, 保证传热管能自由伸缩, 有效解决高温下换热器列管热膨胀的问题。换热器具有足够的换热面积和冷、热气体流通面积, 确保进入废气焚烧室的废气预热温度不低于420℃。

(8) 废气出口电动调节阀 在废气焚烧室后部至高温烟气管道出口处设有电动调节阀, 可以调节进入废气预热换热器的高温烟气量和废气预热温度, 同时, 可调节废气焚烧炉的出口烟温。

(9) 废气压差测量装置 可以测量废气焚烧炉炉膛与进入废气预热器前的压差。

(10) 自动控制系统 控制系统由现场一次仪表 (变送器、调节阀、切断阀、火焰检测器等) 和现场控制柜等控制单元组成, 具有完善的控制功能和安全保护措施。主要仪表和控制系统的关键元件均选自进口或著名合资厂家的产品, 可靠性高。

(11) 自动控制系统具有以下功能:自动和手动启、停功能;自动安全保护功能;过程参数的显示与自动控制功能;过程参数的声光报警功能。

(12) 自动控制系统的调节回路 燃料流量调节回路——调节燃料流量以满足负荷变化要求;废气温度调节回路——采用串级调节方案, 由废气出口温度调节器与燃料气流量调节器组成串级回路。

(13) 自动控制系统的监测点废气温度监测——指示废气出口温度, 信号反馈到燃料流量调节回路;炉膛火焰监测——双火焰监测器, 信号参与报警联锁;炉膛温度监测——信号参与报警联锁。

(14) 自动控制系统的安保联锁与报警 以下条件成立时进行停车联锁:停车按钮按下;火焰熄灭;废气风机故障。

当炉膛温度过高或一台火检判断无火焰信号时进行报警。

3. 工作原理

该废气焚烧炉的工作原理是:烘干设备内8000m3/h、温度为140~180℃有机废气通过专门引风机引至废气焚烧炉的废气入口, 经废气预热器和燃烧筒外壁充分预热至420℃后, 小部分送至轻柴油 (或天然气或城市煤气) 燃烧器做助燃风, 大部分从燃烧器四周旋口切向进入750℃以上的高温炉膛进行均匀混合焚烧, 由于总焚烧时间不少于1s, 因此有机废气中的甲苯、二甲苯等有害物质得到彻底氧化分解, 变成二氧化碳和水蒸气, 随烟气进入废气换热器的列管内部, 与列管外部的低温有机废气进行热交换, 降温至525℃后送入总排烟管道, 经后序三元体热风循环换热单元和新鲜空气换热单元逐级换热降温后, 以较低温度 (150℃左右) 排出车间之外。

4. 特点

(1) 满足废气净化的三个条件, 即足够高的燃烧温度、足够长的燃烧滞留时间和足够充分的接触混合度。

(2) 配有高效管式换热器, 保证废气进入炉膛燃烧之前得到充分预热, 降低燃料消耗。

(3) 具有通用性, 通过调换燃烧装置可满足不同的燃料使用条件, 本项目按燃轻柴油设计。

(4) 技术先进, 自动化程度高。实现自动启停、自动调节热负荷, 实现无人值守。

(5) 安全保护及相应联锁功能齐全, 确保焚烧炉运行安全可靠。

(6) 使用寿命长, 主体设备正常使用不低于10年。

(7) 采用卧式结构, 方便在桥式或∏形烘干设备下方布置。

结语

防水卷材废气处理装置 篇3

肼-70燃料含有肼,肼具有易燃、易爆及有毒等特点,在其使用过程中,必须即时、高效、可靠地对产生含肼废气及其燃烧所排出的高温燃气进行环保处理。

以前的绝大部分推进剂废气处理装置均为固定安装、单一地点使用的,不具有机动性,无法满足外部环境作业的实际应用需要。为满足对含肼高温废气进行处理的需求,研制车载型肼废气处理装置。在原有固定式废气处理装置基础上进行适应车载使用要求的改进设计,使其具有可适应外部较恶劣环境中的机动性能,提高使用中的安全性与可靠性。防止对操作人员造成健康损害,防止对周边环境造成污染,保障工作的正常进行。

1设计目标

设计一种车载式肼-70废气处理装置,满足以下技术指标要求:

1可对流量为110g/s,温度400~600摄氏度的废气进行有效处理。

2可将浓度为30mg/m3左右的肼-70废气以及其燃烧所产生的高温燃气处理至≤0.13mg/m3。

(3)装置整体具备移动性,可经受一般公路行驶条件。

2设计过程

2.1技术原理

车载式肼-70废气处理装置通过内置的废气吸收塔,采用喷淋吸收法去除废气中的有害成分,将其无害化处理并排入大气。

在喷淋吸收塔中设置填料层,利用填料巨大的比表面积增大液气的接触面积,显著缩短废气的吸收进程,提高废气的吸收率。喷淋吸收塔采用逆流操作方式,可增大液气的紊流程度,增大吸收液在填料上的湿润率,增大液气接触面积,有利于吸收过程的快速进行和吸收率的提高。此外,在原有气体传质吸收基础上,在吸收液中添加复合药剂,使得被吸收的肼类物质在液相中被快速降解,从而增加了吸收效率且降低了吸收液的处理难度。

根据废气产生量、排放速率、废气最大产生浓度以及排放指标等设计条件,对系统进行传质系数、物料平衡及热量平衡等计算,确定吸收塔和吸收液贮箱的具体参数,选用合理的填料,结合工作环境的特点确定合理的设备材质,设计吸收效率高、阻力小的吸收设备,保证处理能力及处理效率满足工程需要及环保要求。

2.2总体思路

为满足处理量和处理效率的要求,进行处理过程的模拟计算,确定关键工艺参数(包括废气进气压力,进气流量、罐壁厚度、喷淋塔直径、塔高度、塔壁厚度、填料总高度、空塔气速、操作喷淋密度、喷淋压力、吸收液流量、吸收液贮箱容积等),实现模块化、小型化的要求。在此基础上进行离心风机与吸收液循环泵的选择,并开展车体结构设计,确保其能稳定承载废气处理设备,并承受行驶中可能发生的振动、加减速等冲击,满足车载型设备的要求。

2.3总体设计

车载式肼-70废气处理装置由废气处理、气路、液路、控制、供电共五个分系统组成。

废气处理系统的主体是肼-70废气吸收塔。在塔内,肼-70废气与吸收液逆向流动,两者在塔内填料作用下,产生极大的气液接触面积,从而将气体中的有害成分吸收,达到净化废气的目的。

气路系统包括气路管路、气液分离器与风机,气液分离器用于将排气管中残余的少许吸收液经旋风分离原理进行分离,并使其回流入吸收液贮箱,提高吸收液使用率;风机用于降低设备流阻,确保顺畅排气。

液路系统包括吸收液循环泵与吸收液贮箱,吸收液贮箱采用耐腐蚀设计,以保障吸收液的安全存储,循环泵提供将吸收液输送进吸收塔并喷淋雾化的动力,使其可在塔内喷淋器的作用下均匀雾化喷出,增大气液接触面积。

控制系统用于对循环泵、风机等部件的运行控制,保证废气处理装置正常工作。

供电系统包括发电机和供电自动切换模块,可使装置在有、无外供电条件下均可正常工作,扩展了装置的使用范围。

车载式肼-70废气处理装置设计图见图1。

2.4肼-70废气吸收塔设计

肼-70废气吸收组件包括吸收塔、吸收液贮箱与配套管路、阀门等。吸收塔是处理肼-70废气的主要场所,塔高2m(不含尾气排放口),塔径0.6m,在装置内由3个此规格吸收塔串联连接,在满足废气处理量的基础上增加了废气处理效率,且缩小了装置总体积。装置可对排气速率为110g/s的含肼废气进行处理,处理后排气中肼浓度≤0.13mg/m3。

吸收塔是废气处理装置的核心组件,其尺寸、参数设计需在理论与工程实践的结合下经模拟、计算,并根据装置具体工况进行优化。

使用Aspen Plus化工流程分析软件对吸收塔气液传质情况建立模型,通过系统的传质系数、物料平衡及热量平衡等衡算,计算出适宜此装置工况的气、液处理参数,并在满足总处理要求的前提下进行优化,以符合整体装置小型化的要求。

使用Fluent流场分析软件对吸收塔、气体管路、气液分离器的流场与温度场进行了模拟,根据模拟结果对气体通道设计进行优化,以减小管路内流阻。针对现场废气温度较高的特点,进行了Fluent温场分析,对组件内高温集中的区域使用耐高温合金,其它区域则选用普通不锈钢材料,既保障了装置运行的可靠性,亦降低了设备重量,节省了成本。另外,为考虑整体设备过路、过桥所带来的最大尺寸限制,节省设备内部空间,将水箱与吸收塔以共体的方式而非分体形式连接。针对车载设备行驶时产生的加速度与冲击,在应力分析的基础上,对吸收塔组件关键位置进行了强化设计,并通过Ansys有限元软件对强化设计进行应力模拟分析,确保装置的强度和可靠性。肼-70废气吸收塔设计见图2。

为适应外部环境工作要求,废气处理塔进行了两个方向的工艺改进研究:一是降低高度设计,二是轻量化设计。

为确保废气吸收的效果,通过工艺计算确定填料总高度,但车载形式要求设备单体高度不能超过3m,因此采用多塔串联处理方式,在确保不降低废气处理效果基础上降低了单体设备高度。

原固定式废气处理装置不包含吸收液的总重量达3吨以上,为满足车载设备的轻量化要求,采用填料塔与吸收液贮箱一体化设计,比原模块化设计更加充分地利用了高度空间,并且充分挖掘设备各部件重量的利用率,在确保填料量、吸收液量的基础上成功实现轻量化设计。

此外,本车载设备使用的吸收液也与设备的废气处理量与处理效率相关。吸收液通过酸碱中和反应与氧化还原反应吸收、降解肼蒸汽,从而对设备排气进行无害化处理。并且,为适应外部环境使用要求,在吸收液中添加防冻剂,避免吸收液因环境温度较低而出现结冰现象,从而扩展了设备使用的地理范围。经测定,吸收液的冰点在-25~-30℃范围内,符合设计要求。

2.5拖车设计

拖车是用以支撑肼-70废气处理装置主体的重要组件,在参照市场已有拖车结构的基础上,针对装置自身特点以及客户需求,进行优化、改进设计。首先根据车体内各组件的重量,对内部设备布局进行设计,平衡车体配重。并针对拖车减震、内部空间、内部照明、内部防腐、内部设备保温、整体防侧翻与降噪等进行深入细化设计,根据过路、过桥所涉及的车体最大尺寸限制减小拖车尺寸,以满足设备自身的运行要求与客户需求。拖车的外形结构见图3。

3试验验证情况

为考察车载式废气处理装置是否达到了设计指标要求,开展了肼-70废气处理试验、废气源联调试验以及行车试验,对车载式废气处理装置的性能进行了考核。

3.1肼-70废气处理试验

启动废气处理装置,将浓度约为10%、流量为150g/s的含肼气体导入装置内,在装置排气口以肼气体传感器进行检验,考察产品性能。车载型废气处理装置可将浓度约为10%、流量为150g/s的含肼气体经无害化处理,处理后的排气中肼浓度≤0.04mg/m3,符合设计要求。

3.2废气源联调试验

经与废气源联合进行实际工况废气处理试验考核,在系统工作全过程中,排气中均未检出肼,且装置工作正常,证明装置可以耐受废气源排气所带来的高温,处理能力及处理效果满足设计要求。

3.3行车试验

对拖车进行转向性能、爬坡性能、跟踪能力、可靠行驶里程与行车、驻车制动性能检验。试验结果表明,在此试验条件下,挂车与内部的废气处理装置均工作正常。

4结论

车载型废气处理装置的研制成功圆满地解决了对含肼高温废气进行环保处理的问题,满足了实时处理肼-70高温燃气排放的要求。

参考文献

[1]李亚裕.液体推进剂.中国宇航出版社:北京,2011.

[2]GB16221-1996,车间空气中肼卫生标准[S].

[3]JB4710-2005,钢制塔式容器[S].

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