涂装车间VOC排放与减少措施研究
发布时间:2016-07-11
对汽车涂装车间中的VOC排放量进行逐工位分析,同时将溶剂型和水性涂料的VOC排放量进行对比,说明使用水性喷涂工艺能够大大减少VOC的排放。同时,对涂装线体VOC排放减少提出建议措施,说明了整改方向。

摘要: 对汽车涂装车间中的VOC排放量进行逐工位分析,同时将溶剂型和水性涂料的VOC排放量进行对比,说明使用水性喷涂工艺能够大大减少VOC的排放。同时,对涂装线体VOC排放减少提出建议措施,说明了整改方向。
关键词: 涂装; VOC; 换色


 

0 引言
  随着我国经济进入快速发展的阶段,伴随而来的环境污染特别是大气污染问题受到广泛关注,减少大气污染已经成为一个社会问题。汽车涂装在汽车制造的四大工艺中,属于高能耗、高污染的工艺过程。汽车整车厂的大气污染主要集中在涂装车间,是VOC的排放大户。因此,需要对涂装车间的排放进行分析,通过工艺改善和新技术的应用来减少VOC的排放,以此来保护环境,是一项利国利民的工作。
1  VOC定义与现状
  VOC是空气中普遍存在且组成复杂的一类有机污染物的统称,主要包括烷烃、烯烃和芳香烃以及各种含氧烃、 卤代烃、 氮烃、 硫烃、低沸点多环芳烃等物质。这是国际上通用的对涂料产品中VOC的定义,其实质是涂料产品在接触大气的正常温度和压力下,能自行蒸发的任何有机液体或固体。通常将涂料产品中在常压下沸点不大于250 ℃的有机化合物都定义为VOC。
 VOC对大气造成的危害主要有以下3个方面:  1)部分具有毒性和致癌性,危害人体健康; 2)VOC中的碳氢化物与氮氧化合物在紫外线的作用下反应生成臭氧,可导致大气光化学烟雾事件发生,危害人类健康和植物生长; 3)参与大气中二次气溶胶的形式,形成的二次气溶胶多为细颗粒,不易沉降,能较长时间滞留于大气中,对光线的散射力较强,从而显著降低大气能见度。近年来大气环境出现的霾污染、臭氧及酸雨等,与VOC排放有直接的关系。
  随着汽车工业的快速发展,涂装车间的VOC排放也受到广泛关注。涂装车间的VOC排放总量是指在涂装过程中使用的各种涂料及溶剂所含VOC总量减去经回收或二次燃烧等处理的VOC量,也就是直接排放到大气中的VOC总量,以kg计算。而VOC排放是衡量汽车涂装清洁生产标准的指标,与汽车表面面积有关系,是指单位汽车车身涂装所产生的VOC量,以g/m2为计量单位。2006年后,我国颁布了HJ/T 293—2006《清洁生产标准汽车制造业(涂装)》,将汽车制造业(涂装)生产过程清洁生产水平划分为三级技术指标,见表1所列。 

2 典型3C2B涂装工艺流程和VOC排放
2.1 典型3C2B涂装工艺流程及VOC排放组成
   典型的涂装工艺流程为电泳、中涂和面涂以及烘烤工艺,其中在各工位几乎都有VOC排放,典型涂装工艺工位VOC排放示意见图1所示。
  在当今工艺水平下,对不同工位VOC的处理和回收有不同的方法,对于喷漆室和流平室因其排气量大,VOC浓度低,处理很困难,所以一般采取高空(50 m以上)排放;而烘干室中VOC浓度高,一般都采用直接燃烧法,并回收热量综合利用。通过对材料以及利用率计算发现:电泳过程中的VOC排放非常少,绝大部分VOC排放产生在喷漆系统中(约占整个涂装车间VOC排放量的85%);喷涂系统中70% ~ 80%的VOC产生于喷涂过程和流平过程,10% ~ 20%的VOC产生于烘烤过程,由于烘干室中燃烧分解,因此排放量相对也不多。下面对各工位的VOC排放量进行计算。
2.2 典型3C2B溶剂型涂装VOC排放研究
某汽车涂装车间建于2000年,采用溶剂型3C2B工艺生产,结合单台材料消耗量以及喷涂工艺,对该涂装线体的VOC排放进行研究。
2.2.1 关于喷漆室中VOC的研究
   由于喷漆过程中利用率不同,导致所喷漆不是100%沉积成漆膜,综合机器人喷涂和手工喷涂,取利用率为50%,假设单台消耗漆量为M,那么喷涂过程中,沉积成漆膜的量为0.5M,挥发在喷漆室中的量也为0.5M。而对于沉积成漆膜的部分在流平室中又有部分溶剂挥发,对此部分的挥发量可以结合烘干室的挥发量一起来研究。
2.2.2 关于流平后进入烘干室时的VOC含量实际测量的研究
  对于溶剂型涂料,研究湿膜进入烘干室中的VOC含量,实际上我们要研究的就是湿膜固体含量。为此,我们对此溶剂型线体的中涂、金属漆1和清漆在进入烘干室前和烘干室后的排放比例进行检测。
试验方法如下: 
1)取纸板为托板(图 2a),将事先称量(W1)的铝箔置于纸板上(图2b);
2)将铝箔与纸板贴于试验用的车上(图2c),进行喷漆处理;
3)按生产线生产节拍进行流平,在进入烘干室之前取下,将铝箔取下对折,对折时漆膜向里,为防止溶剂挥发,把对折后的铝箔进行折边,然后称量(W2);
4)将称量后的铝箔的折边全部打开,在实验室中用140 ℃ 烘箱烘烤20 min,烘烤后进行称量(W3)(图2d);
  5)计算烘烤排放比例=(W2-W3)/(W2-W1)。
  利用上述方法,对中涂、色漆和清漆分别进行测量,测量结果见表2。
 通过上述结果,以中涂和清漆流平室挥发物取60%,色漆取70%计算,可以得出烘干室中VOC挥发量:中涂、清漆为0.5M×40%÷M=20%;色漆为0.5M×30%÷M=15%;喷漆室和流平室合计挥发量:中涂、清漆为80%;色漆为75% 。
  依据上述数据,对溶剂型3C2B工艺VOC排放情况进行研究和计算,具体见表3。
   说明:以上计算中,结合该车间的各层漆膜进入烘干室前的湿膜固体含量,计算喷涂时VOC排放的比例分别是:电泳为70%,PVC胶为1%,中涂和清漆为80%,色漆为75%,其余清洗溶剂以及防腐蜡等均为100%。烘干室使用TNV废气燃烧处理系统,通过将有害气体中的可燃组分燃烧氧化分解成CO2 和H2O,VOC除去率按95%计算。
   该车间生产产品的电泳面积为90 m2,VOC排放7.13 kg/台,最终单台VOC排放量为79.22 g/m2,达到国内清洁生产基本水平标准。
从以上数据分析来看,VOC贡献量最大的是色漆喷涂以及清洗溶剂环节。因此同时对另外一个典型3C2B水性涂装车间的VOC排放进行研究。
2.3  典型3C2B水性涂装VOC排放研究
  该车间采用水性涂料工艺,VOC排放见表4。
上述分析中,中涂清漆和色漆喷涂时VOC排放取80%,该车间生产产品的电泳面积为100 m2,则VOC排放2.33 kg/台,最终单台VOC排放量为23.3 g/m2。明显低于溶剂型涂装工艺,达到国内清洁生产先进水平标准。
  说明:以上计算与金属色漆的颜色不同而不同,同时涉及到稀释率,最终VOC排放量会因面漆(单色漆和金属漆,以及金属漆的颜色)不同而不同。
3  VOC减少措施建议
   从表3 ~ 4综合分析,VOC贡献量最大的部分就是溶剂型涂料的清洗溶剂和稀释剂,因此重点从此方面进行改善。
  1)采用低VOC或无VOC的环境友好型涂料(高固体含量涂料、水性涂料、粉末涂料等)替代溶剂型涂料。但是此类措施需要进行涂装生产线改造,难度较大,适宜于新规划的生产车间。
  2)合理安排生产,减少换色时溶剂的使用量。此措施是在已有生产线上实施最简单的措施,通过管理提升来达到降低VOC的目的。其主要措施是通过在面漆前设计换色编组,进行同色集中喷涂,减少换色次数,以达到减少换色溶剂使用量的目的。
   以某生产线为例(见图3),没有进行同色编组时采用的是以总装装配车型顺序进行喷涂,公司通过管理优化,在涂装车间设置适当在产车辆,在面漆前进行同色编组,同色集中喷涂。具体措施为:在中涂烘干后的排空区有一个颜色分组的功能,具体描述如下:该生产线体中涂排空区有4条存储链,其中②、③、④从中涂烤房接中涂烘干后的车身,然后送到①号链,由①号链向湿打磨线输送中涂车。为满足正常的生产节拍,需要至少8辆车在行驶。因此,多于8台的车辆可进行颜色编组,放到其他链上延迟喷涂。如:①号链和④号链上同时有10台车运行,①号链往湿打磨送走一辆车时中涂烤房能出一辆车补到④号链上,这样就有2台车可以进入②、③号链上进行颜色分组,待有相同颜色车辆生产时再与相同颜色车辆一起进行生产。 

   鉴于在实际生产过程中机器人同一颜色连续喷涂的最大台数为50台,同时从实际生产过程中了解到,35台时不需要进行换色,因此每35台必须清洗一次是避免不了的,因此按照35台清洗一次对2周之内的产品进行排序,优化后的换色情况与优化前换色情况进行对比,结果见表5。
   3)提高生产管理能力,提高涂装一次成品合格率。修补漆量少换色次数多,导致清洗溶剂增多,也是VOC排放的重要组成部分。提高全员质量意识,从保洁、前道工序进行质量控制,做到“不接收、不创造、不传递”不合格品,加强对工序质量的控制,提高技术水平和熟练程度,减少修补和返工,提高成品合格率。
  4)提高涂着效率。尤其是提高喷涂作业场合的涂着效率。使用机器人喷涂代替人工喷涂,减少过喷涂量。在旧线体可以使用静电喷涂替代空气喷涂,新线体可以采用内板机器人喷涂替代人工喷涂,同时对整车的内外饰件装配情况,合理设计内板喷涂的区域以及厚度,对于A级轿车来说,一般内板喷涂情况见表6所列。
   而对于内板漆膜厚度要求一般控制为中涂 15 ~ 20μm,色漆 10 ~ 15μm,清漆 20 ~ 30 μm,低于外部漆膜厚度。
  5)加强VOC排放的末端治理。涂装车间设置废气处理装置,减少污染大气的VOC散发量。VOC一般都是可燃或易燃的有机化合物,采用直接燃烧法、触媒燃烧或吸附法进行废气处理。在采用燃(下转第70页)(上接第63页)气、燃油作为烘干室热源的场合,烘干室废气一般都采用直接燃烧法,并回收热量综合利用。涂装喷漆室的废气,一般因排气量大,VOC浓度低,处理很困难,现用吸附法与燃烧法配套的处理装置,此种情况适合于干式喷漆室。

 4  结语
  综上所述,汽车涂装工艺是汽车主机厂产生VOC排放最大的车间,减少VOC排放,对保护环境和人类的身体健康有非常重大的意义。因此,需要汽车主机厂、材料厂家和设备厂家等多方合作,结合涂装工艺过程中的污染物产生情况,合理地设计和规划,减少污染物的排放,争取将汽车涂装工艺过程中的VOC排放降低到最低程度,以达到保护环境的目的。