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前言
汽車涂裝生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)化合物（簡(jiǎn)稱VOCs）的排放，是大氣污染防治的重點(diǎn)，國家及地方環(huán)保部門針對(duì)汽車生產(chǎn)的特殊性，出臺(tái)了越來越嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。2015版江蘇省《表面涂裝（汽車制造業(yè)）揮發(fā)性有機(jī)物排放標(biāo)準(zhǔn)》中明確規(guī)定：汽車涂裝生產(chǎn)線的噴漆室和烘干室應(yīng)安裝VOCs污染治理設(shè)備，且烘干室VOCs廢氣處理效率應(yīng)當(dāng)在90%以上，并對(duì)涂裝VOCs排放限值做出了明確規(guī)定（見表一）：
表一 排氣筒VOCs排放限值
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項(xiàng)目
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排氣筒排放濃度限值（mg/m3）
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VOCs*高允許排放速率（Kg/h）
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污染物排放監(jiān)控位置
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苯
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1
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0.6
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車間或生產(chǎn)設(shè)施排氣筒
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甲苯
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3
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1.2
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二甲苯
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12
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3.6
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苯系物
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20
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8
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TVOCs
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乘用車
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30
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32
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其他車型汽車
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60
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2 汽車涂裝VOCs排放概算
汽車涂裝生產(chǎn)中的VOCs來源于涂料中的溶劑，主要通過噴漆、油漆晾干(水性漆預(yù)烘干)和烘干工序產(chǎn)生排放。烘干工序產(chǎn)生的有機(jī)廢氣，由于VOCs濃度和溫度較高，可直接進(jìn)入焚燒爐(TNV)或者蓄熱式熱力焚化爐(RTO)處理，凈化率可達(dá)到98%以上。而噴漆室排出的廢氣，由于風(fēng)量大、VOCs濃度低、濕度大，常規(guī)的過濾、吸附等工藝措施難以有效處理，目前,國內(nèi)大多數(shù)的汽車涂裝車間都不作處理，與晾干區(qū)的廢氣一起經(jīng)集中排氣筒，直接高空排放。
以生產(chǎn)節(jié)拍為16JPH，采取3C2B水性漆工藝的廂式商用車涂裝為例，中涂漆及底面漆為水性漆，罩光清漆為1K溶劑型。水性漆預(yù)烘干產(chǎn)生的廢氣直排，清漆晾干區(qū)的排風(fēng)補(bǔ)至噴漆室循環(huán)利用，再與噴漆室的廢氣一起經(jīng)集中排氣筒排放；中涂及面漆烘干區(qū)廢氣經(jīng)RTO凈化處理后排放。 其VOCs排放速率概算見表二；噴漆室風(fēng)量及VOCs排放濃度概算見表三：
表二 涂裝VOCs排放速率概算
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項(xiàng)目
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油漆溶劑含量
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噴涂上漆率
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涂層干膜厚度(um)
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油漆密度
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噴涂面積
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單臺(tái)噴漆耗量(Kg/h)
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小時(shí)噴漆耗量(Kg/h)
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區(qū)域VOCs排放速率
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集中排氣筒VOCs速率
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烘房VOCs排放速率
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(g/ml)
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(m2)
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(Kg/h)
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(Kg/h)
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(Kg/h)
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VOC%
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η
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d
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ρ
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s
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Q
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Qh
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噴漆室
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晾干區(qū)
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烘干區(qū)
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水性中涂
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15%
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80%
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25
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1.3
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40
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1.53
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24.5
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2.1
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0.6
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1.0
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36.6
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0.24
|
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水性素色底漆(內(nèi)表面)
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12%
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40%
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18
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1.1
|
9
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0.51
|
8.1
|
0.76
|
0.53
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11.2
|
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水性素色底漆(外表面)
|
12%
|
80%
|
18
|
1.1
|
40
|
1.125
|
18
|
1.21
|
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清漆（內(nèi)表面）
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50%
|
40%
|
25
|
1.02
|
9
|
1.15
|
18.4
|
6.98
|
7.45
|
|
清漆（外表面）
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50%
|
80%
|
40
|
1.02
|
40
|
4.08
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65.3
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17
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注：水性中涂、水性素色底漆VOCs揮發(fā)比例按噴漆室：預(yù)烘干：烘干區(qū)=45%：20%：35%計(jì)算
清漆VOCs揮發(fā)比例按噴漆室：晾干區(qū)：烘干區(qū)=40%：25%：35%計(jì)算
中涂及面漆烘房VOCs經(jīng)RTO處理，凈化率按98%計(jì)算
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表三 噴漆室風(fēng)量及VOCs排放濃度概算
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項(xiàng)目
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室體截面尺寸
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風(fēng)速
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區(qū)域排風(fēng)量
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VOCs揮發(fā)速率
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VOCs區(qū)域排放濃度
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長(m)
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寬(m)
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m/s
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m3/h
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Kg/h
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mg/m3
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中涂噴涂段
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中涂噴漆室
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12
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5
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0.3
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70000
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2.1
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30.0
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中涂預(yù)烘干
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33.5
|
4.5
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10
|
19000
|
0.6
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31.6
|
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水性底漆噴涂段
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水性素色底漆(內(nèi)表面)手工噴涂段
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12
|
6
|
0.45
|
120000
|
0.76
|
6.32
|
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水性素色底漆(外表面)自動(dòng)噴涂段
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14
|
5
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0.3
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77000
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1.21
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15.71
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水性底漆預(yù)烘干
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33.5
|
4.5
|
10
|
19000
|
0.53
|
28.84
|
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清漆噴涂段
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清漆(內(nèi)表面)手工噴涂段
|
9
|
6
|
0.45
|
92000
|
6.98
|
178.6
|
|
清漆(外表面)自動(dòng)噴涂段
|
14
|
5
|
0.3
|
84000
|
17.0
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清漆晾干段
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31
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3.5
|
0.1
|
7.45
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集中排氣筒合計(jì)
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481000
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36.6
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76.2
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根據(jù)概算：集中排氣筒的VOCs排放速率36.6Kg/h，排放濃度76.2mg/m3，均超過了排放標(biāo)準(zhǔn)。其中清漆噴漆室及晾干區(qū)的VOCs排放量達(dá)到了31.4Kg/h，占到了排放總量的86%。由此可見，即使采取水性漆工藝，使用常規(guī)配套的溶劑型清漆，仍具有較多的VOCs排放，為了達(dá)到排放要求，需要對(duì)清漆噴涂段的廢氣進(jìn)行凈化處理。
目前，對(duì)于大風(fēng)量、低濃度的有機(jī)廢氣，常規(guī)*有效的方法是通過蓄熱式熱力焚化爐（RTO）來進(jìn)行處理。 其工作原理是：系統(tǒng)將有機(jī)廢氣加熱升溫至750℃以上，在燃燒室內(nèi)停留0．7～1．0 s，使廢氣中的有機(jī)污染物氧化分解，成為無害的C02和H2O。廢氣燃燒產(chǎn)生的熱量被蓄熱體“貯存”起來，用于預(yù)熱新進(jìn)入的有機(jī)廢氣，從而節(jié)省廢氣升溫所需要的燃料消耗，降低運(yùn)行成本。RTO的*大處理風(fēng)量一般低于100000 m3/h，廢氣VOCs處理濃度為1000～20000mg/m3，當(dāng)廢氣濃度低于1500mg/m3時(shí)，廢氣燃燒產(chǎn)生的熱量較少，設(shè)備需額外增加較多的燃料消耗，用于對(duì)新進(jìn)入的有機(jī)廢氣升溫。而需處理的清漆噴涂段廢氣總排風(fēng)量達(dá)到176000m3/h，VOCs濃度僅有178.6mg/m3，由此可見，RTO設(shè)備并不直接適用于這樣的廢氣處理。
3 沸石轉(zhuǎn)輪濃縮系統(tǒng)在噴漆室廢氣治理中的應(yīng)用
近年來，一種適合處理高流量（大風(fēng)量）、低濃度、高濕度、多成分VOCs廢氣的凈化設(shè)備——沸石轉(zhuǎn)輪濃縮系統(tǒng)，在歐美及日本等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家的汽車涂裝廢氣處理方面取得了較多的應(yīng)用和良好的效果。
系統(tǒng)設(shè)備由兩大主要部分所組成，即疏水性沸石轉(zhuǎn)輪串連蓄熱式焚化爐。它的工作原理是利用沸石分子篩所具備的的高吸附性能，對(duì)有機(jī)廢氣進(jìn)行吸附濃縮，再由RTO設(shè)備凈化處理濃縮后的有機(jī)廢氣。
3.1 沸石分子篩的性能特點(diǎn)
沸石分子篩是一種鋁硅酸金屬鹽的多微孔晶體，由硅氧四面體和鋁氧四面體通過共享氧原子相互連接形成骨架結(jié)構(gòu)，其表面為固體骨架，內(nèi)部為多微孔的篩狀構(gòu)造。內(nèi)部孔穴之間有孔道相互連接，其孔徑相同，分布非常均一，分子篩依據(jù)其內(nèi)部孔穴的大小，可對(duì)分子進(jìn)行選擇性吸附。沸石分子篩具有很大的比表面積（300～1000m2/g），內(nèi)部孔穴有強(qiáng)大的庫侖場(chǎng)和極性，因此，對(duì)吸附質(zhì)分子的吸附能力很強(qiáng)，遠(yuǎn)超過其他類型的吸附劑，即使在較高的溫度和較低的吸附質(zhì)分壓（或濃度）下，仍有很高的吸附容量，是一種高性能的分離吸附材料。
通過對(duì)沸石分子篩進(jìn)行表面改性，去除結(jié)晶中的鋁原子，可消除其親水的極性，從而形成疏水性沸石分子篩。它不僅具有一般沸石分子篩的共性，在相對(duì)濕度達(dá)到80 %時(shí),都能保持幾乎不吸附水的特點(diǎn)，即使對(duì)于含水的空氣，也能夠選擇地吸附所需的物質(zhì),并且吸附量幾乎不受影響。疏水性沸石由無機(jī)氧化物組成，具有不可燃性，在900 ℃下焙燒2 h ,其結(jié)晶度仍保持不變，故熱穩(wěn)定性極高，可反復(fù)通過加熱來實(shí)現(xiàn)脫附再生，并保證較長的使用壽命。
3.2 沸石轉(zhuǎn)輪濃縮系統(tǒng)的原理及構(gòu)成
沸石轉(zhuǎn)輪濃縮系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是吸附輪（轉(zhuǎn)輪）, 轉(zhuǎn)輪由疏水性沸石吸附介質(zhì)與陶瓷纖維加工成波紋狀膜片，再卷制形成蜂巢狀的圓筒形框架結(jié)構(gòu)，其中部安裝有旋轉(zhuǎn)軸承。轉(zhuǎn)輪的機(jī)械結(jié)構(gòu)上，裝有耐VOCs腐蝕、耐高溫的材料制成的氣體密封墊，將轉(zhuǎn)輪隔離成三個(gè)區(qū)域：吸附處理區(qū)、再生脫附區(qū)、冷卻區(qū)。
全套設(shè)備主要由以下部分組成：廢氣過濾器、沸石轉(zhuǎn)輪、排氣風(fēng)機(jī)、RTO焚化系統(tǒng)、熱交換器、自動(dòng)控制系統(tǒng)。
目前，*大型號(hào)的單只沸石轉(zhuǎn)輪，廢氣處理量可達(dá)到100000m3/h，能夠?qū)U氣中的VOCs濃度提高5～20倍。
3.3 沸石轉(zhuǎn)輪濃縮系統(tǒng)工藝流程
3.3.1 廢氣的除濕、過濾處理：
沸石轉(zhuǎn)輪在吸附濃縮過程中，待處理廢氣的相對(duì)濕度低于80%時(shí)，對(duì)VOCs的吸附率可達(dá)到90%以上，當(dāng)廢氣濕度大于90%時(shí)，吸附效率則下降至80%左右。
目前，國內(nèi)汽車涂裝噴漆室采取水旋處理的濕式噴房較多，其排出的廢氣，相對(duì)濕度超過90%，因此在廢氣進(jìn)入沸石轉(zhuǎn)輪之前，需要進(jìn)行加熱除濕。同時(shí)，由于廢氣中含有少量漆霧等顆粒雜質(zhì)，需進(jìn)行過濾處理，避免影響轉(zhuǎn)輪的吸附效率。
3.3.2 轉(zhuǎn)輪吸附濃縮VOCs與再生脫附：
過濾后的大流量的低濃度有機(jī)廢氣被送至轉(zhuǎn)輪吸附區(qū)，轉(zhuǎn)輪可根據(jù)廢氣處理量，以1～6轉(zhuǎn)/小時(shí)的速度持續(xù)緩慢旋轉(zhuǎn)。廢氣中含有的VOCs被截留吸附在轉(zhuǎn)輪上的沸石分子篩內(nèi)部，凈化后的潔凈空氣則直接排放至大氣。轉(zhuǎn)輪持續(xù)旋轉(zhuǎn)吸附VOCs，逐漸趨向吸附飽和，當(dāng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)進(jìn)入至脫附區(qū)時(shí)，脫附風(fēng)機(jī)提供200℃左右的高溫?zé)峥諝?，穿過吸附飽和的轉(zhuǎn)輪區(qū)域，將其中吸附的VOCs脫附并帶走，轉(zhuǎn)輪從而恢復(fù)吸附能力。脫附后的轉(zhuǎn)輪進(jìn)入冷卻區(qū)，經(jīng)冷卻空氣吹掃，恢復(fù)至常溫，再次旋轉(zhuǎn)至吸附區(qū) ，重新開始下一輪的工作。
3.3.3 有機(jī)廢氣凈化處理：
轉(zhuǎn)輪吸附的VOCs經(jīng)脫附后，隨脫附熱空氣送往RTO進(jìn)行凈化處理。由于，脫附熱空氣風(fēng)量?jī)H為5000～20000 m3/h，廢氣中的VOCs被濃縮了5～20倍，因此，需要*終處理的有機(jī)廢氣具備了濃度高、風(fēng)量小、溫度高的特點(diǎn)，能夠與烘干室的廢氣合并后進(jìn)入RTO集中處理，VOCs的凈化率可達(dá)到95%以上。RTO焚燒產(chǎn)生的一部風(fēng)熱能可用于轉(zhuǎn)輪脫附空氣的加熱；末端排放的高溫?zé)煔饪蛇M(jìn)行余熱回收，進(jìn)一步做到節(jié)能、環(huán)保。
4 沸石濃縮轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)：
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特別適用于處理大風(fēng)量、低濃度的有機(jī)廢氣，凈化效率穩(wěn)定、VOCs去除率達(dá)到90%以上。
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轉(zhuǎn)輪低壓損、無吸附損耗、對(duì)于高沸點(diǎn)的揮發(fā)性有機(jī)氣體，也能夠能有效處理。
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沸石轉(zhuǎn)輪由無機(jī)氧化物組成，具有不燃性，使用**。
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轉(zhuǎn)輪熱穩(wěn)定性極高，反復(fù)通過加熱脫附來實(shí)現(xiàn)再生，理論使用壽命可達(dá)到10年左右。
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濃縮后進(jìn)入RTO處理的廢氣風(fēng)量小，故可以與烘房共享一套R(shí)TO設(shè)備，減少了設(shè)備投資，降低了RTO運(yùn)行能耗。
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沸石轉(zhuǎn)輪可適應(yīng)較高濕度的有機(jī)廢氣吸附，對(duì)于濕式噴漆室廢氣處理，可減少除濕的設(shè)備投資及運(yùn)行能耗。
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可采取單只或多只轉(zhuǎn)輪并聯(lián)組合的方式，以適應(yīng)不同風(fēng)量的廢氣處理。
5 結(jié)束語
目前，國內(nèi)的北京奔馳、沈陽寶馬、大眾寧波、廣汽日產(chǎn)、北汽增城等涂裝項(xiàng)目均開始使用沸石濃縮轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)對(duì)噴漆室廢氣進(jìn)行處理，通過使用的信息反饋，均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。北汽鎮(zhèn)江、南京依維柯橋林、北汽昌河等新建涂裝項(xiàng)目，也規(guī)劃投入該設(shè)備。國內(nèi)部分設(shè)備制造企業(yè)，也開始具備了沸石濃縮轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計(jì)、安裝能力。
隨著國家對(duì)大氣污染防治的要求越來越嚴(yán)格，汽車涂裝VOCs排放限值必然將逐年下調(diào)，對(duì)于涂裝噴漆室廢氣排放的治理迫在眉睫。沸石濃縮轉(zhuǎn)輪技術(shù)，是現(xiàn)有技術(shù)條件下，處理大風(fēng)量、低濃度、高濕度有機(jī)廢氣的*佳選擇，在汽車涂裝廢氣治理中的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。