一体式客车喷烘漆房设备的设计与应用

贺文磊 中国铁路上海局集团有限公司上海车辆段

1 我段客车车体涂装的现状

长期以来，传统客车车体喷漆一直是采用油漆喷涂+电加热烘漆的方式，能耗高，污染重，已经不适应当今倡导的低碳环保型经济理念。

上海车辆段段段修车间坐落于上海市静安区，属于人口密集型地区，对环保排放要求极高。因此以长期稳定达标排放、节约能源为核心，设计应用了一体式客车喷烘漆房设备，大大降低客车车体涂装过程中有机挥发成分的产生，在根本上解决了 VOC（挥发性有害气体）排放量大的问题，减轻了作业环境靠近居民区的环保压力，实现了在人口密集型地区依法合规的段修生产。

2 一体式客车喷烘漆房设备的设计应用

2.1 主要工作原理

一体式客车喷烘漆房设备用于客车车辆车漆喷涂及强制干燥，主要具有通风、空气净化、漆雾处理及喷漆后的烘干功能。

根据段修每周进、出车计划，喷烘漆房尺寸为 84×60×6.3（长×宽×高）（m），可满足三辆车同时喷漆及烘干作业，全室理论总送风量应达400 000 m3/h。若采用集中供风的方式，风量过大，能耗过高。因此，化整为零，将送排风系统分成7套独立的单元，实现分段送、排风。每套送、排风机组由1台送风机和1台排风机组成。通过控制每套独立单元的风量，以满足3个工位喷漆和烘干各工况下不同风量的需求，同时实现相对能耗最小化。

在喷漆工况下，送风风阀F1、排风风阀F2完全打开，循环风阀F3、废气风阀F4关闭，送、排风机同时工作，通风系统向室内供应100%的室外空气，并通过变频器控制风机保持室内微负压25 Pa～50 Pa，通风方式为上送下吸。室外新鲜空气由进风口经过初效过滤器、中效过滤器、升温段、送风机段进入静压室，静压室底部的过滤顶棉对气流进行均压，并阻截尘埃。清洁空气呈层流方式进入室内，在工件周围形成风幕，使喷漆剩余漆雾不向四周弥散，以保护作业人员的劳动安全。此时，室内有载风速为0.5 m/s左右，在气流的作用下喷漆剩余漆雾将不会在操作者呼吸带附近滞留，而随气流下降，在排风机的引力作用下，气雾经过折流、沉降和吸附的处理后经环保箱净化通过排风烟囱排出室外，废气排放满足GB16297-1996的标准。

在烘干状态下，95%空气循环利用，5%空气通过废气溢流风机排至室外，保持室内有一定的气体溢流，避免废气浓度过高。此时循环风阀F3、废气溢流风阀F4和送风风阀F1开启到设定位置、排风风阀F2关闭，排风机不工作，送风机和废气溢流风机同时工作，送风机通过变频器调节送风量，废气溢流量约为5 000 m3/h。

2.2 主要设备说明

一体式客车喷烘漆房内设备主要由室体、供风加热系统、空气净化系统、排风及漆雾处理系统组成。配套相应的压力检测系统、可燃气体监测报警系统、电控系统、组及电动工作走台。

室体由漆房主体、大门、安全门、照明装置等部分组成的封闭空间，形成涂装作业有限场所。室体采用既有房屋结构，增加顶部钢平台放置送排风机组。在室体顶部共安装2排防爆照明灯组，照明灯具设置按GB14444-2006《喷漆室安全技术规定》要求。照明分组控制，每组照明灯可选择开启数量。室内照度＞500LX，照度均匀。在室体底部两侧共设置2道排风沟，风沟的地板格栅上平面在±0处，格栅盖板与钢轨下底面平齐。

供风加热系统共配备了7套供风机组及热泵加热装置。为了满足室内三个台位的通风换气要求，供风系统与排风系统配合运行，以保证喷漆作业产生的有机气体和过喷漆雾被良好捕捉并处理，使操作环境达到劳动保护要求。通风方式采用上送下吸式，使室内实现层流送风，室内平均有载风速为0.30 m/s左右。冬季室外空气温度过低时，启动加热装置可以实现喷漆作业和烘干作业时环境温度的提高。

每套供风机组由进风口、吸风道、进风调节阀、进风过滤系统、加热系统、送风机、箱体、导流板、顶部静压室、循环风阀、循环风道组成。全室送风由7套供风机组完成，每套供风机组供风量为60 000 m3/h左右，选用空调专用风机，具体参数见表1。

表1 空调专用风机参数表

空气净化系统采用三级过滤方式，即粗效过滤、中效过滤和高效过滤。粗、中效过滤设置在风机之前，对空气进行初级净化，粗、中效过滤采用布袋式过滤，安装在滑道内，便于更换；高效过滤安装在静压室底部，对空气进行高效过滤和均压，过滤后保证进入漆房内的空气洁净度达到尘埃量不超过1.5 mg/m3，15 μm以上的尘埃100%过滤。过滤材料均为阻燃材料，耐温≥100℃，耐湿100%。

排风及漆雾处理系统主要包括漆雾过滤装置，活性炭吸附脱附装置及排风机组成，其作用是使送风气流顺利排出并处理喷漆剩余漆雾中的有害挥发物。漆雾在高速气流的作用下落入底部过滤材料上，其中固体分被阻拦，溶剂中的有害气体被稀释并经活性炭吸附后达标排放。在底部两侧地沟内安置有漆雾过滤装置，用以过滤喷漆剩余漆雾中的树脂等固体分。

漆雾过滤装置主要采用过滤底棉，其主要技术指标见表2。

表2 漆雾过滤装置技术指标表

根据现场涂装工艺状况及空间位置，对应送风系统，配置了7套排风及废气处理装置，排风机功率为37 kW，单套设备处理能力为60 000 m3/h。当吸附快饱和时，开启脱附箱进行脱附解析，解析完后，恢复吸附功能。

在室内两侧设置电动升降台，每组升降台尺寸根据现场情况制作，承载≥300 kg；升降台工作范围为0.5 m～4.5 m，便于人工作业。控制系统采用触摸屏+PLC控制各执行器自动运行。喷烘漆室内设计配置压力报警装置、温度保护装置及可燃气体检测报警装置，该保护装置均与控制系统连锁，以保证设备安全运行。

2.3 净化处理工艺

喷漆废气净化处理工艺采用:干式过滤+活性炭吸附浓缩+催化燃烧解析的处理工艺。

2.3.1 废气净化处理过程

废气经冷却后由引风机吸至高效过滤装置，然后进入活性炭吸附箱，此时有机废气经过活性炭时溶剂即被吸附在活性炭表面，而洁净气体由后置引风机排至室外。

2.3.2 废气基本净化工艺原理

基本原理：利用蜂窝状活性炭多微孔的吸附特性吸附有机废气。蜂窝状活性炭具有性能稳定、抗腐蚀和耐高速气流冲击的优点，用其对有机废气进行吸附使净化效率高达85%～90%。

整套吸附和催化燃烧过程采用PLC电器自动控制。活性碳吸附饱和后用热空气脱附再生使活性碳重新投入使用，通过控制脱附过程流量可将有机废气浓度浓缩10倍～20倍，脱附气流经催化床内设置的加热装置加热至250℃左右，在催化剂作用下起燃，催化燃烧过程净化效率可达97%以上，燃烧后生成CO2和H2O并释放出大量热量，该热量通过催化燃烧床内的热交换器一部分再用来加热脱附出的高浓度废气，另外一部分加热室外来的空气做活性碳脱附气体使用，一般达到脱附～催化燃烧自平衡过程须启动加热器1 h左右。达到热平衡后关闭加热装置，这时再生处理系统靠废气中的有机溶剂做燃料，无须外加能源基础上使再生过程达到自平衡循环，极大地减少能耗，并且无二次污染的产生。

2.3.3 废气深度净化工艺原理

当活性炭吸附一段时间后即已处于饱和状态不能正常吸附溶剂，此时必须要对活性炭进行脱附，脱附的介质是热空气。因此，配置了一套废气脱附催化燃烧装置，对废气进行深度净化处理，确保既能处理被解析的有机溶剂，又能发出热能产生热气流对活性炭进行脱附。

废气催化净化装置由主机、引风机及电控柜组成，净化装置主机由换热器、催化床、加热组件、阻火阻尘器和防爆装置等组成，阻火除尘器位于进气管道上，防爆装置设在主机的顶部。催化燃烧治理原理是将有机气体源通过引风机作用送入净化装置。首先通过除尘阻火器系统，然后进入换热器，再送入到加热室，通过加热装置，使气体达到燃烧反应温度，再通过催化床的作用，使有机气体分解成二氧化碳和水，反应后再进入换热器与低温气体进行热交换，使进入的气体温度升高达到反应温度。如达不到反应温度，这样加热系统就可以通过自控系统实现补偿加热，使它达到完全燃烧温度而反应，不但节省了能源，而且也确保废气有效去除率达到97%以上，符合国家排放标准。

2.4 能耗经济分析

2.4.1 烘漆工艺要求

一体式喷烘漆房设备主要能耗来源于室内温湿度调节及烘漆过程中加热挥发，具体温湿度要求见表3。

表3 烘漆温湿度要求表

2.4.2 加热设备的选型和说明

烘漆设备需把1 800 m3的环境温度从5℃升温至50℃计算，则热负荷为：

1800 m3空气 Q=C×m×(t2-t1)=1.003×1 800×1 000×1.29×45=104 803 kJ。(空气的比热容 C=1.003J/(kg×K),1 m3的空气质量m=1.29 kg)

热泵烘干机能将周围环境中的低品位热能转移到高品位热能，通过控制装置的工况，使干燥室的热干空气的能级提升，实现直接利用。因此，选用热泵烘干机循环式机组，机组实物图见图1。

设备主要说明安装如下：

（1）在喷烘漆房南侧副房房顶上装机组铜管与房内冷媒加热组件对接，蒸发器交换后的冷量直接排到室外。热泵主机均应放置在烘房副房顶面用槽钢加固的钢结构平台上，以分散重力。

图1 热泵烘干机循环式机组实物图

（2）系统构成：热泵系统主要由热泵机组模块式组合、加热组件、冷凝管道排水组件、联接铜管及控制柜组成。

（3）工作方式：采用强制循环，运行稳定。

（4）温控系统：热泵由温控柜全自动控制，升温可在25℃～50℃之间任意设定，当使用时，烘干房的温度低于所设定温度时，系统自动启动，热泵机组工作，当达到所设定温度时，系统自动关闭，保证热泵系统全天候供应。

（5）电力需求：主电源总负荷为150 kW。

2.4.3 经济效益对比

以冬季三个台位全开全室烘干计算，将常规电加热与热泵进行经济性及使用性能对比，具体对比见表4。

表4 常规电加热与热泵进经济性及使用性能对比表

一体化客车喷烘漆房利用先进高效的烘漆加热技术，极大程度地降低了能耗，节约了成本。

3 结束语

综上所述，通过深入分析客车车体涂装的既有现状，积极探索改革方向，优化工艺方案，并在研讨论证的基础上考虑利用现代先进的科学技术。一体式客车喷烘漆房设备的设计应用，实现了车体涂装的技术先进、成本节约、节能环保、劳效优化的目标。