船舶外場涂裝局部集氣罩設計

王 月, 戴 健, 孫有君, 呂金綱, 張 超

(1.招商局重工(深圳)有限公司，廣東 深圳 518067；2.大連船舶重工集團有限公司，遼寧 大連 116011)

0 引 言

船舶行業在船體或海上設備建造過程中需要經歷外場舾裝、船臺合龍和塢內美化等噴涂油漆的施工作業。在船舶或海洋工程裝備進行外場噴涂油漆作業時，涂料、稀釋劑和清洗劑等有機溶劑含有的揮發性有機物(Volatile Organic Compounds，VOCs)會直接揮發至空氣中，成為船舶外場涂裝作業流程VOCs排放的主要源頭。近年來，國家和地方標準陸續發布，包括但不限于《船舶工業工程項目環境保護設施設計標準》(GB 51364—2019)、《揮發性有機物無組織排放控制標準》(GB 37822—2019)、《工業涂裝工序揮發性有機物排放標準》(DB 21/3160—2019)[1]。相關標準已對無組織排放進行明確定義，船舶外場涂裝作業產生的VOCs等危廢物未經任何處理直接排放至大氣中，屬于船舶涂裝行業典型的無組織排放情況[2]。

為滿足國家排放標準，必須在進行外場舾裝完工涂裝和碼頭涂裝工序時增加環保系統。整體處理過程分為收集與處理兩個模塊，通過收集模塊對漆霧進行捕集，通過風管輸送至凈化系統，經凈化處理達到排放標準排入大氣[3]。結合生產實際情況對船舶外場涂裝局部集氣罩提出合理設計，改善捕集效率，提高環保系統凈化效率。

1 產品應用

鑒于船舶外場噴涂露天涂裝作業無組織排放現狀，亟待進行露天涂裝作業VOCs收集與處理。露天作業主要的噴漆移動設施為高空作業車，在設計時可將收集系統安裝在高空作業車平臺上，通過柔性管路連接吸附與處理系統進行VOCs收集與處理，如圖1所示。

圖1 局部集氣罩工作示例

在船舶外場涂裝過程中，控制霧態和顆粒狀污染物的主要方法是通過設計有效的物理收集罩，利用風機在收集罩內形成合適的負壓，將污染物收集至吸附或凈化裝置中進行處理，防止大量漆霧中的有害顆粒物和氣體直接向外排放至空氣中[4-5]。船舶外場涂裝局部集氣罩主要是對噴涂油漆產生的VOCs等有害氣體進行捕集，由于噴涂作業的方式(人工噴涂、機器噴涂)和位置(外板中部、首部、尾部等)不同，因此集氣罩的結構和安裝方式各有不同。合理的結構和安裝對環保系統整體凈化效果具有直接影響。

2 設計原則

基于計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)多相流數值模擬方法，圍繞高空作業車人工噴涂區域回收防護罩的幾何結構特性和收集罩內人工噴涂形成的排放空間狀況，建立回收防護罩內的湍流模型，研究VOCs氣體各組分的分布規律和動態運動特性，分析影響回收效果的主要參數，研究作業廢物分布模型和高效回收方法，開展多傳感器融合的柔性封閉式噴涂作業倉的設計。針對作業倉內漆霧飄散的問題，開展風管接口處的防漆霧結構設計研究。

經前期調研和現場試驗分析，船舶外場涂裝局部集氣罩的設計原則是結合涂裝作業的方式匹配合適的抽風機風量達到漆霧等有害氣體的高效收集。在設計時具體應注意如下事項：①應具備局部伸縮和調整功能，以便對不同船舶部位均可形成較好的封閉性，保證收集罩內形成有效負壓，防止VOCs氣體外溢，提高VOCs氣體收集率；②吸風口布置位置應符合VOCs氣流的運動特性和軌跡，以便更加高效地收集VOCs氣體；③應使作業區和收集區形成良好的分隔，防止VOCs氣體擴散至作業區；④外形和安裝方式應便于安裝和設備維護檢修，并最大限度不影響油漆噴涂作業的操作性和施工效率。局部集氣罩設計圖如圖2所示。

圖2 局部集氣罩設計圖

3 方案設計

深入研究外場移動式噴漆作業VOCs氣體的產生與擴散機理，結合VOCs氣體動力學特性，建立VOCs概率化動態分布模型；分析VOCs各組分理化特性，建立融入理化減排思想的VOCs排放控制機制；基于理化特性和所處環境的VOCs高效回收方法研究，開展曲臂式高空作業車上集成的柔性封閉式噴涂收集罩設計，構建有組織回收封閉環境，為噴涂階段所產生的VOCs回收提供基礎條件保障。通過系統攻克外場和艙室內噴涂作業VOCs排放控制即VOCs吸附收集的瓶頸問題，開發設計具有漆霧過濾功能的一體化回收口，通過集成于高空作業車上的集氣罩和管線實現噴涂階段VOCs有組織收集。

噴具末端集成局部集氣罩、伸縮型局部集氣罩和多傳感器融合的柔性封閉式噴涂作業集氣罩等不同形式的回收結構對VOCs無組織排放回收控制具有不同的影響，通過CFD仿真軟件并采用類比方法，開展外場環境下的VOCs有組織排放回收場構建形式研究，形成船舶外場局部收集罩設計方案。

綜上所述，船舶外場涂裝局部集氣罩主要根據作業環境與無組織排放污染源的位置，應用機械力學理論與SolidWorks三維軟件的配合設計而成。

船舶外場局部集氣罩尺寸為1 400 mm×1 400 mm×350 mm(自由伸縮為200 mm)，質量為70 kg，長度伸縮由電動氣缸控制。船舶外場局部集氣罩包括高空作業車、罩體框架、風幕機、罩體和伸縮機構，如圖3所示。罩體整體全部使用透明材料，保證施工過程中的光線與亮度，方便噴漆過程中的質量監測。罩體外形為矩形，便于進行噴漆作業，作業產生的漆霧擴散被限制在罩體中，由重力和罩體底部喇叭形吸風口提供的吸力捕集至VOCs處理裝置；改變通過側向或頂部吸風口直接吸附的常規方式，常規吸附雖加裝大功率吸氣裝置但結構不理想，無法有效限制漆霧擴散，致使大量氣體外溢，影響漆霧捕集效果。罩體端部均設置伸縮機構，在噴涂作業時可根據船體外形利用上下電動氣缸調整4個伸縮機構的伸縮臂長度，通過伸縮調節可適當調節吸附口角度和位置，盡可能正對和貼近噴漆表面，提高集氣罩對漆霧的捕集能力；改變集氣罩固定吸附角度的常規情況，避免因船體不規則外形導致外部氣流干擾，影響漆霧捕集效果。罩體框架操作側頂部安裝風幕機，通過風幕阻隔操作空間與吸附空間，防止漆霧因反作用力由操作側流入外界空氣中，提高漆霧吸附效果并避免噴漆作業人員吸入有毒氣體，保障作業人員身體健康；改變常規集氣罩無法控制操作側漆霧擴散，影響漆霧捕集效果。風幕機工作原理如圖4所示。

圖3 局部集氣罩示例

圖4 風幕機工作原理

4 仿真模擬

在實際收集過程中，噴漆運動比較復雜，噴漆過程涉及射流、破裂和碰撞模型，而噴漆至噴漆表面過程屬于反彈黏附模型，整個油漆在與船體進行噴射黏附后反彈，并被底部的吸附風口吸入移動式VOCs吸附處理裝置。整個收集流體運動模型比較復雜，為精確進行收集率計算，使用有限元分析軟件Fluent進行建模。在實際工程中，船舶噴漆作業是一種非連續的施工，但針對噴漆作業漆霧的瞬時流體運動仍可應用湍流模型進行仿真模擬，分析其瞬時運動特性。

根據實際試驗數據，計算各涂裝作業環節過程中的VOCs揮發量占比：油漆開包裝至噴涂前為1%～2%，噴涂過程為45%～50%，固化過程約50%。固化過程時間較長，一般需要20 h或更多。研究對象僅負責收集噴涂過程產生的廢氣，模擬過程按VOCs揮發量占比45%進行仿真。模擬環境如表1所示。GRACO XTR-5噴槍參數如表2所示。

表1 模擬環境

表2 GRACO XTR-5噴槍參數

借助有限元分析軟件Fluent平臺進行建模，網格節點為20 000個，計算區域的外邊界采用壓力遠場邊界條件，湍流模型采用k-ε方程模擬湍流黏度，噴射過程采用泰勒類比破碎(Taylor Analogy Breakup，TAB)模型，時間步長為0.001 s，對油漆的運動采用二階隱式格式的時間推進法求解，對壓力-速度耦合采用壓力的隱式算子分割算法(Pressure Implicit with Splitting of Operators，PISO算法)求解。噴漆收集模型如圖5所示。由圖5可知：油漆噴射反彈后的絕大多數顆粒在風機負壓下被吸至下部的吸附口。仿真結果分析測量液體出口的顆粒質量分數，并計算收集效率為60%。

圖5 噴漆收集模型

5 驗證方法

通過設置在回收裝置中不同部位的VOCs采樣、色譜分析和檢測，針對VOCs吸附收集進行量化分析，構建船舶外場噴涂階段VOCs吸附收集檢測和驗證方法。

基于涂料的高精度計量算法可知噴涂總量，通過高傳遞效率的低壓精細霧化技術研究可知涂料最優上漆率，涂料中的VOCs為已知量，可得需回收VOCs總量。在回收管線(回收場與VOCs吸附裝置之間的管線)中安置VOCs氣體連續監測系統(監測VOCs質量分數、風量)，可測得噴涂過程中的VOCs回收量，與需回收VOCs總量進行比較，得到VOCs收集率。

6 結 語

針對船舶外場涂裝作業工況，適配不同的噴涂作業方式和不同船舶部位的收集罩是行業的空白技術和難點問題。由大量的理論研究和現場試驗分析得出，局部集氣罩對于提高船舶平直外板區域涂裝施工過程中的VOCs收集率是有效和可行的。但針對不同船型的球鼻首和尾部等特殊部位，仍需要進行不斷的結構優化，并結合不同涂裝作業方式進行工況試驗驗證，在保證施工安全和效率的前提下，不斷提高集氣罩的收集率，最大限度收集和處理VOCs氣體，減少對大氣的污染，為船舶涂裝危廢物排放治理提供有效解決方案。