船舶行业挥发性有机废气治理技术

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  摘要:本文介绍了目前船舶行业的环境标准,以及船舶行业中VOCs形成的来源和特点,特别是船厂中涂层材料的大面积、挥发性和間歇性浓度等。审查目前涂料行业的有机气体净化方法和可用于船舶行业的VOCs净化技术,包括参数评估、工艺选择、工作条件设计等。该研究为提高船舶行业的VOCs处理效率提供了意见和建议。
  关键词:船舶行业;废气治理;大气污染物
  近年来,中国的海洋领域有了长足的发展,在中国建立的几个大型海军基地促进了经济增长,但也影响了地区环境。建造和组装船舶的过程很复杂:切割、清洗和脱脂、喷漆、上漆和焊接,产生一些焊接烟雾和有机废物,污染了区域环境。主要的污染物是船舶行业在喷漆过程中释放的挥发性有机化合物(VOCs)。因此,减少船舶涂装的VOCs排放是该行业的共同挑战。
  1 现有大气污染物排放标准要求
  为搞好VOCs治理,国家通过了一系列的法律法规和大气排放标准,不同地区也根据各地区的实际情况和减排方针,制定了地方排放标准或工业大气排放标准,这是推进VOCs减排的主要依据。例如,2015年,上海发布了《海洋工业大气污染物排放标准》(DB31/934-2015),现在可以作为海洋工业VOCs排放管理的参考标准。
  2 船舶行业挥发性有机物排放特点
  船舶制造是一个复杂的过程,涉及部件的制造、零件的建造、船体或泊位的加固、下水、停泊、港口和海试等。每个过程都涉及到喷漆,所以必须为每个部件制定适当的喷漆程序。每个船舶制造过程都涉及到喷漆,所以必须为每个零件制定适当的喷漆程序。涂料与每个船舶制造过程相关,必须为每个结构件指定相关的涂料。在目前的船舶制造过程中,喷漆过程在钢板预处理之前就开始了--钢板和钢材预处理--并在整个船舶制造过程中持续到船舶交付。由于环境要求的提高,现在油漆是在室内进行的。然而,由于船体部件的尺寸较大,喷漆室也相应较大,这意味着对喷漆气体的清洁度有很大要求。一个喷漆室有三个特点:(1)喷漆房表面积大,需要大量的空气来收集和处理废气,使处理复杂化,增加了投资;(2)喷漆时间不稳定,喷漆和烘干在同一个房间,导致喷漆废气浓度不稳定,喷漆时较高,烘干时较低。(3)喷涂过程不稳定,喷涂和烘干在同一个房间内进行,导致油漆废气浓度不稳定,喷涂时浓度高,烘干时浓度低。在许多建筑工地上,喷涂区通常被改造成厂房,相对简单,没有水帘清洗设备,导致废气中的雾气和油漆残留物浓度较高。
  挥发性有机化合物是指沸点为50-260℃,室温下饱和压力超过133.3帕的挥发性有机化合物;主要成分是碳氢化合物、氨、硫化物和醛。主要成分是碳氢化合物、氨气、硫化物和醛类。挥发性有机化合物通常是混合气体,尽管每种成分对空气的贡献不大,但它们的混合共存使它们难以用大多数处理技术去除。
  除了环境污染外,对人类健康的贡献也不应被低估。一些VOCs与空气中的二氧化氮反应形成臭氧,产生光化学蒸气和刺激性气味,会损害眼睛、耳朵、呼吸系统,甚至心脏和肺部,长期接触会导致身体组织变形或癌症。VOCs还可以通过抑制植物的光合作用来影响粮食生产。
  3 船舶行业挥发性有机废气治理方法的选择
  3.1 现有治理方式介绍
  空气污染物可以通过一些不同的方式来处理。VOCs的主要处理过程是吸附、燃烧、催化、生物处理、低温等离子体和光催化。基本原则描述如下。
  目前,VOCs控制可分为源头控制、过程控制和下游控制。
  源头治理是在源头上消除排放的最有效方法,在生产中使用清洁能源,如水基涂料,但在实践中,中国的源头清理对所有行业都有很大影响,只能部分抵消排放,难以有效减少排放。过程控制可以有效地控制生产和使用过程中有机化合物的释放,使生产更有效率,减少排放。最终处理是最后一个阶段,对有机排放物进行净化,以达到国家的排放目标,实现净化效果。然而,为了适应市场条件,企业更多关注的是盈利能力,而不是净化排放。同时,散逸性排放的低效管理与缺乏适当的管理系统和工具有关。
  3.1.1 吸附技术
  吸附是指使用具有大表面积的多孔吸附剂来捕捉VOCs,并回收吸附剂,通过浸出解决VOCs排放问题。一般来说,大多数非极性的VOCs都可以吸附在活性炭上;活性炭纤维的吸附能力比活性炭高几十倍,对浓度<50mg/m3的VOCs的吸附效果也不错。在分子筛(沸石、MOFs)上吸附具有高偶极矩和低支化率的VOCs可以产生有经济价值的VOCs。分子筛(沸石、MOFs)比碳基材料更有效,但应注意分子筛的寿命受湿度和再生温度影响。此外,吸附性聚合物树脂也被用于吸附VOCs。这些材料经常被用于回收卤代烃,因为它们倾向于自我聚合,并具有比碳基材料高得多的解吸率。
  目前,有两种主要的浓缩吸附技术:活性炭上的浓缩吸附和沸石上的旋转吸附。最初,活性炭主要被用作吸附材料,但它的寿命短,不稳定,受水和气体的影响大,难以浸出高沸点的有机物,在热气流的作用下再生时易燃等。有两种吸附技术:浓缩吸附和集中吸附。沸石转子的吸附材料是分子沸石,其均匀的微孔与典型的有机分子一样大,具有以下优点:耐高温、不易燃、良好的热稳定性和水热稳定性。旋转式沸石吸附工艺适用于处理大量的空气和低浓度的挥发性有机化合物,去除率高达90%以上,并具有效率高和运行稳定的特点。主要问题是将有机废气从大量的低密度空气转化为小体积的低密度空气,以及随后对小体积空气中的VOCs进行处理以有效去除气体中的VOCs。
  3.1.2 焚烧技术
  燃烧是目前处理挥发性有机化合物的最常见、最有效和最广泛的技术。不同的燃烧技术是直接燃烧(DI)、催化燃烧(CO)和再生热氧化(RTO)。这两种燃烧技术都需要将废气加热到合适的燃烧温度,但由于废气中的有机物含量很高,而废气的反应热可以提供分解有机物所需的能量,因此不需要燃料,该技术具有成本效益。   3.1.2.1 直接燃烧(TO)
  如果VOCs浓度较低或燃烧温度较高,仅靠燃烧热量是无法实现连续燃烧的;在这种情况下,必须添加额外的燃料以确保废气完全燃烧。直接燃烧是一种先进的技术,但热回收效率只有40-65%,而且燃烧室温度高(700-1000℃),会产生氮氧化物、二恶英和卤代烃等污染物,这使设计和操作变得复杂。
  3.1.2.2 催化燃烧法(CO)催
  在催化燃烧中,使用催化剂来催化气体和微粒之间的反应,将废气的活化能降低到约300℃。该反应将有机物分解为无毒无污染的二氧化碳和水。贵金属催化剂一般反应性更强,对高温有很强的抵抗力。非贵金属氧化物,如铜、锰和铈,比贵金属氧化物便宜得多,而且具有良好的催化性能。
  3.1.2.3 蓄热燃烧法(RTO)
  这种方法利用蓄热器储存燃烧过程中释放的热量,然后释放热量将混合气体加热到一定的温度(700-800℃),持续一定的时间(0,3-0,5秒),从而使可燃污染物在高温下分解成无害物质。这种技术很简单,特别适用于处理高浓度的废气。在低到中等浓度的废气不能自行燃烧的情况下,通常必须使用燃烧或加热助剂,这是能源密集型的。
  蓄热燃烧法使用一个高温陶瓷蓄热罐,通过热交换将废气中的热量储存起来,用于预热要处理的新废气。
  3.1.3生物处理方法
  在生物技术洗涤方法中,微生物利用有机废气作为其生命活动的碳和能量来源。通过微生物的代谢反应,废气中的有害物质被分解成无机物,如二氧化碳和水,并被分解成细胞成分,从而达到清洁的目的。目前有三种主要的生物处理方式:生物滤池、生物修复厂和生物过滤器。每种方法都有其优点和缺点,必须根据实际工作条件来选择。
  3.1.4等离子处理方法
  等离子体方法的基础是利用外部电场产生离子放电,产生大量具有足够能量的活性粒子与污染物分子碰撞,引发化学反应,将污染物分子分解为小分子的二氧化碳、水和其他化合物,或将其氧化为无毒或无害物质。
  等离子体是物质的第四种形式,由大量带电粒子组成,这些粒子在每秒300万至3000万次之间反复轰击发臭气体的分子,电离和分裂气体的各种成分,并引发一系列复杂的化学反应,如氧化,使有害物质无害。虽然等离子体技术可以在一定程度上分解有机分子,但它对二氧化碳的选择性不强,容易形成小的有机化合物,从而造成二次污染,不能保证有效地清理。
  3.1.5光催化氧化处理方法
  光催化氧化技术是一项比较新的技术,其原理是催化剂在紫外线或可见光的作用下发生反应,形成强大的氧化电子孔,电子孔可以与挥发性有机物、有害物质进行分解还原反应,并释放出无害的二氧化碳和水,将有毒物质净化为无毒物质。
  光催化氧化是一种新的去除污染物的技术,正受到广泛关注。净化和降解主要是通过紫外线或可见光的照射形成具有强氧化作用的电子孔,并通过一系列氧化还原反应将挥发性表面有机化合物分解成无害的小分子,如CO2和H2O。光催化过程的核心是光引发剂,其活性对光催化的结果有重大影响。最常见的光催化剂是n型半导体氧化物,如TiO2、ZnO、CdS、WO3和BaTiO3。TiO2是研究和使用最多的光催化剂,因为它的催化活性高、稳定性好、成本低、对人体健康无害。由于传统的TiO2催化剂存在带隙宽、光反应范围窄、量子效率低等缺点,因此经常通过离子掺杂、贵金属沉积和半导体化合物沉积等方式对TiO2光催化剂进行改性,以提高光催化性能。光催化剂的性能也受到光源和强度、氧气的加入和有机杂质的初始浓度的影响。
  光催化氧化法具有以下优点:反应条件温和,对污染物没有选择性,能够处理大多数污染物,光催化剂无害且稳定,可再生和回收,能耗低,成本低,无二次污染物,排放少,VOCs含量低。它适用于低排放和低VOCs含量的废气处理,并具有较高的除臭效果。适用于废气处理,具有低排放、低VOCs含量和良好的除臭效果。然而,光催化氧化法有一些缺点,如催化剂失活、催化剂难以固定化、固定化后催化效率低等,这使得它难以处理高浓度和高排放的污染物。
  3.1.6组合处理工艺
  在处理不同的有机废气,特别是成分复杂的有机废气时,单一的处理方法往往不能满足处理需要,在经济上是不可行的,因此通常需要不同的处理技术组合,如吸附浓缩+催化燃烧、吸附浓缩+高温燃烧、吸附浓缩+吸附、低温燃烧、低温燃烧等。目前,许多行业,如染色、包装、印刷和绘画,需要不同的技术来有效处理VOCs。
  3.2船舶行业有机废气治理方法
  3.2.1工艺选择
  近海霧化的主要特点是空气量大,浓度相对较低,残留物成分复杂,回收价值低。吸附方法可以在活性炭和分子筛之间选择,因为从安全风险和清洁效果来看,沸石盘的吸附性能比活性炭盘好得多。由于废气气溶胶中含有沸点高于120℃的有机物,活性炭的吸附温度达不到沸石盘的吸附温度,但沸石盘的吸附温度高达200℃,可以有效地吸附高沸点的有机物。因此,沸石轮的吸附和压实被推荐用于海洋工业。
  3.2.2分子筛转轮选择
  在选择分子筛轮选择时,必须考虑到以下参数。废气量,特别注意标准空气量的换算废气浓度,计算客户的数据来确定废气浓度;废气温度,一般不高于40℃。大气的相对湿度,一般规定不超过75%;排放浓度,按照招标要求设计吸附效率,应注意系统整体达标;浓度系数,为保证达标,选择最佳系数。去除效率,它是排放浓度和浓度因子之间的相互作用,以确保最大的去除效率;浓度比,选择最佳比例以确保达标。
  3.2.3运行模式设定
  废气浓度随喷洒和干燥条件而变化,喷洒时浓度高,干燥时浓度低。喷雾室模式被配置为与主系统风扇连接,以便风扇在干燥过程中自动调整频率并减少空气量,以提高喷雾室中的废气浓度,从而提高冷凝废气的浓度,使下游燃烧装置在不消耗燃料的情况下进行自我燃烧。通过调整操作模式,该系统适应了实验室的操作条件,也起到了节约能源的作用。在不同的操作条件下,废气处理系统会自动开启。
  4 结束语
  在船舶行业中,废气处理必须充分考虑到油漆工作的运行条件,设计参数必须详细计算,考虑到船厂的油漆面积大,浓度间隙不稳定等因素。一个简单的选择是“旋转吸附浓缩+氧化燃烧(RTO/CO)”过程。然而,为了解决船舶行业的涂料排放问题,有必要用水性涂料或低VOCs涂料(如富含固体的涂料)取代富含VOCs的涂料。
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