汽車涂裝行業(yè)VOCs減排途徑分析

任勇1，賈黎2

(1. 四川省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院， 成都610041； 2. 四川省環(huán)科院科技咨詢有限責(zé)任公司， 成都610041)

摘要：目前，我國已經(jīng)明確了VOCs減排要求。汽車涂裝行業(yè)每年向大氣中排放大量VOCs，需大力削減VOCs排放水平。結(jié)合汽車噴涂VOCs產(chǎn)生環(huán)節(jié)及特征，建議該行業(yè)從使用環(huán)保涂料、提高工藝水平、優(yōu)化噴涂廢氣治理技術(shù)等三方面著手，實(shí)現(xiàn)VOCs減排。

關(guān)鍵詞：汽車涂裝；揮發(fā)性有機(jī)物；減排

收稿日期：2014-12-11

作者簡介：任勇(1965—)，男，四川達(dá)州人，高級工程師，本科，研究方向?yàn)榄h(huán)境影響評價技術(shù)方法，E-mail：renyong651120@126.com

中圖分類號：X51

收稿日期：2014-07-23

基金項(xiàng)目：國家國際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目(2013DFA81540)

DOI: 10.14068/j.ceia.2015.04.015

我國是全球最大的汽車產(chǎn)銷國之一，2011年汽車產(chǎn)量接近全球產(chǎn)量的1/4。汽車噴涂作業(yè)是汽車制造行業(yè)的關(guān)鍵污染環(huán)節(jié)。我國多數(shù)傳統(tǒng)汽車制造企業(yè)仍在采用溶劑型涂料，其中的主要成分——有機(jī)溶劑和稀釋劑不屬于成膜物質(zhì)，最終均以大氣污染物的形式進(jìn)入環(huán)境。汽車行業(yè)排放的揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)包括苯系物、醇類、酯類、酮類等。國家大氣污染防治相關(guān)規(guī)劃已明確提出，在重點(diǎn)區(qū)域新建排放VOCs的項(xiàng)目應(yīng)實(shí)行污染物排放減量替代，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)減污。就汽車涂裝行業(yè)而言，可從使用環(huán)保涂料、提高工藝水平、優(yōu)化噴涂廢氣凈化技術(shù)等3方面著手，實(shí)現(xiàn)VOCs的減排。

1汽車噴涂VOCs產(chǎn)生環(huán)節(jié)及特征

傳統(tǒng)汽車涂裝工藝(采用溶劑漆)為：中涂—烘干—底色漆—罩光漆(或兩道本色面漆)—烘干。在噴涂工段，汽車車身依次進(jìn)入噴漆室、流平室、烘干室。每個工序均有VOCs排放，噴漆室、流平室及烘干室的VOCs產(chǎn)生量比例大致為60%、15%～25%和25%～15%[1]。

噴漆室廢氣主要污染物為未附著至工件表面的漆霧和VOCs。多數(shù)企業(yè)采取水旋或其他濕式噴漆室去除漆霧，VOCs去除效果十分有限。為保證工件質(zhì)量，控制氣流不返混，噴漆室通常采用上進(jìn)下排的氣流組織方式，斷面風(fēng)速通?？刂圃?.25～0.5 m/s，其他工藝條件為：溫度22～27℃，濕度60%～80%。因此，噴漆室廢氣的特點(diǎn)是廢氣量大、濕度大且含一定的霧滴(其中漆霧不超過1 mg/m3)、VOCs濃度低(人工噴涂段在100 mg/m3以下，機(jī)器人段為100～200 mg/m3)。

流平室風(fēng)速一般控制在0.1 m/s以下，主要是保證工件表面的成膜條件，其他參數(shù)與噴漆室相同。因此，流平室的主要污染物是VOCs，濃度較噴漆室略高。

烘干室廢氣的有機(jī)物(醇類、酯類、醚類、酮類、二甲苯等)總濃度一般在2 500 mg/m3左右，屬中高濃度、高溫廢氣，可采用燃燒法進(jìn)行處理，將VOCs轉(zhuǎn)化為CO2和H2O[2]。

目前，在國內(nèi)汽車行業(yè)，由于噴漆室、流平室廢氣量大、VOCs濃度低，絕大多數(shù)企業(yè)未采取處理措施，而是直接通過幾十米高的排氣筒進(jìn)行排放。也就是說，汽車噴涂行業(yè)約70%的VOCs均未經(jīng)處理直接進(jìn)入大氣環(huán)境。

2汽車噴涂VOCs減排途徑

2.1　使用環(huán)保型涂料

汽車涂料主要有溶劑型、水性、粉末涂料3種類型。溶劑型涂料的溶劑以甲苯、二甲苯、酯、醇、醚、酮為主，溶劑占涂料的比重一般在40%～60%，最終均以VOCs的形式進(jìn)入環(huán)境。水性涂料的溶劑以水為主，而有機(jī)溶劑含量較低，約占涂料比重的5%～15%。粉末涂料顧名思義為粉末狀涂料，由聚合物、顏料和添加劑組成，噴涂過程過噴的涂料可回收再利用，在成膜過程中VOCs產(chǎn)生量極少。一般來講，同等面積、同等厚度的涂層，使用水性涂料的VOCs排放量較使用溶劑型涂料可降低約70%，使用粉末涂料排放的VOCs量大大低于水性涂料。

以國內(nèi)某大型合資汽車生產(chǎn)企業(yè)為例，2005年建成投產(chǎn)的原涂裝車間采用三涂層涂裝工藝，均為溶劑型涂料。污染源監(jiān)測表明，其噴漆室非甲烷總烴(由于我國尚未頒布全國性的VOCs排放標(biāo)準(zhǔn)，僅部分省頒布了地方性排放標(biāo)準(zhǔn)，故國內(nèi)汽車行業(yè)仍普遍以監(jiān)測非甲烷總烴來表征廢氣中揮發(fā)性有機(jī)物的排放)產(chǎn)生量為42 kg/h，其中二甲苯為38 kg/h。而2011年建成投產(chǎn)的新涂裝車間也采用三涂層工藝，中涂和底色漆采用水性涂料，罩光漆采用溶劑型涂料，且兩個車間產(chǎn)能相同。污染源監(jiān)測表明，新涂裝車間噴漆室非甲烷總烴產(chǎn)生量為26 kg/h，其中二甲苯為8 kg/h。使用水性涂裝工藝后，非甲烷總烴減少了40%，二甲苯減少了近79%。

使用溶劑型涂料，一輛涂裝面積為80 m2的普通轎車的VOC產(chǎn)生量在10 kg左右，平均為125 g/m2[3]。歐盟規(guī)定，新建汽車涂裝車間車身單位面積VOCs產(chǎn)生量不高于45 g/m2；德國標(biāo)準(zhǔn)為不高于35 g/m2；我國《清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)汽車制造業(yè)(涂裝)》(HJ/T 293—2006)提出的VOCs產(chǎn)生指標(biāo)如表1所示。

表1　 清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)汽車制造業(yè)(涂裝)

近幾年，歐盟國家新建生產(chǎn)線全部采用水性中涂和水性底色漆，罩光漆已開始采用水性清漆和粉末清漆，個別生產(chǎn)線全部采用粉末涂裝。在北美，新建生產(chǎn)線主要使用水性中涂或粉末中涂，底色漆使用水性漆[4]。在國內(nèi)，近10年新建汽車生產(chǎn)線總體上均采用水性中涂和水性底色漆，罩光漆仍采用溶劑型漆，整車涂裝尚無使用粉末型涂料的案例。因此，與歐盟和北美區(qū)域的一些國家相比，我國汽車行業(yè)涂料的整體環(huán)保水平仍有待提高。

就水性涂料而言，使用成本高、涂刷要求高、生產(chǎn)改造難度大，是阻礙其在汽車涂裝行業(yè)廣泛推廣的3大原因。就粉末涂料而言，汽車粉末涂料不能像液體涂料那樣可以迅速換色，雖物理和化學(xué)性能很好，但涂層外觀平整性、光滑性和光澤等尚不能與溶劑型涂料相媲美，造成粉末涂料難以推廣。國外公司研究起步較早，粉末涂料已廣泛用于底漆噴涂；在面漆噴涂方面，一種基于GMA(甲基丙烯酸縮水甘油酯)、用脂肪酸或酸酐固化的丙烯酸粉末涂料已在美國某汽車生產(chǎn)線中投入使用，將其噴涂在車身表面后具有異常平整的涂膜外觀和優(yōu)良的耐久性，已接近A級汽車面漆要求[5]。隨著我國對VOCs等大氣污染物重視程度的提升，汽車行業(yè)涂料環(huán)?；潜亟?jīng)之路，各企業(yè)必須積極改進(jìn)汽車用涂料，以期實(shí)現(xiàn)整個行業(yè)的VOCs減排。

2.2　提高噴涂工藝水平

涂裝工藝水平?jīng)Q定涂料的有效利用水平。涂裝工藝先進(jìn)，涂料利用率高，則過噴漆霧少、廢氣污染物排放量??；反之，則過噴漆霧量大、廢氣污染物排放量大。汽車涂裝企業(yè)如果采用機(jī)械人自動仿形、靜電旋杯噴涂，則出漆量及噴涂圖形可根據(jù)車身的不同位置調(diào)整到最佳狀態(tài)。采用大容量低壓噴槍、無氣噴槍等先進(jìn)噴槍，可使涂料利用率提高到70%，甚至90%以上，物料流失率低，廢氣污染物排放量大大減少[6]。

另外，在確保涂裝質(zhì)量不顯著改變的前提下，通過調(diào)整和簡化涂裝工藝，將大大節(jié)省資源、能源消耗，同時減少VOCs排放。傳統(tǒng)涂裝工藝一般為3C2B，包括中涂—烘干—底色漆—罩光漆—烘干幾個主要步驟。目前，在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上，先后出現(xiàn)了日本馬自達(dá)公司的3C1B涂裝工藝、杜邦公司的2C1B涂裝工藝、BASF公司的雙底色工藝等。具體介紹如下：

(1)3C1B工藝即在3C2B工藝基礎(chǔ)上取消中涂烘干工序，其總涂層(磷化膜+電泳膜+中涂+底色漆+清漆)厚度為76~92 μm，較3C2B工藝減少了約10 μm，在降低成本的同時，減少VOCs排放量達(dá)45%以上[2]。

(2)2C1B工藝即二涂層工藝，通過取消中涂噴漆和中涂烘干工序，改善底漆和面漆的機(jī)械性能、耐候性能和表面裝飾性能，達(dá)到“三涂層涂裝工藝”的功能。2C1B工藝的總涂層厚度為69~85 μm，較3C2B工藝減少了約17 μm，進(jìn)一步降低了成本、減少了VOCs排放量。

(3)雙底色漆涂裝工藝是將正常的中涂層取消，將原來的一道底色漆設(shè)計為兩涂層，為了達(dá)到和正常工藝相同的耐候性能，在底色漆中加入吸收紫外線的組分，在罩光漆中加入抗紫外線的組分。采用雙底色漆涂裝工藝的VOCs排放量較傳統(tǒng)工藝可減少30%以上[2]。

綜上所述，涂裝工藝的改進(jìn)可從采用全自動噴涂、采用靜電旋杯噴涂、簡化涂裝工藝等方面著手，由于降低了過噴漆霧和涂層厚度，可大大減少噴涂作業(yè)中VOCs的產(chǎn)生量，達(dá)到減排目的。目前，國內(nèi)主要有南京福特馬自達(dá)涂裝線采用3C1B工藝，一汽大眾成都三廠涂裝線采用2C1B工藝。但總體來看，國內(nèi)采用簡化涂裝工藝的汽車廠家還不夠普及。

2.3　優(yōu)化噴涂廢氣治理技術(shù)

汽車噴涂行業(yè)的VOCs排放源點(diǎn)主要包括噴漆室廢氣、流平室廢氣、烘干室廢氣等。國內(nèi)汽車行業(yè)從降低成本角度考慮，絕大多數(shù)企業(yè)將噴漆室廢氣、流平室廢氣統(tǒng)一收集后直接排放，而未對VOCs進(jìn)行有效處理。其噴漆室廢氣實(shí)際上屬于稀釋排放，一條大型車身涂裝線每年排放的VOCs總量可能高達(dá)數(shù)百噸，對大氣造成的危害非常嚴(yán)重。對于烘干室廢氣，普遍采取燃燒處理，治理方法有催化燃燒法(CIU法)、回收式熱力燃燒法(TAR法)和蓄熱式熱力燃燒法(RTO法)等[7]，對烘干廢氣中VOCs的去除率達(dá)95%~99%，并且有的方法還可實(shí)現(xiàn)廢熱回收利用。因此，烘干室廢氣最終進(jìn)入大氣的VOCs排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于噴漆室廢氣，不足噴漆室廢氣的1%。

在國內(nèi)汽車涂裝行業(yè)尚不能完全采用環(huán)保型水性涂料或粉末涂料的狀況下，要大幅度降低噴涂環(huán)節(jié)的VOCs排放量，應(yīng)逐步加大環(huán)保投入，引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)或自主研發(fā)先進(jìn)方法，對噴漆室、流平室廢氣進(jìn)行有效處理，而不是直接排放。借鑒國外涂裝企業(yè)對噴漆室和流平室廢氣的處理經(jīng)驗(yàn)，可采用吸附法處理，即先利用吸附材料(如活性炭、沸石)將氣體或蒸汽吸附在其表面，隨后進(jìn)行熱解吸，使有機(jī)廢氣濃縮10~15倍，再對濃縮廢氣采用催化燃燒或蓄熱式熱力燃燒的方法進(jìn)行處理。

3結(jié)語

目前，我國已經(jīng)明確了VOCs減排目標(biāo)，針對汽車噴涂行業(yè)，應(yīng)推廣使用環(huán)保性涂料(如水性涂料和粉末型涂料)、改進(jìn)噴涂工藝，降低有機(jī)溶劑的使用量。需要特別注意的是，考慮成本問題，我國汽車涂裝行業(yè)絕大多數(shù)企業(yè)均未對噴漆室廢氣和流平室廢氣進(jìn)行徹底處理，而是直接排放，建議借鑒國外先進(jìn)治理經(jīng)驗(yàn)，逐步試行噴漆廢氣的濃縮、燃燒處理技術(shù)，大力削減該行業(yè)VOCs排放水平。

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Analysis of VOCs Emission Reduction Routes in Automobile Painting Industry

Ren Yong1, Jia Li2

(1.Sichuan Environmental Protection Science Academy, Chengdu 610041, China;

2.Sichuan Academy of Environmental Sciences Consulting Co., Ltd., Chengdu 610041, China)

Abstract:China has made clear requirements for volatile organic compounds (VOCs) emission reduction. Automobile painting industry discharges a large amount of VOCs to the atmosphere every year in China. We could reduce VOCs emission from the automobile painting industry by using environmentally friendly paint, improving production technology, and optimizing exhaust treatment technologies.

Key words: automobile painting industry; volatile organic compounds; emission reduction