鋼材預處理廢氣治理設備排放超標研究

查 浩，葛 珉，許 柱，李寶榮

（揚州海通電子科技有限公司，江蘇 揚州 225001）

0 引言

我國船舶制造業在經歷廢墟起步、對外開放、世界跨越、繼往開來等主要階段后，目前已進入世界造船大國的行列。2021年，我國造船工業市場份額保持全球領先，6家企業分別進入世界造船完工量、新接訂單量和手持訂單量前10強。與此相應，因船舶制造引發的環境污染問題，也日益受到關注[1-3]。

為了加強對船舶工業生產企業大氣污染物排放的控制和管理，多地相繼出臺法規對船舶制造業大氣污染物排放行為進行規范要求和監督。

上海市《船舶工業大氣污染物排放標準》規定室內涂裝非甲烷總烴排放不超過70 mg/m3，預處理不超過50 mg/m3；天津市《工業企業揮發性有機物排放控制標準》要求船舶行業非甲烷總烴最高允許排放濃度不超過40 mg/m3；江蘇省《大氣污染物綜合排放標準》與遼寧省《工業涂裝工序揮發性有機物排放標準》均要求船舶制造室內涂裝工藝非甲烷總烴排放不超過70 mg/m3，未明確預處理工藝要求，但要求其它工藝非甲烷總烴排放不超過60 mg/m3；山東省《揮發性有機物排放標準第5部分-表面涂裝行業》要求船舶行業揮發性有機物（VOCs）排放不超過70 mg/m3。

蓄熱式焚燒技術（RTO）因其較高的處理效率和較低的運行能耗，在造船廠室內分段涂裝及鋼材預處理流水線廢氣處理方面得到較為廣泛的應用[4-5]。

1 研究基礎

以承攬的某船廠鋼材預處理流水線配套RTO處理系統為切入點展開。根據上海市《船舶工業大氣污染物排放標準》要求（見表1），該船廠1條鋼板和1條型鋼預處理流水線廢氣處理系統原有活性炭吸脫附及催化裝置，因非甲烷總烴無法滿足最新排放標準，改造為2套物理過濾+蓄熱式焚燒（RTO）裝置，并同步設置進出口污染物濃度在線監測系統。

表1 基本參數

“物理過濾+蓄熱式焚燒（RTO）”設備投入使用后，2條預處理流水線每日保持10 h以上的生產時間，廢氣處理裝置同步運行。代運維階段，根據在線監測系統的數據監測，尾氣排放持續達標無異常。

自代運維結束后，整套廢氣處理裝置運維工作交由生產線廠家執行。運行初期，尾氣排放維持代運維期間的持續達標。但后期檢查PLC數據及在線監測數據，發現自主運維階段，廢氣處理裝置的運行發生較多異常，出現多類排放超標現象，總結如下：

1）整日連續的尾氣排放持續異常超標；

2）廢氣處理裝置早晨開機升溫階段尾氣排放異常（未接入流水線生產廢氣，連通新鮮空氣升溫）；

3）不規律的間歇性超標，發生在PLC監控的系統故障報警之后；

4）每周一次規律性超標，維持2～3 h，數值基本相同。

2 原因分析及對策

2.1 原因分析

1）廢氣入口污染物濃度超標及其連鎖效應

根據工程經驗及業主提供的原始數據，鋼材預處理流水線非甲烷總烴源強濃度一般處于1000～2200 mg/m3的范圍內，平均濃度1500 mg/m3。

通過檢查在線監測系統記錄發現，廢氣入口濃度長期超出設計濃度范圍，其濃度長期處于5000～10000 mg/m3之間，且持續不間斷時間較長，最大入口濃度超過10000 mg/m3的時間段也較多，如圖1所示。

圖1 廢氣入口濃度在線監測數據

在檢查車間生產記錄的過程中發現，生產線廠家在設備使用過程中出現不合規范的操作。該項目原始設計為2條預處理流水線配置2套“物理過濾+RTO”（RTO系統）設備，因節能需要，考慮業主存在不飽和生產工況時2條預處理流水線根據產品需求切換生產，2套RTO系統設備設置了前端廢氣互通功能，當2條預處理流水線交錯使用時，可通過閥門切換使用同一套RTO系統設備（見圖2左上角KV3001與KV3002），從而避免了流水線交錯使用時2套RTO系統設備分別升溫、降溫的能源消耗。但是設計初衷為2條預處理流水線交錯生產時使用同1套RTO系統設備，生產線廠家實際使用時為減少能源消耗，在生產飽和2條預處理流水線同時工作的情況下，僅開機1套RTO系統設備，導致設備實際處理遠超設計能力，入口廢氣污染物來自于工作中2條預處理流水線，污染物濃度嚴重超標。在蓄熱式焚燒爐（RTO）固有的處理效率之下，入口污染物濃度嚴重超標導致排氣口的凈化尾氣濃度超標無法滿足標準。

圖2 RTO系統（單爐）運行監測圖

與此同時，入口污染物濃度超標也產生了連鎖效應。為了保證RTO的安全運行，控制系統設置了兩級溫度安全聯鎖動作，一級安全聯鎖為打開RTO爐膛泄溫閥門泄溫（見圖2右上角MV1003），二級安全聯鎖在一級安全聯鎖無法實現泄溫目的的前提下執行，具體操作為關閉廢氣入口，引入新鮮空氣進入RTO爐膛降溫（見圖2左中MV1001）。本項目超高濃度污染物在RTO爐膛內充分燃燒、大量放熱，導致RTO爐膛內的溫升急劇增加，超出了控制系統原本設置的溫度限制，開啟了一級安全措施即打開了RTO爐膛泄溫閥門。由于濃度持續高超標，RTO爐膛泄溫閥門持續開啟泄溫，導致部分污染物在爐膛內未完全燃燒即通過泄溫閥門排出，進一步導致了最終凈化尾氣排氣的超標。

2）非正常關停機

RTO系統設備最重要的一個公用工程動力是壓縮空氣，壓縮空氣驅動系統內所有閥門的動作。而RTO系統的核心部件提升閥及吹掃閥在運行過程中保持約2 min/次的切換頻率，因此在設備運行過程中務必保證壓縮空氣的穩定供應，否則閥門缺少驅動，無法正常動作，引發系統控制報警停機。同時，預處理流水線生產停止后，廢氣治理系統需按下“停機”按鈕，停機并不是完全停止動作，由于“停機”按鈕按下后，RTO爐膛內仍保持正常的反應高溫，若直接切斷氣體流動，爐內長期高溫停滯存在安全風險，因此“停機”按鈕按下后RTO爐閥門仍保持正常切換，RTO風機仍保持工作，但廢氣閥門及燃燒系統關閉，新鮮空氣閥門開啟，RTO風機引入新鮮空氣進入RTO爐內執行約1 h的停機降溫工作。

在檢查RTO系統PLC歷史記錄的過程中發現，生產線廠家在實際使用時并未嚴格執行RTO系統操作規范。在每日預處理流水線生產結束后，操作工按下“停機”按鈕并未等待RTO爐充分降溫，而直接關閉空壓機設備，導致RTO系統設備因缺少壓縮空氣驅動而直接停止一切動作，RTO爐內氣流停滯，停機前引入的污染物無法進入頂部氧化室，在中部蓄熱室、底部風室以及管道內沉積。因此，在下一次RTO系統啟動升溫過程中，由于升溫階段，爐膛溫度較低，未達到氧化溫度，沉積在蓄熱室、風室及管道內的污染物被新鮮空氣帶入氧化室而未完全反應后按流程排出至煙囪，導致出口的在線監測系統在RTO系統開機升溫階段檢測到尾氣排放超標。

經常性的非正常停機操作，除了會導致RTO系統開機升溫階段的尾氣排放超標，高溫氣流停滯長期會加速設備的老化，影響使用壽命；同時，船廠鋼材預處理線所使用的底漆一般為硅酸鋅車間底漆或無機硅酸鋅車間底漆，包含硅酸乙酯成分，硅酸乙酯水解或燃燒后生成SiO2，極易堵塞蓄熱陶瓷材料，因此本項目采用了改性的蓄熱陶瓷材料，一定程度上緩解了SiO2的堵塞風險，但長期的非正常停機操作，沉積在蓄熱室內的污染物若長期不流通，反而會加速蓄熱室內蓄熱陶瓷的堵塞，影響設備的使用壽命。

3）未正常維護導致的故障停機

RTO系統的穩定運行離不開操作人員的定期巡檢和維護，如定期檢查潤滑點并添加潤滑劑、定期檢查漆霧過濾器材使用情況并及時更換、定期檢查燃燒機組UV火焰監測器并及時清理等。但是生產線廠家在實際使用過程中未嚴格執行定期巡檢和維護，經檢查發現如下情況：

操作人員未定期檢查漆霧過濾器情況，導致部分漆霧過濾器使用時間過長，表面沉積的粉塵和漆渣過多，漆霧過濾器濾袋破裂；

操作人員為降低漆霧過濾器沉積漆渣較多引起阻力過大的問題，擅自拆卸部分漆霧過濾器，造成RTO系統前端物理過濾精度降低，部分顆粒物進入RTO爐內，可能引起堵塞；

操作人員未定期檢查并清理燃燒機組UV火焰監測器，導致UV火焰監測器表面有積聚的灰塵，UV火焰監測器對火焰的監測不靈敏；

車間供應的天然氣為儲罐天然氣，車間內其他生產工序多處使用天然氣的強度不規律，導致儲罐天然氣輸出至各點的壓力不穩定、波動性大，RTO系統使用過程中常遇到天然氣壓力過低導致故障停機的情況。

4）在線監測系統運維標定

為有效監測廢氣治理系統處理效果及達標排放情況，RTO系統設備在廢氣入口管道及排氣煙囪上均安裝了VOCs在線監測系統。為確保儀器正常運行，進行了定期的保養。由于使用情況和環境條件差別很大，儀器的器件每周定期檢查，并采用標氣標定。

2.2 對策及措施

1）根據實際生產啟動相應的RTO系統，避免單套RTO系統超負荷使用，避免濃度超標的安全隱患；

2）檢查并優化預處理線噴漆系統，可有效避免陷入RTO系統廢氣濃度超標風險，同時從根源上減少噴漆系統的油漆浪費，節能降耗；

3）規范開關機操作，保證壓縮空氣、電力等公用工程系統的持續供應，保證正常的開關機執行流程；

4）保有定量的易損易耗件，如過濾器、磁感應開關等，及時更換易耗件；

5）聘用專業的廢氣處理裝置運維團隊或培養專業的維護使用人員，高效合理地使用RTO系統設備。

3 結語

蓄熱式焚燒技術（RTO）已成為船舶制造業鋼材預處理流水線廢氣治理最有效的方法，同時也在船舶制造業分段涂裝工廠廢氣治理上有廣泛的應用[6-7]。

為切實做好船舶制造業 VOCs 的污染防治工作，廢氣治理系統的使用應嚴格遵守設備規范，保證規律性的檢查、維護和保養工作，培養使用人員的專業素養，切忌強制不合規的使用，保障廢氣治理設備的長期高效運行和達標排放。