汽車涂裝 VOCs 減排途徑探究
更新時間：2020-07-30 16:47
來源：環(huán)境保護
作者: 高菲
閱讀：4823
摘要：汽車涂裝 VOCs 的大量排放嚴重污染環(huán)境且危害人體健康，需對其排放水平加以控制。根據(jù)汽車涂裝 VOCs 的產(chǎn)生環(huán)節(jié)，從原料替代、工藝改善和VOCs治理方式等方面探究其減排途徑，提高治理水平。采用環(huán)保型涂料從源頭減少VOCs排放，優(yōu)化涂裝工藝、采用高涂著率噴槍，優(yōu)化噴槍與涂裝面角度、霧化壓力、涂裝面距離等可以提高噴涂效率，減少過量噴涂。就治理方式而言，吸附技術(shù)適用于中低濃度需回收的 VOCs 氣體，燃燒技術(shù)幾乎不產(chǎn)生二次污染物，吸附濃縮 + 燃燒技術(shù)因治理效果好而被廣泛應(yīng)用。
2018 年中國汽車市場產(chǎn)銷量連續(xù)十年奪得全球首位，產(chǎn)銷量分別達到了 2780 萬輛及 2808 萬輛，汽車產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展[1] 。與此同時，汽車涂料原廠漆消耗量也隨之增長，2018 年達到 65 萬噸左右[2] 。伴隨汽車產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的還有逐年增長的揮發(fā)性有機物（VOCs）排放量，VOCs 的大量排放嚴重威脅環(huán)境質(zhì)量與人體健康。VOCs 易與 NOx 等反應(yīng)產(chǎn)生光化學煙霧，是誘發(fā)灰霾的主要原因，且易導致復合型污染。幾乎全部種類的 VOCs 會對人的呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生刺激，醛類有機物對人的皮膚和眼睛刺激性較大，醛類、苯類和含氯有機化合物等通過對人體血液、神經(jīng)系統(tǒng)和肝腎臟產(chǎn)生刺激，易于引發(fā)白血病、肝、腎功能衰竭，以苯系物為代表的 VOCs 具有“致癌、致畸、致突變”的影響。近些年來，為改善空氣質(zhì)量，在國家、省、市等各個層面相繼出臺大氣污染防治相關(guān)規(guī)劃，強化 VOCs 治理工作。在汽車涂裝行業(yè)，從原料替代、工藝改善和 VOCs 治理方式方面探究減排途徑，提高其治理水平。
1 汽車涂裝 VOCs 產(chǎn)生環(huán)節(jié)
.png)
圖1 某公司汽車涂裝工序流程圖
汽車涂裝過程中需要經(jīng)過多次噴漆和烘干階段，導致漆液中 VOCs散發(fā)，此外調(diào)漆、打蠟修補、打膠等過程中也伴隨少量 VOCs 排放，圖1所示為某公司汽車涂裝典型工序。
噴漆過程中，噴漆室和流平室排放的 VOCs 占比達到 80% ～ 90%，剩下的 VOCs 在烘干過程中排放。噴漆室廢氣排放量高達 15 萬～ 70 萬m3 /h，主要成分為揮發(fā)的有機溶劑及漆霧，較高的排風量導致其有機物濃度較低（100mg/m 3 以下） [3] 。噴漆室廢氣需先通過預處理去除其中的漆霧，防治細小顆粒物堵塞吸附材料從而影響吸附效率。流平室廢氣為不含漆霧的有機廢氣，常與噴漆室廢氣共同收集后集中處理。烘干室廢氣主要包括有機溶劑揮發(fā)氣體及熱分解生成物，廢氣排放量較小，通常在 3000 ～ 60000m 3 /h，廢氣濃度相對較高，且廢氣組分及濃度隨涂料類型變化而差異較大[4] 。
2 汽車涂裝廢氣 VOCs 減排途徑探究
2.1 源頭控制技術(shù)
涂料類型的使用直接影響到噴涂過程中 VOCs 排放水平，傳統(tǒng)溶劑型涂料溶劑成分高達為 65-80%，VOCs 產(chǎn)生量較大。高固體份溶劑型涂料固體成份可達到為 45% ～ 60%，與傳統(tǒng)溶劑型涂料對比，VOCs削減量為 40% ～ 60%。水性涂料溶劑含量僅為 5% ～ 10%，固體含量為20% ～ 35%，其余成分為水，與傳統(tǒng)溶劑型涂料對比，VOCs 削減量達到75%。粉末涂料涂裝過程中僅產(chǎn)生涂料粉塵，因不含溶劑，極大地減少了 VOCs 污染，與傳統(tǒng)溶劑型涂料相比，VOCs 削減量可達到 95%。使用環(huán)保型低 VOCs 含量涂料替代傳統(tǒng)有機溶劑型涂料可有效降低涂裝過程中 VOCs 排放。以某汽車制造公司車身涂裝工序為例，使用不同類型涂料的車身涂裝工藝 VOCs 排放量見表 1。
使用水性涂料、粉末涂料的車身涂裝 VOCs 排放量明顯低于使用傳統(tǒng)溶劑型涂料的涂裝工藝。但水性涂料成本高、能耗高，粉末涂料在涂層外觀、平整光滑度和光澤度上難以與溶劑型涂料匹敵，這些原因使得水性涂料及粉末涂料難以得到廣泛推廣[5]59 。目前我國國內(nèi)企業(yè)底涂工序多實現(xiàn)了水性涂料化，但中涂及面涂工序環(huán)保型涂料使用率仍然較低。隨著國家和地方不斷加嚴行業(yè)排放標準，鼓勵企業(yè)根據(jù)實際情況更多地選用環(huán)保型涂料，實現(xiàn) VOCs 減排。
2.2 過程控制技術(shù)
2.2.1 優(yōu)化涂裝工藝
涂料的有效利用率受到涂裝工藝的影響，傳統(tǒng)的涂裝工藝為“三涂層兩烘干”（3C2B）工藝，即“中涂 - 烘干 - 色漆 - 清漆 - 烘干”工藝，多次噴漆及烘干工序增加了涂料使用量及 VOCs 排放量，目前國內(nèi)外也逐步開始應(yīng)用一些新工藝，以期降低 VOCs 排放量。
“3C1B”工藝：“3C1B”工藝是在“3C2B”工藝上進行改善，將中涂漆、底漆和罩光漆涂層完成后一起烘干，取消了中涂漆烘干工序。與“3C2B”工藝相比，該工藝節(jié)省 15% ～ 20% 總能耗、降低涂裝加工 25%總成本，VOCs 削減量達到 45% 以上。
“B1B2”工藝：“B1B2”工藝在“3C2B”工藝基礎(chǔ)上直接取消了中涂噴涂和烘干兩個工序，B1、B2分別為具有中涂功能和色漆功能的組分。該工藝成膜總厚度一般比“3C2B”工藝成膜厚度更薄，因此進一步削減了能耗、涂裝成本及 VOCs 排放量[6] 。
二次電泳工藝：該工藝通過兩次電泳進行二次涂層，首涂層一般為10 ～ 20um，有較好的的防腐和透力，第二層電泳一般為 35 ～ 40um，有較強的抗石擊、抗紫外線能力，可完全替代中涂。二次電泳工藝減少了“3C2B”工藝中漆渣及 VOCs 排放，同時可大大降低生產(chǎn)成本。
敷膜技術(shù)：敷膜技術(shù)可用于生產(chǎn)制造汽車車身塑料覆蓋件，塑料覆蓋件顏色不需要與車身骨架面漆顏色一致，通過簡化涂裝工藝降低了制造成本。
根據(jù)汽車涂裝材質(zhì)和涂料類型選擇合適的涂裝工序可以有效降低VOCs 排放，采用不同涂裝工藝時，VOCs 排放水平見表 2。通過工藝改善，可以明顯降低 VOCs 排放水平，目前采用 3C1B 涂裝工藝的公司有南京福特公司馬自達涂裝線[5][6] 、長安福特重慶二工廠等。采用 B1B2 涂裝工藝的有寶馬 MINI 生產(chǎn)線，奔馳和大眾涂裝生產(chǎn)線采用 B1B2 類似生產(chǎn)線（如 Eco-concept） [7] ，但統(tǒng)籌全國來看，多數(shù)汽車公司還需要進一步優(yōu)化涂裝工藝。
2.2.2 選擇高涂著率噴槍
噴槍涂著效率高低直接影響涂料的用量，繼而影響到VOCs排放量，高涂著效率噴槍可以有效減少過量噴涂的問題，通過減少涂料使用量控制 VOCs 排放量。表 3 列出了不同噴槍對應(yīng)的涂著效率，涂裝過程中應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的形狀及材質(zhì)，盡可能選擇高涂著率噴槍。
2.2.3 優(yōu)化噴涂操作過程
噴涂過程中噴槍與涂裝面角度、霧化壓力及噴槍距離等因素均會影響涂裝效率。假設(shè)噴槍與涂裝面的角度為 45°時對應(yīng)的涂裝效率為50%，當角度切換為 90°時，涂裝接觸面積更大，涂裝效率也隨之提高到 70%，涂料削減率達到 30% 以上。適當降低霧化壓力，有助于提高涂裝效率，假設(shè)霧化壓力為 0.3MPa 時對應(yīng)涂裝效率為 60%，隨著霧化壓力下降到 0.2MPa，涂裝效率也相應(yīng)提升到 75% 以上，涂料削減率達到 15% 以上。適當減少噴槍與噴漆面距離，有助于提升涂裝效率，假設(shè)噴槍與涂裝面距離為 300mm 時對應(yīng)涂裝效率為 70%，當兩者距離縮進到200mm 時，涂裝效率可提高到 80%，涂料削減率達 12% 以上。
傳統(tǒng)手工噴涂作業(yè)難以做到精準涂裝，易導致過量噴涂，無形中增大了 VOCs 排放量。鼓勵在汽車制造企業(yè)中推廣應(yīng)用自動涂裝裝置及生產(chǎn)線，可以根據(jù)材料的形狀及涂裝要求有效控制涂膜厚度，提升涂裝品質(zhì)，減少廢氣排放。
2.3 末端治理技術(shù)
VOCs 治理技術(shù)主要有 VOCs 回收利用技術(shù)和 VOCs 銷毀技術(shù)，其中回收利用包括冷凝法、吸附法、吸收法和膜分離法。銷毀技術(shù)包括催化燃燒法（RCO）、熱力焚燒法（RTO）、生物降解法、光催化降解法及等離子體技術(shù)等。目前發(fā)展起來的還有將回收技術(shù)和銷毀技術(shù)進行結(jié)合的組合技術(shù)[8] 。吸附技術(shù)、催化氧化及其組合技術(shù)是在汽車涂裝行業(yè)應(yīng)用較為廣泛的治理技術(shù)。汽車涂裝 VOCs 成分復雜，隨著標準不斷加嚴，鼓勵企業(yè)根據(jù)處理的 VOCs 特點采用合適的技術(shù)進行處理。
2.3.1 吸附技術(shù)
吸附技術(shù)是利用活性炭、沸石分子篩等具有吸附性質(zhì)的物質(zhì)與VOCs 進行物理結(jié)合從而去除 VOCs 的技術(shù)，適用于中低濃度 VOCs 氣體治理。
一般來說，濃度范圍在 2000 ～ 10000mg/m 3 的需回收的 VOCs 可考慮采用吸附技術(shù)處理，去除效率可達到 90% ～ 95%，但需根據(jù)吸附程度及時更換吸附材料以保障 VOCs 去除效果，且不適宜用作高濃度高溫氣體治理。
2.3.2 蓄熱式熱氧化技術(shù)（RTO）
蓄熱式熱氧化技術(shù)（RTO）適用于中低濃度 VOCs（100 ～ 20000ppm）治理，該技術(shù)將 VOCs 預熱到一定溫度（≥ 760℃），在燃燒室進行氧化反應(yīng)得到二氧化碳和水，該過程幾乎不產(chǎn)生 NO x 等二次污染，凈化效率高，但能耗相對較高。
2.3.3 蓄熱催化燃燒技術(shù)（RCO）
蓄熱催化燃燒技術(shù)（RCO）適用于中高濃度（2000 ～ 8000mg/m 3 ）的 VOCs 處理，通過催化劑降低反應(yīng)活化能，使有機物能在較低起燃溫度下（250 ～ 300℃）發(fā)生氧化燃燒反應(yīng)，被分解為水和二氧化碳。RCO熱回收效率高（90% 以上），極大減少能源消耗，適用于高熱能回收需求的企業(yè)。相較于 RTO 系統(tǒng)，RCO 系統(tǒng)操作溫度更低（400 ～ 600℃），能耗更低，運行費用可降低 25% ～ 40%，且?guī)缀醪划a(chǎn)生 NO x 和 SO 2 等二次污染物，安全性高。
2.3.4 吸附濃縮 + 燃燒技術(shù)
汽車涂裝廢氣多是濃度低、風量大的廢氣，采用單一的吸附技術(shù)，其治理效果不理想；采用單一的燃燒技術(shù)，其運行成本過高。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)汽車涂裝廢氣的特點將吸附技術(shù)和催化燃燒技術(shù)結(jié)合起來，目前常用的主要有兩種：
2.3.4.1 活性炭吸附 + 催化燃燒技術(shù)
活性炭吸附 + 催化燃燒技術(shù)的吸附裝置多采用以蜂窩狀活性炭為吸附材料的固定床式吸附裝置，氣體經(jīng)吸附后進入催化燃燒裝置燃燒。固定床式吸附裝置動力學性能好、床層阻力低，適用于低濃度有機廢氣治理。但固定床中的活性炭吸水能力強，對高濕度 VOCs（＞ 60℃）的凈化效果會大大降低。
2.3.4.2 沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮系統(tǒng) + 催化燃燒技術(shù)
沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮系統(tǒng) + 催化燃燒技術(shù)是近些年來新發(fā)展起來的技術(shù)，它首先通過疏水性沸石分子篩吸附 VOCs，再通過催化燃燒裝置燃燒治理廢氣。該技術(shù)采用疏水性的吸附材料，可用于處理高濕度VOCs，同時在旋轉(zhuǎn)式吸附濃縮裝置配以高性能吸附材料，大大提升了吸附效率，適用于低濃度、大風量、高濕度和成分復雜的 VOCs 治理。
沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮系統(tǒng) + 催化燃燒技術(shù)是近些年來新發(fā)展起來的技術(shù)，它首先通過疏水性沸石分子篩吸附 VOCs，再通過催化燃燒裝置燃燒治理廢氣。該技術(shù)采用疏水性的吸附材料，可用于處理高濕度VOCs，同時在旋轉(zhuǎn)式吸附濃縮裝置配以高性能吸附材料，大大提升了吸附效率，適用于低濃度、大風量、高濕度和成分復雜的 VOCs 治理。
3 結(jié)語
現(xiàn)代汽車制造行業(yè)不斷更新發(fā)展，但仍然存在環(huán)保型涂料推廣應(yīng)用不足、涂裝工藝及設(shè)備有待改進、VOCs 治理技術(shù)需進一步提升等問題。國家和地方也先后制定頒布了一系列規(guī)范標準，通過不斷加嚴標準引導企業(yè)自主采取有效措施，從原料替代、工藝改善和 VOCs 治理方式方面減少 VOCs 排放，堅決打贏污染防治攻堅戰(zhàn)。
參考文獻
[1]閆福成.2018年中國汽車涂料工業(yè)發(fā)展狀況及2019年展望(上）[J]. 中國涂料 ,2019,34(03):35-39.
[2]閆福成.2018年中國汽車涂料工業(yè)發(fā)展狀況及2019年展望（下）[J]. 中國涂料 ,2019,34(04):12-20.
[3] 王臻字 , 劉杰 , 齊祥昭 , 等 . 汽車制造涂裝行業(yè) VOCs 減排方案及潛力分析 ( Ⅱ )[J]. 中國涂料 ,2018,33(02):3.
[4] 葉代啟 . 工業(yè)揮發(fā)性有機物的排放與控制 [M]. 北京：科學出版社 ,2017.
[5] 任勇 , 賈黎 . 汽車涂裝行業(yè) VOCs 減排途徑分析 [J]. 環(huán)境影響評價 ,2015,37(04):60.
[6] 張虎 , 劉志新 . 先進水性 B1B2 涂裝工藝 VOC 減排效果實際應(yīng)用分析 [J]. 現(xiàn)代涂裝 ,2018,21(10):66.
[7] 劉繼華 , 張東民 , 榮用功 . 汽車涂裝新工藝 B1B2 施工及應(yīng)用研究 [J]. 上海涂料 ,2009,47(03):22.
[8] 李守信 , 蘇建華 , 馬德剛 . 揮發(fā)性有機物污染控制工程 [M].北京：化學工業(yè)出版社 ,2017.
聲明：轉(zhuǎn)載此文是出于傳遞更多信息之目的。若有來源標注錯誤或侵犯了您的合法權(quán)益，請作者持權(quán)屬證明與本網(wǎng)聯(lián)系，我們將及時更正、刪除，謝謝。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
