Основными загрязняющими веществами, выделяемыми при покраске, являются: лакокрасочный туман и органические растворители, образующиеся при распылении краски, а также органические растворители, образующиеся при испарении в процессе сушки. Лакокрасочный туман в основном образуется из части растворителя, используемого при воздушном распылении, и его состав соответствует составу используемого покрытия. Органические растворители в основном образуются из растворителей и разбавителей в процессе нанесения покрытий, большинство из них являются летучими веществами, а их основными загрязняющими веществами являются ксилол, бензол, толуол и др. Таким образом, основным источником вредных отходящих газов, выделяемых при покраске, является цех распыления краски, сушильный цех и сушильная камера.
1. Метод очистки отходящих газов на линии по производству автомобилей.
1.1 Схема обработки органических отходящих газов в процессе сушки
Газ, выделяющийся из камер электрофореза, нанесения покрытий на промежуточные и поверхностные слои, относится к высокотемпературным и высококонцентрированным отходящим газам, которые подходят для сжигания. В настоящее время к наиболее распространенным методам обработки отходящих газов в процессе сушки относятся: технология регенеративного термического окисления (RTO), технология регенеративного каталитического сжигания (RCO) и система термического сжигания с рекуперацией TNV.
1.1.1 Технология термического окисления с использованием теплоаккумуляторов (RTO)
Термический окислитель (регенеративный термический окислитель, RTO) — это энергосберегающее и экологически безопасное устройство для очистки отходящих газов со средней и низкой концентрацией летучих органических соединений. Подходит для больших объемов и низких концентраций, например, для органических отходящих газов с концентрацией от 100 до 20000 ppm. Низкие эксплуатационные расходы: при концентрации органических отходящих газов выше 450 ppm устройство RTO не требует добавления вспомогательного топлива; высокая степень очистки: двухступенчатый RTO может достигать более 98%, трехступенчатый RTO — более 99%, при этом отсутствует вторичное загрязнение, такое как оксиды азота (NOx); автоматическое управление, простота в эксплуатации; высокая безопасность.
Устройство регенеративного теплового окисления использует метод термического окисления для обработки органических отходящих газов средней и низкой концентрации, а для рекуперации тепла используется теплообменник с керамическим теплоаккумулирующим слоем. Оно состоит из керамического теплоаккумулирующего слоя, автоматического регулирующего клапана, камеры сгорания и системы управления. Основные особенности: автоматический регулирующий клапан в нижней части теплоаккумулирующего слоя соединен с впускным и выпускным патрубками соответственно, и теплоаккумулирующий слой аккумулирует тепло путем предварительного нагрева органических отходящих газов, поступающих в него, с помощью керамического теплоаккумулирующего материала; органические отходящие газы, предварительно нагретые до определенной температуры (760℃), окисляются в камере сгорания с образованием диоксида углерода и воды, после чего очищаются. Типичная двухслойная основная конструкция устройства регенеративного теплового окисления состоит из одной камеры сгорания, двух керамических насадок и четырех переключающих клапанов. Регенеративный теплообменник с керамическими насадками в устройстве позволяет максимально увеличить рекуперацию тепла более чем на 95%; при обработке органических отходящих газов используется мало топлива или его совсем нет.
Преимущества: При работе с большими потоками и низкой концентрацией органических отходящих газов эксплуатационные расходы очень низкие.
Недостатки: высокие единовременные инвестиции, высокая температура сгорания, не подходит для обработки органических отходящих газов высокой концентрации, большое количество движущихся частей, требует более частого технического обслуживания.
1.1.2 Технология термокаталитического сжигания (RCO)
Устройство регенеративного каталитического сжигания (регенеративный каталитический окислитель RCO) применяется непосредственно для очистки органических отходящих газов средней и высокой концентрации (1000 мг/м³-10000 мг/м³). Технология обработки RCO особенно подходит для предприятий с высокими требованиями к коэффициенту рекуперации тепла, а также для производственных линий, где состав отходящих газов часто меняется или их концентрация сильно колеблется в зависимости от вида продукции. Она особенно подходит для предприятий, нуждающихся в рекуперации тепловой энергии, или для очистки отходящих газов магистральных линий сушки, а рекуперированная энергия может быть использована для магистральных линий сушки, что позволяет достичь цели энергосбережения.
Технология регенеративного каталитического сжигания представляет собой типичную газо-твердофазную реакцию, которая фактически является глубоким окислением активных форм кислорода. В процессе каталитического окисления адсорбция на поверхности катализатора приводит к обогащению поверхности катализатора молекулами реагентов. Эффект катализатора в снижении энергии активации ускоряет реакцию окисления и повышает скорость реакции окисления. Под действием специфического катализатора органические вещества при низкой начальной температуре (250–300 ℃) разлагаются без окислительного сжигания на диоксид углерода и воду, выделяя при этом большое количество тепловой энергии.
Установка RCO в основном состоит из корпуса печи, каталитического теплоаккумулятора, системы сжигания, системы автоматического управления, автоматического клапана и ряда других систем. В процессе промышленного производства отработанные органические газы поступают в вращающийся клапан оборудования через вытяжной вентилятор, и входящий и выходящий газы полностью разделяются через вращающийся клапан. Тепловая энергия аккумулируется и происходит теплообмен газа, который практически достигает заданной температуры за счет каталитического окисления каталитического слоя; отработанные газы продолжают нагреваться в зоне нагрева (с помощью электрического или газового нагрева) и поддерживают заданную температуру; они поступают в каталитический слой для завершения реакции каталитического окисления, а именно, в результате реакции образуются диоксид углерода и вода, и выделяется большое количество тепловой энергии для достижения желаемого эффекта обработки. Газ, подвергнутый каталитическому окислению, поступает в керамический слой 2, и тепловая энергия отводится в атмосферу через вращающийся клапан. После очистки температура отработанных газов лишь немного выше, чем до обработки. Система работает непрерывно и переключается автоматически. Благодаря работе вращающегося клапана все керамические заполняющие слои проходят циклы нагрева, охлаждения и очистки, а тепловая энергия может быть рекуперирована.
Преимущества: простая технологическая схема, компактное оборудование, надежная работа; высокая эффективность очистки, как правило, более 98%; низкая температура сгорания; низкие капитальные затраты, низкие эксплуатационные расходы, эффективность рекуперации тепла, как правило, достигает более 85%; весь процесс не сопровождается образованием сточных вод, процесс очистки не приводит к вторичному загрязнению оксидами азота; оборудование для очистки RCO может использоваться с сушильной камерой, очищенный газ может быть непосредственно использован повторно в сушильной камере, что позволяет достичь цели энергосбережения и сокращения выбросов.
Недостатки: каталитическое сжигание подходит только для обработки органических отходящих газов с низкой температурой кипения органических компонентов и низким содержанием золы, а обработка отходящих газов с липкими веществами, такими как маслянистый дым, не подходит, и катализатор необходимо отравлять; концентрация органических отходящих газов составляет менее 20%.
1.1.3ТНВ Система термического сжигания с рециркуляцией
Система термического сжигания с рециркуляцией (нем. Thermische Nachverbrennung TNV) использует прямое сжигание газа или топлива для нагрева отходящих газов, содержащих органические растворители. Под действием высокой температуры молекулы органического растворителя окисляются и разлагаются на диоксид углерода и воду. Высокотемпературные дымовые газы, используя многоступенчатое теплообменное устройство, нагревают необходимый для производственного процесса воздух или горячую воду, обеспечивая полную рециркуляцию тепловой энергии отходящих газов, окисление и разложение органических растворителей, что снижает энергопотребление всей системы. Таким образом, система TNV является эффективным и идеальным способом обработки отходящих газов, содержащих органические растворители, когда производственный процесс требует большого количества тепловой энергии. Для новых линий по производству электрофоретических лакокрасочных покрытий обычно используется система термического сжигания с рециркуляцией TNV.
Система TNV состоит из трех частей: системы предварительного подогрева и сжигания отходящих газов, системы циркуляционного воздушного отопления и системы теплообмена свежего воздуха. Централизованное устройство отопления для сжигания отходящих газов является основной частью системы TNV и состоит из корпуса печи, камеры сгорания, теплообменника, горелки и главного регулирующего клапана дымохода. Принцип его работы следующий: с помощью напорного вентилятора органические отходящие газы из сушильной камеры, после предварительного подогрева в теплообменнике, установленном в системе центрального отопления для сжигания отходящих газов, поступают в камеру сгорания, а затем через горелку нагреваются при высокой температуре (около 750℃) для окисления и разложения органических отходящих газов на диоксид углерода и воду. Образовавшиеся высокотемпературные дымовые газы отводятся через теплообменник и главный дымоход в печь. Отводимые дымовые газы нагревают циркулирующий воздух в сушильной камере, обеспечивая необходимую тепловую энергию. В конце системы установлено устройство теплообмена свежего воздуха для рекуперации отходящего тепла. Свежий воздух, поступающий из сушильной камеры, нагревается дымовыми газами и затем подается в сушильную камеру. Кроме того, на главном газопроводе установлен электрический регулирующий клапан, который используется для регулирования температуры дымовых газов на выходе из устройства, что позволяет поддерживать конечную температуру дымовых газов на уровне около 160℃.
Характеристики центрального отопительного устройства, использующего сжигание отходящих газов, включают: время нахождения органических отходящих газов в камере сгорания составляет 1–2 с; степень разложения органических отходящих газов превышает 99%; степень рекуперации тепла может достигать 76%; а коэффициент регулирования мощности горелки может достигать 26:1, вплоть до 40:1.
Недостатки: при обработке органических отходящих газов низкой концентрации эксплуатационные расходы выше; трубчатый теплообменник работает только в непрерывном режиме и имеет длительный срок службы.
1.2 Схема очистки органических отходящих газов в покрасочном цехе и сушильном цехе
Газ, выходящий из покрасочного цеха и сушильной камеры, представляет собой низкоконцентрированный отходящий газ с большим расходом и комнатной температурой, а его основной состав загрязняющих веществ — ароматические углеводороды, эфиры спиртов и сложные эфиры органических растворителей. В настоящее время наиболее зрелыми зарубежными методами являются: первичная концентрация органических отходящих газов для снижения их общего количества, первичный метод адсорбции (активированный уголь или цеолит в качестве адсорбента) для низкоконцентрированной адсорбции отходящих газов при комнатной температуре, высокотемпературная отгонка газа, концентрирование отходящих газов с помощью каталитического сжигания или регенеративного термического сжигания.
1.2.1 Устройство для адсорбции-десорбции и очистки с использованием активированного угля
В устройстве используется сотовый активированный уголь в качестве адсорбента, сочетающий принципы адсорбционной очистки, десорбционной регенерации и концентрирования летучих органических соединений (ЛОС) с каталитическим сжиганием. Благодаря адсорбции на сотовом активированном угле достигается высокая производительность по воздуху и низкая концентрация органических отходящих газов. После насыщения активированного угля он регенерируется горячим воздухом. Десорбированные концентрированные органические вещества направляются в каталитический слой для каталитического сжигания, где они окисляются до безвредного диоксида углерода и воды. Горячие отходящие газы нагревают холодный воздух через теплообменник, при этом часть охлаждающего газа выделяется после теплообмена. Часть отработанного тепла используется для десорбционной регенерации сотового активированного угля, что позволяет использовать отработанное тепло и экономить энергию. Устройство состоит из предварительного фильтра, адсорбционного слоя, каталитического слоя, огнезащитного элемента, соответствующего вентилятора, клапана и т.д.
Устройство для очистки с помощью адсорбции-десорбции активированного угля разработано на основе двух основных принципов адсорбции и каталитического сжигания, используя двухканальный газопровод непрерывной работы, каталитическую камеру сжигания и два адсорбционных слоя, работающих попеременно. Сначала органические отходящие газы адсорбируются на активированном угле, после быстрого насыщения адсорбция прекращается, затем поток горячего воздуха удаляет органические вещества из активированного угля для его регенерации; органические вещества концентрируются (концентрация в десятки раз выше исходной) и направляются в каталитическую камеру сжигания для каталитического сжигания с выделением диоксида углерода и водяного пара. Когда концентрация органических отходящих газов достигает более 2000 ppm, органические отходящие газы могут поддерживать самопроизвольное сгорание в каталитическом слое без внешнего нагрева. Часть отходящих газов выбрасывается в атмосферу, а большая часть направляется в адсорбционный слой для регенерации активированного угля. Это позволяет обеспечить необходимое количество тепловой энергии для сжигания и адсорбции, что способствует энергосбережению. После регенерации происходит последующая адсорбция. При десорбции очистка может осуществляться с помощью другого адсорбционного слоя, подходящего как для непрерывной, так и для периодической работы.
Технические характеристики: стабильная работа, простая конструкция, безопасность и надежность, энергосбережение и экономия трудозатрат, отсутствие вторичного загрязнения. Оборудование занимает небольшую площадь и имеет малый вес. Очень подходит для использования в больших объемах. Адсорбционный слой из активированного угля, поглощающий органические отходящие газы, использует отходящие газы после каталитического сжигания для регенерации, а отработанный газ направляется в камеру каталитического сжигания для очистки, без внешнего источника энергии, что обеспечивает значительную экономию энергии. Недостатком является ограниченный запас активированного угля и высокая стоимость его эксплуатации.
1.2.2 Устройство для адсорбционной и десорбционной очистки с использованием цеолитного колеса
Основные компоненты цеолита: кремний и алюминий, обладающие адсорбционной способностью, могут использоваться в качестве адсорбента; цеолитовый фильтр использует характеристики цеолита с его специфической апертурой, обеспечивая адсорбцию и десорбцию органических загрязнителей, что позволяет получать отработанные газы с низкой и высокой концентрацией летучих органических соединений (ЛОС) и снижать эксплуатационные расходы оборудования для окончательной очистки. Характеристики устройства подходят для очистки больших потоков с низкой концентрацией, содержащих различные органические компоненты. Недостатком является высокая стоимость первоначальных инвестиций.
Устройство адсорбционной очистки с цеолитовым ротором представляет собой газоочистное устройство, способное непрерывно осуществлять процессы адсорбции и десорбции. Две стороны цеолитового ротора разделены специальным уплотнительным устройством на три зоны: адсорбционную зону, зону десорбции (регенерации) и зону охлаждения. Рабочий процесс системы следующий: вращающийся цеолитовый ротор непрерывно вращается с низкой скоростью, обеспечивая циркуляцию через адсорбционную зону, зону десорбции (регенерации) и зону охлаждения; когда низкоконцентрированный и большой объем отработанного газа непрерывно проходит через адсорбционную зону ротора, летучие органические соединения (ЛОС) в отработанном газе адсорбируются вращающимся цеолитом, после чего происходит прямая эмиссия после адсорбции и очистки; органический растворитель, адсорбированный ротором, направляется в зону десорбции (регенерации) с вращением ротора, затем через зону десорбции непрерывно проходит небольшой объем нагреваемого воздуха, адсорбированные на роторе ЛОС регенерируются в зоне десорбции, а отработанный газ с ЛОС выводится вместе с горячим воздухом. Вращающееся колесо в зоне охлаждения может использоваться для реадсорбции, при этом постоянное вращение колеса обеспечивает цикл адсорбции, десорбции и охлаждения, гарантируя непрерывную и стабильную работу системы очистки отходящих газов.
Устройство с цеолитовым фильтром по сути представляет собой концентратор, в котором отработанные газы, содержащие органические растворители, разделяются на две части: чистый воздух, который может быть непосредственно сброшен, и рециркулируемый воздух с высокой концентрацией органических растворителей. Чистый воздух, который может быть непосредственно сброшен и может быть рециркулирован в систему кондиционирования воздуха; высокая концентрация летучих органических соединений (ЛОС) примерно в 10 раз превышает концентрацию ЛОС до поступления в систему. Концентрированный газ обрабатывается высокотемпературным сжиганием с помощью системы термического сжигания с рекуперацией ТНВ (или другого оборудования). Тепло, выделяемое при сжигании, используется для нагрева сушильной камеры и нагрева цеолита соответственно, и тепловая энергия используется в полной мере для достижения эффекта энергосбережения и сокращения выбросов.
Технические характеристики: простая конструкция, легкость обслуживания, длительный срок службы; высокая эффективность абсорбции и десорбции, преобразование исходного высокообъемного и низкоконцентрированного отходящего газа с летучими органическими соединениями в низкообъемный и высококонцентрированный отходящий газ, снижение стоимости оборудования для окончательной обработки; чрезвычайно низкое падение давления, что позволяет значительно снизить энергопотребление; комплексная модульная конструкция системы, минимальные требования к занимаемому пространству, а также возможность непрерывного и беспилотного управления; соответствие национальным стандартам выбросов; использование негорючего цеолита в качестве адсорбента, что делает его более безопасным в применении; недостаток – высокие единовременные инвестиционные затраты.
Время публикации: 03 января 2023 г.
