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湿式漆雾捕集装置在喷烤漆设备中的应用
时间:2016-12-31 01:00:00  来源:  作者:

1引言 喷漆室(Spray booth)是专供喷涂液态涂料的涂装室,它是工业涂装车间的关键设备之一。当初它仅仅是有排风装置













1引言


喷漆室(Spray booth)是专供喷涂液态涂料的涂装室,它是工业涂装车间的关键设备之一。当初它仅仅是有排风装置(安装在壁上的风扇),无漆雾捕集功能的简易的涂装室;随着工业涂装量的扩大,涂装品质要求的提高,并考虑到操作人员的安全卫生及防止漆雾污染厂房内外环境,喷漆室配置了漆雾捕集装置、供排风系统;为适应优质高装饰性涂装的需要,喷漆室空气必须经空调除尘、调温、调湿,并在喷漆室周围设洁净间,确保喷涂作业空间高度洁净。


现代化的喷漆室是涂装车间耗能最多的设备,例如在汽车厂涂装车间是耗能大户,占总能耗的73%(白车身制作和总装分别占17%和10%),喷漆室又是耗能最多的,占涂装车间总能耗的58%。喷漆室又是涂装公害(VOC、CO2、污水、废漆渣和工业废弃物等)源,对环境影响大,涂装废弃物的处理费用高。


为适应环保清洁生产、节能减排,可持续发展的时代要求,须对喷漆室的能耗大、耗水废弃物多、运行成本高等不足之处进行大变革,须总结经验,吸取教训不受原有常识的拘束,期待新颖的创新。


本文在小结喷漆室现状的基础上,重点介绍漆雾捕集装置的革新思路:喷漆室排风循环再利用,达到节能减排、降低涂装成本的举措。


2喷漆室的种类和构造[1-2]


喷漆室属于非标设备,它随被涂物的大小、生产方式(批量生产还是流水作业大量生产及被涂件的输送方式等)、所喷涂的涂料类型、涂装品质和喷涂环境条件等的不同,而产生配置结构上的变化,因此必须正确选用和精心设计制造,才能获得最佳的经济技术效果为降低造价和运行成本,喷涂生产线有紧凑化、模块化和管理智能化的倾向,捕集漆雾的方法向干式化和静电除漆雾化的方向发展。


喷漆室应具备以下功能:


⑴排气:换气并及时排掉漆雾和溶剂蒸气(VOC),防止它们污染厂房内外环境和被涂面,确保安全生产;


⑵除尘:除掉排出空气中的漆雾(尘埃);


⑶供风:按喷涂环境条件供给空调(调湿、调温、除尘)过的洁净空气,确保作业人员的安全卫生和作业环境高度洁净;


⑷照明:照亮被涂物表面。


2.1喷漆室的分类


一般按供排风方式和捕集漆雾的方式分类。


⑴按供排风方式分类,分为敞开式和封闭式(供风型)。敞开式仅装备有排风系统,而无独立的供风装置,直接从车间内抽风,适用于一般涂装。封闭式装备有独立的供排风系统,从厂房外吸新鲜空气,不干扰涂装车间内的换气和采暖体系,适用于装饰性涂装。供排风方式有垂直层流的气流模式(即上供下抽式)和水平层流的气流模式(即侧供、侧抽或侧下角方向抽风)。


⑵按捕集漆雾的方式分类,分为干式喷漆室和湿式喷漆室。前者是借助挡漆板、过滤层(袋)捕集漆雾,后者借助于循环水系统清洗喷漆室的排气,捕集漆雾,循环水中添加有涂料凝聚剂,使漆雾失去黏性,在循环水槽中漂浮或沉淀。湿式喷漆室捕集漆雾的原理是使带漆雾的喷漆室排气通过漩涡作用与水充分混合,利用不同风速、挡水板和风向的多次转换,使水和漆滴与空气分离,带漆渣的水流回循环水槽,过滤后再循环使用,除掉漆雾的空气通过排风机排向室外或送往除VOC的二次净化设备处理。


湿式漆雾捕集装置(又称排风洗涤装置或气水混合分离室)有多种结构和洗涤方式。按水洗涤方式又可分为喷淋式、水幕式、漩涡式(含文丘里型、水旋动力管型和漩涡型等多种)。它是喷漆室的关键装置,直接影响喷漆室的主要性能———漆雾捕集率(或称除尘埃效率)。喷漆室的除漆雾(尘埃)效果应达到:


① 除去效率:99%以上;


②排出量:1 mg/m3(在工厂周围环境条件严格的场合希望达到0.2~0.4 mg/m3);


② 目测见不到排风管的排气色(即排风管出口风帽不被所喷涂料着色)。


③ 如果能满足以上3点,即可认为喷漆室的除漆雾效果好。喷漆室的种类及特征列于表1。


还有其它类型的喷漆室,如油洗涤喷漆室、喷/烘两用涂装室。油洗涤喷漆室是采用专用油(着火点200℃以上)替代水,用离心分离油中的漆渣,仅适用于漆渣密度较大的溶剂型涂料和喷涂量较小的场合喷/烘两用涂装室采用干式除漆雾装置和循环风加热装置(即喷漆室与烘干室一体化的涂装室),仅供小批量大件涂装用,如汽车修补涂装用。喷漆室基本上不具有去除喷漆室排气中所含的VOC的功能。喷漆室排风量大、VOC浓度低,靠吸附法来提高VOC的浓度或燃烧,二次处理设备的投资大能耗大,一般是靠高空排放来达标的。降低喷漆室排气中的VOC含量的根治办法还是采用环保型(低VO型)涂料和提高喷涂时的涂装效率,减少过喷涂(OvSpray)。


2.2喷漆室的构造与工作原理


干式喷漆室、喷淋式喷漆室、无泵喷漆室、上供风下抽风喷漆室等的构造与工作原理见图1~4。


3干式喷漆室的技术进步(创新)


在美国,已确定从水洗喷漆室排放出来的涂料渣为危险废弃物(hazardous waste),开始向不产生涂料渣的干式喷漆室转换。原来非危险的废弃物(Non hazardous waste)一旦混入水中反而成了危险废弃物,消耗多种药剂和能源,增大环境负荷,应认识到不产生或少产生危险废弃物对保护地球环境的重要性。


欧盟也开始限用水洗式漆雾捕集装置。为此,德国杜尔和艾森曼涂装公司分别开发了干式喷漆室漆雾捕集装置和静电除漆渣装置。


干式喷漆室的优缺点(与湿式喷漆室对比)如下。在经济方面:①运行成本低,不需凝聚剂和废水处理,耗电量少;②省劳力,不需要漆渣排出作业和水质检查;③投资低,设备造价低,且施工简单;④作业环境较好,噪音低;⑤维护成本低,运动部分仅需更换风机在环境方面的优点:①无废水处理的必要,不须配置废水和漆渣处理设备;②因耗电少,不使用水,对环境影响小;③使用过的过滤材料(袋)有可能作为燃料再循环利用;④制定操作规程易遵守;⑤几乎所有的涂料都适用;⑥不产生恶臭。


原来的干式喷漆室的缺点:①过滤器更换频繁;②作业场所污染。


3.1由板式过滤改成袋式过滤


改进的措施是将过滤器制作成寿命特别长的过滤袋(见图5)。表面积约2倍于原有过滤器的滤材缝制成袋式过滤器,寿命延长6~10倍。使过滤器更换周期延长到1周或10 d换一次,可解决更换过滤器的麻烦。另外过滤器可一次操作,更换简单,可使捕集的漆雾原封不动地封闭在袋中,不能再飞散,作业场所几乎可不被污染。应用实例见图6。根据以上介绍,干式喷漆室无论在经济方面,还是在环保方面均有长处。


3.2干式净化装置(或称干式漆雾捕集装置)[3]


德国杜尔公司新近推出的喷漆室排气干式净化装置,在除净喷漆室排风中漆雾方面使用干式分离技术,与通常采用的湿法(水洗)分离技术相比,不再产生特殊的垃圾,可节省水和能源。它们与机器人及喷涂参数匹配,使喷漆室排风不须追加过滤,可直接再循环使


用,不须向喷漆室供给全部新鲜空气。


分离过程完全自动化,分离不用水和化学药品,过滤介质(元件)完全可再生利用。可节约能源30%,通过排风再生循环利用,供新鲜空气量的减少,有降低厂房和相关设备的投资35%的潜力,另外材料及维护费用也可降低;采用这种新的漆雾捕集方法后涂装过程的单车成本(CPU)可降低10%,且是环保性最好的捕集漆雾的工艺方法。干式净化装置(Eco Dry Scrubber)五大关键要素:


⑴分离工艺与喷漆室完全统合,完全自动化;


⑵干式过喷漆雾的分离工艺:干的黏漆雾滤料采用石灰石(Limestone),过滤元件表面完全被黏漆雾材料层覆盖;


⑶分离过程完全自动化:过滤层的压损自动测量,饱和的黏漆雾滤料(Precoat material)移去和更换全自动化;


⑷过滤介质(元件)(Filter Elements)可再生;


⑸排风(Process Air)可直接再循环,不需另追加过滤。


干式净化装置与湿式漆雾分离装置完全不同,湿式漆雾捕集装置的水洗、水处理装置和漆渣处理,靠化学品的絮凝过程,风管被水侵蚀和被漆雾污染,热回收系统等都被淘汰和取消。干式漆雾捕集装置见图7。


干式漆雾捕集装置的功能及构成如下:⑴排风可直接循环再利用Eco Dry Scrubber具有排风直接循环再利用功能,只需补充5%~20%的新鲜空气,从而节省可观的能源。随着喷漆室内的气流,湿的过喷涂涂料粒子积聚在模块化的单独的过滤模组内。分离过程在过滤膜的表面完成,排风则返还进入空气循环系统。


⑵湿的过喷漆雾的干分离过滤循环开始将新鲜干净的黏漆雾滤料加入料斗。在空气喷嘴的作用下,干滤料进入喷漆室排风气流中,通过过滤模块进入循环风室,并黏附在过滤器表面形成致密的一层。这就防止了有黏性的湿的过喷涂涂料粒子与过滤元件直接接触。


⑶过滤元件可再生经过工艺优化的、可再生的表面覆盖有涂料膜层的过滤器,过滤颗粒效果可达到低于0.1 mg/m3。这种接近于100%的过滤效率可使排气在不需要其它辅助过滤的情况下循环利用。过滤的过程发生在过滤铸件的表面,由于滤料和涂料微粒末进入过滤组件内,允许洁净的排气直接再循环。


⑷全自动清洁工艺www.excce.com


在喷涂过程中,涂料微粒随着空气的循环在过滤器进行分离。涂料粒子被黏漆雾滤料积聚,并在过滤器表面形成渣饼。导致过滤器的风阻增加。当压差达到最大允许值时,就会触发自动清洁过程。洁净压缩空气以0.25 s的脉冲被喷入过滤器内,使渣饼与过滤器脱离。过滤器的清洁大约每25 min进行1次。滤料和涂料微粒的混合物落入料斗底部一直达到饱和状态。当达到饱和状态后,使用过的滤料被新的干净的滤料所替代。整个清洁过程不会影响喷漆室的气氛平衡。


⑸黏漆雾滤料以天然的石灰石为原料。杜尔提供滤料的详细技术条件以适应自动化生产,保证最佳的工艺水平和最大的节省。


⑹使用过的滤料可回收用作水泥工业的原料。标准的除漆渣过程,湿式成本是干式的4倍。干式分离系统产生的漆渣可以直接利用,如作为水泥工业或脱硫的原料而不需要进行更多的处理。这不仅省钱而且对环保有利。


干的过喷涂漆雾凝块和黏漆雾滤料照片见图8。传统的湿式漆雾捕集系统和新式的干式漆雾捕集系统的对比见表3。


3.3静电漆雾捕集(净化)装置


德国艾斯曼(Eisenmann)公司新近推出新的静电漆雾捕集(净化)装置(ESCRUB)引起喷涂工艺的大革新。它的结构和工作原理及模块元件见图9~11。ESCRUB的工作原理:①排气通过阴极电栅,使所带漆雾(滴)带电(获得电荷);②带电的漆雾(颗粒)被吸往和吸附到接地的分离板上;③借助分离剂(Sepa-ration agent)捕获漆滴(颗粒);④抽出漆滴(颗粒);⑤澄清的分离剂返回再用等。


它由模块元件(图11)组成静电分离模块(Sepa-ration module),其技术规格为每个模块的空气通过量达到30 000 m3/h,耗电量约为3.5 kW,压损为6 Pa。它所选用的分离剂是水溶液,仅用它润湿风道壁板和接地的分离板,而不是大流量冲洗,因而耗水量大幅度减少,静电除漆雾是其特点,按工况可认为它是半干湿漆雾捕集装置。与现用的文丘里湿式漆雾捕集装置相比,经ESCRUB除漆雾后的排气大部分可循环再利用,见图12。


经过实际应用验证,ESCRUB具有以下优点:


① 减少污染物排放,对环保有利,噪音可降10 dB;


② 分离效率高,且压损最小;


③ 未利用过滤介质(Filter media)就可保证喷漆室的恒压条件;


④ 可大幅度减少能耗,与现用的湿式漆雾捕集装置比,耗水量减少87%,节能达到78%以上;


⑤ 排风再循环利用可达95%,可大幅度减少新鲜空气补给量;


⑥ 静电系统可按需要切换(开/关)


⑦颗粒物排放减少,比常规过滤介质减少100倍(以15万辆车身涂装线为例,12 000 kg颗粒物质减少到120 kg,且浓度由3 mg/m(3Ta-Luft)降到0.3 mg/m3,尘埃排放(Dust emission)减少达99%以上。德国南方某汽车厂(年涂装15万台车身)的喷漆室的能源、水和化学品消耗成本降低60%。


4喷漆室排风循环利用


喷漆室排风在一般场合下不循环利用,尤其在喷涂溶剂型涂料的场合,排气除净漆雾后仍有一定量的VOC一次性排向室外。为创造良好的喷涂作业环境,确保作业区截面的风速,供、排风量都很大。例如汽车车身用的内宽为5.5 m的喷漆室,自动静电喷涂作业区段(风速为0.3 m/s)和手工喷涂作业区段(风速为0.4~0.5 m/s)供、排风量分别为6 000 m3/h和8 000~10 000 m3/h。冬季北方地区气温在0℃以下(甚至为-20~-30℃),南方夏季气温常在35℃以上,要保证空调供风温度在25℃左右,则从厂房外抽取全部新鲜空气加温或冷却需消耗大量能源。


为节省能源,在北方地区,采用“热轮”或“热管”等热交换装置回收排气的热量;另外从厂房内吸气,经空调除尘装置向洁净间和一般操作间供风,循环利用厂房内的空气,见图13。喷漆室排气能直接循环利用则是最大的节能减排技术,但必须清除掉排气中所带的漆雾和控制排气中所含的VOC浓度。


在喷涂水性中涂和水性底色漆的场合对作业环境的温、湿范围控制要求较严,因而能耗更大,可是排气中的VOC含量显著减少,有利于喷漆室排气循环再利用。控制循环排风中的VOC含量是为了喷涂作业区的安全和人工作业区的卫生安全。本文3.2、3.3介绍的干式漆雾捕集装置净化后的排风均可直接循环利用,只须补充5%~20%的新鲜空气,见图14。


笔者认为:在机械手自动静电喷涂水性涂料的场合,图14所示的喷漆室排风循环利用应该是可行的、先进的,在节能减排、降低涂装成本等方面能获得较大的经济效益。在喷涂溶剂型涂料和手工喷涂的场合,还是应严控和检查排气中的VOC含量,确保卫生安全。


5结语


在大量流水线生产的工业涂装领域现今普遍采用湿式喷漆室———水洗式漆雾捕集(净化)装置已有几十年的历史。它的优点是漆雾捕集率高(水旋式可达99%),消防较安全。但它致命的缺点是为除漆雾,耗水、耗化学药品(凝聚剂),使废弃物量近10倍地增加,且成为危险废弃物后处理费用高、压损大、运行费用高,都不符合当今的环保清洁生产、节能减排、可持续发展的低碳时代要求。


新型的干式喷漆室(干式或静电捕集漆雾装置)及其排风能直接循环使用技术的开发成功并投产应用,是一项重大的革新。笔者认为它可与近30年中获得工业应用的阴极电泳涂装、水性涂料替代溶剂型涂料、汽车车身前处理、电泳涂装线采用旋转式输送机(Rodip和穿梭机)、环保型的非磷酸盐的表面处理工艺等工艺技术一样,是一项革命性的重大科技进步。


笔者希望中国表面工程协会涂装分会、相关涂装设备设计研究单位、涂装设备制造公司和汽车厂抓住机遇,引进和开发新型的干式漆雾捕集装置及喷漆室排风循环利用技术,来适应低碳时代的要求和促进工业涂装技术的进步。


 

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