汽车生产的四大工艺中，涂装车间是产生“三废”最多的环节。特别是喷漆室、烘干炉等排出大量的废气含有VOC这类有害物质。VOC（Volatile Organic Compound，挥发性有机物）是指除CO、CO2、H₂CO₃、金属碳氧化物、金属碳酸盐、碳酸铵之外，任何参与大气光化学反应的碳化合物总和，代表性物质有苯、甲苯、二甲苯、乙基苯等，是最为常见的大气污染物。挥发性有机物对生态环境、人体健康、动植物生长等造成极大的直接伤害，其与大气中的氮氧化合物在光作用下发生化学反应生成光化学氧化剂，是光化学烟雾、酸雨、雾霾和气候变化等环境问题的诱因。挥发性有机物的主要来源于化工、制药、涂装等行业排放的有机溶剂废气。削减挥发性的有机物排放对人类的生存环境、自然界的生态平衡至关重要。
对VOC的常见处理工艺有：破坏性消除法，如焚烧或催化燃烧法，将VOC转化为CO2和H20；回收法，如吸附法、吸收法、冷凝法和膜分离法。
大部分的VOC都是可燃的，可以直接通过燃烧处理法进行处理，其优点是：VOC净化效率高，有机废气不需要预处理，可靠性高。缺点是：废气处理温度高，对低浓度、低温度、大风量的废气，燃料耗能大；净化后的气体排放温度高，需要设置热回收装置。
涂装车间烘干炉排除的废气，由于其VOC浓度和温度都较高（浓度：1000mg/m3左右，温度：150~200oC），而且风量不大（总废气风量一般不超过5万Nm3/h），适合采用直接燃烧方式进行处理，一般采用蓄热式焚烧设备（RTO）进行废气处理。
而来自喷漆房的废气，浓度低、温度低（浓度：200mg/m3左右，温度：25 oC左右）、风量大（风量：10万Nm3/h左右），不适合采用直接燃烧方式，一般采用吸附法+燃烧法。先通过吸附法，把低浓度、大风量的废气转变为高浓度、低风量的废气，浓缩后的废气再送入焚烧炉高温燃烧。
工业应用中最常见的吸附剂是活性炭和分子筛沸石。活性炭对湿度有要求（相对湿度>60%时，吸附效果会大大降低），安全性较差（易发生着火）。沸石有较好的疏水性，废气相对湿度<90%时表现出很好的VOC吸附效果，不可燃（耐温：1000 oC）。
我们以某工厂的一套VOC处理设备：KPR（VOC Concentrator，VOC浓缩器）+RL（Rotary Regenerative Thermal Oxidizer，旋转蓄热式焚烧炉，RTO的一种形式）来进行一些介绍说明，下图是现场照片。
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2套过滤房系统，用于去除油漆颗粒；
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2个KPR浓缩器，用于VOC浓缩；
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2台主风机，安装在KPR转轮后；
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1台旋转式RTO蓄热氧化焚烧炉（简称RL），用于净化浓缩后VOC废气；
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1个热回收系统（换热器），用于加热转轮脱附需要的高温气流（也称解析气）；
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1台RL高压引风机；
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风管及相关辅件；
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预过滤系统，第一道由G4（颗粒阻隔过滤器）和F5（袋式过滤器）组成，第二道是F7（袋式过滤器），第三道是F9（袋式过滤器）。过滤的主要目的是在废气进入转轮前去除上游的颗粒物，保护沸石不致于堵塞或导致吸附效率下降。VOC浓度器的转轮是由蜂窝状的陶瓷纤维片为基材组成，而其中又被浸渍了防水的沸石（分子筛）作为吸附介质。
转轮在物理特性上是气流低温（40 oC以下）时吸附VOC，随着温度增高其吸附效果会降低，而且当温度达到一定时，会把转轮内的VOC脱附出来（脱附温度在200 oC左右），即高温气流反吹出VOC。
上图是KPR转轮出口的正视图，在空间上，划分了3个区域：吸附区、脱附区、冷却区。吸附区和脱附区在空间上是隔离出来的（隔离密闭性与转轮密封条相关），冷却区出口与吸附区出口、脱附区在空间上是隔离出来的。以上图的“A块区域”为例，介绍下转轮的工作流程：自动运转下，转轮一直旋转（转速在8r/h左右），“A块区域”在吸附区尽情的吸附废气（25oC左右）中的VOC；旋转进入到脱附区时，高温气流（200 oC左右）反吹出“A块区域”内的VOC（反吹出的气流温度在120 oC左右）；继续旋转进入到冷却区，用废气冷风（25 oC左右）给“A块区域”进行降温，以便旋转进入到吸附区时“A块区域”是在低温状态下进行吸附工作。
综上，转轮浓缩的原理是：长时间在吸附区吸附废气（大流量、低浓度）中VOC，短时间在脱附区脱附出低流量、高浓度的VOC废气。（这里需要注意转轮吸附VOC的饱和程度，低温废气中的VOC含量、转轮转速、废气风速等关系的协调）
以上面示意图，介绍下设备进入处理模式时气流的走向。
含有VOC的气流B在经过转轮吸附区时被收集，当气流B通过转轮后，VOC就被转轮的吸附介质所吸附了，净化的气体被释放到大气中。
气流B分出部分去冷却区冷却转轮，经过冷却区后的气流C（温度在90 oC左右）被送进换热器加热，经过换热器加热后的气流D（一般称作脱附解析气，温度在200 oC左右）去脱附区反吹出转轮内的VOC。这样经过脱附区的气流E（温度在100oC左右）就是高浓度的VOC废气，气流E先经过蓄热砖（蓄热砖即是吸收燃烧后的高温气的热量，也是进入燃烧室前的气流预热）预热，进入燃烧室（燃烧室温度在850 oC左右）。VOC在燃烧室进行高温裂解（在燃烧室的时间一般要求1s以上），裂解后的气流经过蓄热砖后（温度在100 oC左右）释放到大气中。
蓄热砖上方的气流F（高温气，温度在850 oC左右）和蓄热砖下方的气流G（较低温气，温度在100 oC左右）进行混合作为热源（混合后的温度在340 oC左右）去加热换热器，经过换热器出来的气流直接释放到大气中（温度在140 oC左右）。
吹扫模式：设备冷态开机下先进行炉膛吹扫（吹扫时间在180s左右，保证RL会被置换大概5次）。吹扫模式是用新鲜风吹扫去除炉膛内残留的挥发性有机物（废气中可能含有爆炸性物质，浓度足够时点火会发生爆炸），保证点火时的安全；
点火模式：吹扫模式完成后，燃烧器进行点火。点火时，2个燃气点火切断阀打开，点火变压器通电，点火火花塞产生电火花，如能顺利点火成功继续打开2个主燃气切断阀，再关闭2个燃气点火切断阀。点火模式可以有3次的点火尝试（每次点火尝试时间在2s左右），UV（火焰探测器）配合检测来判断是否点火成功，如点火不成功迅速关闭点火阀；
加热模式：点火成功后，炉膛继续通新鲜风（炉膛温度不够时，不通废气燃烧加热炉膛）加热（从50oC左右冷态加热到800oC，大概要4个小时）。炉膛加热时，要求温度按照1分钟升3oC进行升温（基于炉膛蓄热砖寿命考虑）；
KPR转轮加热模式：炉膛温度达到750oC左右后，可以开始对转轮的脱附区气流进行加热（从冷态30oC加热到200oC，大概要1个小时）；
处理模式：炉膛温度和转轮脱附区温度均达到要求后，系统会切入处理模式，进行废气处理；
自燃模式：处理模式下，炉膛燃烧VOC，温度持续升高，当温度升到燃烧器停止温度时（例如930oC），主燃气切断阀关闭，VOC一直通入燃烧会产生一定的热量，来维持炉膛的温度。如VOC浓度不够，不能让炉膛持续在燃烧器重启温度（例如830 oC）之上时，燃烧器重新点火；
停机降温模式：炉膛高温正常停机后，由于炉膛内高温，高温气流长时间与燃烧器的电动阀、切断阀等接触，可能会造成损坏。这种情况下，燃烧器的助燃风机会定期启动运转（大概每5分钟运转70s），送入低温新鲜风给燃烧器相关部件降温，此情况下，炉膛的转阀还是会定期运转，进行风道切换，利于降温；（一般炉膛温度低于250oC就可以停止降温措施）。
另外是转轮降温，高温正常停机后，KPR主电机会继续运转给转轮脱附区降温。（一般脱附区温度低于50oC就可以停止降温措施）。
从控制对象上来说，主要有：普通型风阀、带定位器的比例型风阀、风机（变频控制）、RTO转阀（伺服控制）、燃烧器控制（调节炉膛温度）；各种风阀控制主要是在不同模式下，做相应的动作。
KPR风机的变频控制：在处理模式下，通过调节风机的转速，来控制转轮前后的风压（PID控制方式）；
RTO主风机的变频控制：在处理模式下，通过调节风机的转速，来控制进入炉膛的废气风量（PID控制方式）；
脱附区的解析气流温度控制：通过调节换热器2股热源的风阀开度，来控制解析气流的温度（PID控制方式）；
炉膛的温度控制：通过调节助燃风的电动阀开度（助燃风压增大，主燃气调节阀也会开大，此案例在这个结构是一种机械式结构，空燃比调好后就按照一定的关系随之变化），影响火焰的强度，来控制炉膛的温度；
RTO转阀的伺服控制：蓄热砖下方的转阀在结构上有12格，转阀是用来控制风道的切换，让蓄热砖均匀的吸热、预热（正常运行下，转阀每隔15s运转一次，进行风道切换）；
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吴晨阳
2021年12月
1.Smart200&V90伺服系统：已更新15课
原文始发于微信公众号（剑指工控）：VOC处理设备KPR+RL实际案例分享
