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钢桶的涂装与环境保护(2)
——在第五届泛亚洲钢桶行业会议上的演讲论文
上海徐工涂料技术有限公司 徐国兴
2．废气
钢桶涂装废气的来源主要是喷漆室和烘道的排气。喷漆室的废气是喷漆室在排气过程中产生的。为了保证良好的工作条件，喷漆室需要在 0.25～1.5米 / 秒的风速范围内进行换气，因此，喷漆室排出废气的特点是风量大，有机挥发物浓度极低 (大约在10~20ppm范围内 )。喷漆室废气除含有有机挥发物气体外，还含有—部分由于涂料过喷而形成的漆雾，这些漆雾的颗粒直径大约在20 ~ 200微米左右。
烘道的排气主要含有溶剂蒸气、涂料成膜过程中热分解气体，还有使用气体燃料或液体燃料燃烧所生成的废气。这类废气中的有害物质主要是苯类、酯类、醇类、醚类和酮类以及一些胺类及醛类等。
喷漆室和烘道废气的处理法有直接燃烧法、催化燃烧法、吸收法和活性炭吸附法等。
a．直接燃烧法
直接燃烧法是将喷漆及烘干过程中产生的废气引入燃烧室，直接与火焰接触燃烧，把废气中的可燃成分燃烧分解，变成无臭无害的二氧化碳和水蒸气的一种方法。
为了防止废气中的碳氢化合物由于不完全燃烧而生成一氧化碳，在燃烧室内，除供给充足的氧气外，还必须要有650 ~ 800℃的燃烧温度和0.5～1.0秒的废气滞留时间。
废气直接燃烧系统是由烧嘴，燃烧室，预热器等部分组成的。为达到预期的燃烧效果，烧嘴要能形成连续稳定的完全燃烧的火焰，燃烧面积要大，并能使废气与火焰充分接触。
直接燃烧法系统设计耍考虑以下几点：
(1)因为喷漆废气是含有多种溶剂蒸气的混合气体，当其浓度接近爆炸极限值时进行燃烧，即会产生爆炸。所以为防止爆炸，对于接近爆炸极限值下限的高浓度气体，需要用空气稀释到预定的安全度。
(2)直接燃烧怯处理喷漆和烘道产生的废气时，为避免光化学烟雾物质NOx的产生，燃烧温度不宜超过800℃。
(4)要考虑余热的利用。
直接燃烧法，管理容易，维护简单，可靠性高。但需要的处理温度高，耗费燃料多。
b．催化燃烧法
催化燃烧法是利用催化剂使废气中的有机溶剂蒸气发生激烈氧化燃烧，生成水和二氧化碳，从而达到除去废气中的有害物的方法。
在将废气进行催化燃烧的过程中，废气由风机经管道送入热交换器，将废气加热到催化燃烧所需耍的起始温度。经过预热的废气，通过催化剂层使之燃烧。燃烧生成的高温干净气体，可以在钢桶烘道得到再利用。
由于催化剂的存在，催化燃烧法废气燃烧的起始温度约为250～500℃，大大低于直接燃烧法的燃烧起始温度650—800℃，因此不需要从外部供给大量的热能，就能使废气进行完全燃烧。燃料的消耗远比直接燃烧法为低。
催化燃烧系统由催化元件、催化燃烧室、热交换器及安全控制装置等部分组成，作为催化燃烧系统的核心部件—催化元件，外面是用不锈钢制成的金属框架，内部充填表面镀有催化剂的金属载体。催化剂多为白金系的贵重金属，如钯、铂等。金属载体制成各种形状，有网状、蜂窝状、球状，柱状等。载体的材料多为镍，铬等耐热合金及陶瓷等。
为了保证催化燃烧的正常进行，在设计催化燃烧系统时，需考虑以下几点：
(1)废气浓度大小。废气浓度过低，燃烧效果差，若提高燃烧效果，势必造成燃料的消耗，废气浓度过高，燃烧热量大，升温高，不仅会把催化剂烧坏，降低催化剂的使用寿命，而且处理不当，还会造成爆炸事故。废气中有机物的浓度最好维持在10一15克 / 米3 。
(2)要根据废气中所含不同的有机物的成分确定适宜的预热温度。预热温度过低，不能进行催化燃烧，预热温度过高，则造成燃料的浪费。由于废气所含成分不同，预热温度也不同，对于我们钢桶行业常用的氨基烘漆所产生的有机挥发物，预热温度约为250 ~ 300℃；而对于环氧涂料所产生的有机挥发物，预热温度约为400—500℃。
(3)废气在催化剂层的滞留时间是影响废气处理效果的重要因素，滞留时间长，将会增加催化剂层的厚度，造成催化材料的浪费，滞留时间短，使废气处理不干净。废气在催化剂层的滞留时间最好为0.14~0.24秒。
(4)要考虑充分的供氧条件。废气中的有机溶剂成分是通过催化剂产生强氧化反应，进行物质转换而生成二氧化碳和水的，为此，要使燃烧充分进行，必须有充足的氧气供应。若供氧不足，则不能完成废气净化，而生成其他有害物质，如一氧化碳等，或在催化剂表面造成积炭，使催化剂活性下降。
(5)要考虑催化剂的中毒和活性衰退问题。从理论上讲，在不存在外界污染的情况下，催化剂可以持续地使用，而实际上，水蒸气、重金属、尘埃、漆雾等的污染是不可避免的。这些污染造成催化剂中毒，轻者活性降低，重者完全丧失活性。因此，设计时，应尽量减少催化剂污染中毒，提高催化剂的使用寿命。催化剂中毒后，经再生处理，可以恢复其性能。
c．吸收法
吸收法一般是用液体作为吸收剂，使废气的有害成分在液体中被吸收的方法。
气体用液体吸收剂的吸收过程，是由于气体的分子扩散，通过气相和液相的相间膜而发生的气体物质的转移传质过程。其扩散转移的推动力，在气相界面膜处，是气体分压和在界面处的气体分压差，在液相界面膜处，是液相界面处的所溶气体物质的浓度与液相中所溶气体物质浓度差。在稳定吸收过程中，两相界面处的液体中的溶质浓度和气体中的溶质分压，构成动平衡状态。
从进行吸收法的原理和过程来看，作为吸收法的关键是选择能把被吸收物质进行有效吸收的吸收剂。对于涂料施工过程中的废气，由于是多种有机挥发物的稀薄混合气，选用吸收剂；是比较困难的。若废气中的主要成分是亲水性溶剂，可用水作为吸收剂：若排气中的主要成分是疏水性溶剂，则需要选用对此溶剂吸收效果好的吸收荆。
对于我们钢桶行业来说，吸收法是不太实用的。我国钢桶涂装对环境污染最大的要算 PVF涂料了，不但是它的固体含量低，在烘烤过程中有占涂料用量 75 %以上的有机挥发物要跑到环境中去，而且由于挥发物的比重大、黏附性强，所以造成挥发雾气在烘道附近久久不能排去，对人体和环境影响很大。PVF涂料烘烤过程中产生的雾气是邻苯二甲酸二甲酯的液滴微粒形式，所以不能叫做烟（烟是由固体微粒组成的）。对于这样的雾气，我们其实可用水作为吸收剂，不过在这里作为吸收剂就要打个引号了，因为水在这里的作用只是将邻苯二甲酸二甲酯蒸汽冷却凝聚下来罢了。
笔者曾经在实验室做过用水喷淋冷凝邻苯二甲酸二甲酯雾气的实验。将烘箱内烘烤 PVF涂料产生的邻苯二甲酸二甲酯雾气用水流负压器（俗称水老鼠）抽吸至水流中，烘烤过程未见有邻苯二甲酸二甲酯蒸汽逃逸，而当实验结束时，在水流负压器下的储水槽中发现了沉在水底的已经液化了的邻苯二甲酸二甲酯。
所以我们在烘烤 PVF钢桶时，是否能设计一个冲淋塔，将烘道中产生的雾气抽出，使烘道保持负压，负压的大小以不至于使烘道热能损失过多，又能使产生的雾气无法逃逸发散为准。抽出的雾气送至冲淋塔，从塔底由下而上，而水由上喷淋而下。为了使二者充分接触，中间可设置多个塔板或填充大量小瓷环。这样，在雾气和水的上下流动接触的过程中，在相间膜处，雾气被水冷凝并被携带向下，使气体得以净化。干净空气由吸收塔上部排出，而含有邻苯二甲酸二甲酯液体的水由喷淋塔下部流入水槽。由于邻苯二甲酸二甲酯的比重达到 1.19，要比水高许多，被液化的邻苯二甲酸二甲酯沉在水底，所以水槽上部可设有溢流口，溢流出来的水可循环利用，到时只需打开水槽的底阀将结存的邻苯二甲酸二甲酯放出回收就行。
d，活性炭吸附法
其实除了用活性炭吸附，还可用活性铝、硅胶、分子筛等吸附方法。其中分子筛的综合吸收性能是最好的。但考虑到成本和钢桶行业的实际情况，用活性炭吸附烘烤涂料的废气最实用。
活性炭是疏水性的，对有机溶剂有较高的吸附效率。另外，活性炭具有远比其他吸附剂为高的比表面积，一般的为 500 ~ 1500米2／克。因此，在净化有机溶剂废气中，多使用活性炭作为吸附剂。
活性炭由于制造的原料和活化的方法不同，有不同的比表面积和物理性质。一般情况下选用果壳类的颗粒状活性炭效果好些。颗粒状活性炭的粒径，一般多为 5毫米左右。粒径越小，虽然通过的阻力越大，但吸附效率越高。
来自喷漆室和烘道的废气，经过除尘器和冷却器，除去漆雾、灰尘，并降低到一定温度后，通过风机，从吸附塔的下部被送入吸附塔。在吸附塔内，废气中所含的有害成分，在活性炭庞大的固相表面被吸附浓缩，从而达到净化废气的目的。净化了的空气，通过引风机被排入大气。
随着吸附过程的进行，活性炭逐渐失去吸附效能而达到饱和状态，这时，通过与吸附塔上部连接的蒸汽管道，将蒸汽通入吸附塔内，使活性炭进行脱附，经脱附再生的活性炭可继续使用。脱附后的水蒸气及涂料有机挥发物蒸气的混合气进入冷凝器，使之冷却，凝聚变为液体，流入分离器。在分离器内，将涂料有机挥发物液体同水进行分离，回收。
活性炭吸附塔的设计要注意：
(1)应设置预处理装置，使废气在进入吸附塔之前，除去其中含有的漆雾，并降低至适宜的温度，以提高活性炭的吸附效率。否则，由于活性炭表面被涂料颗粒覆盖以及废气温度较高而造成活性炭吸附率下降。
(2)应考虑防爆和防止活性炭层的自燃。
(3)应考虑恬性炭的再生和补充，以保证吸附过程的连续进行。
(4)应考虑布气的均匀性，防止在吸附过程中沟流、偏流、短路等现象的发生，保证一定的吸附效率。
3，喷漆室和烘道废漆残渣的处理
喷漆室和烘道废漆残渣目前并没有一个理想的处理方法。以前比较多的做法是掩埋和自行焚烧，但由于对土壤的污染以及经渗透后对水源对作物的污染，掩埋被不少国家所禁止；自行将这些废漆残渣焚烧，也是不可取的，因为没有专门的燃烧设备是不可能将废漆残渣充分燃烧的，倒是会产生大量一氧化碳以及其他有毒物质污染环境。
不过现在很多地方的环保部门已经建造了集中的垃圾焚烧厂，这些焚烧厂会将垃圾分门别类，将可燃烧的垃圾集中燃烧，将垃圾变废为宝成为宝贵的能源。经和当地环保部门联系后，不少这类焚烧厂会定时上门收集需要焚烧的垃圾。
四，改善涂装污染的途径
现在钢桶行业的效益都不是很好，但大多桶厂将精力花在管理、钢材、涂料、能源等方面的降耗上，如果我们在降低涂装污染中也能找到降耗增效的途径，这不是利国、利民也利己的好事么。
1，前处理冲淋水的互换
如前文所说，我国钢桶行业现在所使用的大多数去油液一般都是含有表面活性剂、氢氧化钠、磷酸三钠、碳酸钠、硅酸钠以及各类助剂的化学去油剂，呈偏碱性，所以去油后的循环利用的冲淋水时间长了，也就变为偏碱性的废水，这时就需要更换冲淋用水了。
而大多数磷化液都是含有磷酸、磷酸盐、硝酸盐、钼酸盐以及各类助剂等的偏酸性液体，磷化后的循环利用的冲淋水时间长了也变为偏酸性的废水了，这时再不换水的话就会影响涂料涂装了。
这时，如果将这两处的冲淋水互相换一下的话，就会出现意想不到的结果。
去油后的钢桶表面，由于去油液的关系，本身也呈现偏碱性，若用呈偏酸性的含有少量磷化液的磷化后冲淋废水冲淋后，不但部分中和了钢桶表面的偏碱性，而且对后道的磷化工序也较为有利。
而在磷化后的钢桶表面由于磷化液的关系呈偏酸性，若用偏碱性的去油后冲淋水冲淋，则部分中和了偏酸性的钢桶磷化层表面。不过这里要注意一个问题，去油液的冲淋废水中除了呈偏碱性外还含有从钢桶表面清洗下的油脂，所以如果油脂含量较多的话就会造成钢桶磷化表面的污染，就是去油液冲淋废水中的油脂含量很低，也要再经清水的反复冲淋确信钢桶磷化层表面干净才行。
这样的互换冲淋水废水的再利用，既降低了污水的排放，又节约了用水。
2，改变涂料品种和喷涂方法
除了前处理，改善钢桶涂装污染的主要途径有两个，就是改变涂料品种和施工方法，从根木上消除或减少钢桶涂装有害物的产生。如将造成严重污染的溶剂型涂料，改变成水性涂料、粉末涂料或高固体分涂料，以消除或降低涂料有机挥发物对大气的污染，采用高效的涂装方法，提高涂料的利用率，减少涂料的飞散等。
钢桶涂装污染的主要来源就是涂料本身，而涂料对环境的最主要污染就是有机挥发物。但有机挥发物是溶剂型涂料的重要成分，所以从环保角度以及发展方向来看，水性漆和粉末涂料值得提倡。事实上有些桶厂已经在部分使用水性漆和粉末涂料了，甚至有的桶厂已经全部使用粉末涂料。当然，从目前钢桶行业的生产需要来看，要想完全排拆溶剂型涂料是不可能的，我们所能做到的就是尽量使用高固体含量的溶剂型涂料，这是降低对大气污染最直接、最经济、最有效、最能立杆见影的途径。而且这不但有利于环境保护，同时也是降耗增效的有效手段。
改变涂装方法，改进喷涂装置，也是提高涂料涂覆效率、减少漆雾飞散有效手段。我们可以从我们钢桶行业最常用的三种喷涂方法的比较来分析：
空气喷涂借助于压缩空气气流所造成的负压把涂料带出并经喷枪分散成雾状，喷射于钢桶表面。空气喷涂的漆雾是由气流带出的，漆雾中混有大量的空气，这就造成了涂料随气流扩散的弊病，并且，涂料中的有机挥发物由于气流的扩散，更加快了挥发速度。所以空气喷涂是涂料喷涂的几种方法中对环境污染最大，对涂料的浪费也是最大的一种方法。
高压无气喷涂是靠密闭容器内的高压活塞将高压施加于涂料，获得高压的涂料通过高压软管、喷枪，经橄榄形的喷嘴孔将压力能转换成速度能，使涂料雾化成微粒喷到钢桶表面。与空气喷涂相比，由于漆雾中不含有大量的空气，不会形成涂料随气流飞溅的现象，涂料的利用率显著提高，对环境的污染也大为减少。并且由于高压无气喷涂可以喷涂相对空气喷涂粘度高得多的涂料，喷涂中使用的稀释剂可以减少，这也降低了对环境的污染，当然更降低了涂装成本。
相对以上两种喷涂方法，静电喷涂对环境的污染是最小的。静电喷涂是将高压静电发生器发生的负高压电接加在金属锐边或尖端放电的喷枪电极上，而钢桶则通过悬挂链或其他传送装置接地，使负极与钢桶之间形成一个不均匀的静电场。靠电晕现象，首先在负电极（喷杯）附近激发游离出大量的电子，漆雾进入电场后与电子结合成负电粒子，在电场力的作用下，定向地飞向带正电荷的钢桶表面。静电喷涂不会或很少有漆雾飞散到空气中去，这是几种喷涂方法中对环境污染最小的主要原因。如果能在喷房内的钢桶后面及两旁装有用漆包线绕成的带有负电的直流高压电网，那么由于对同样也带有负电的漆雾的排斥作用，喷房内壁也不会沾染漆雾。
减少钢桶涂装对环境污染的方法还有很多，例如，我们钢桶行业现在使用的涂料，除了硝基漆和常温快干的X-891涂料之外，大多数均可通过加热降低粘度（如X-622环氧类的钢桶专用内涂料，将温度从 25℃提高到 40℃，粘度可下降 20 %左右），这样就可减少甚至不用稀释剂来喷涂涂料；在喷涂中，特别是空气喷涂中使用线形小喷角的喷嘴可减少漆雾的飞溅；使用高质量的喷涂装置也可使漆雾更加细化，飞散更少，涂装效果也更好。
只要我们思想重视，钢桶涂装对环境的污染必定会降至最低，涂装的涂料单耗必定也会降至最低，钢桶的涂装质量也会更好。
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