汽车涂装 VOCs 减排途径探究
更新时间：2020-07-30 16:47
来源：环境保护
作者: 高菲
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摘要：汽车涂装 VOCs 的大量排放严重污染环境且危害人体健康，需对其排放水平加以控制。根据汽车涂装 VOCs 的产生环节，从原料替代、工艺改善和VOCs治理方式等方面探究其减排途径，提高治理水平。采用环保型涂料从源头减少VOCs排放，优化涂装工艺、采用高涂着率喷枪，优化喷枪与涂装面角度、雾化压力、涂装面距离等可以提高喷涂效率，减少过量喷涂。就治理方式而言，吸附技术适用于中低浓度需回收的 VOCs 气体，燃烧技术几乎不产生二次污染物，吸附浓缩 + 燃烧技术因治理效果好而被广泛应用。
2018 年中国汽车市场产销量连续十年夺得全球首位，产销量分别达到了 2780 万辆及 2808 万辆，汽车产业持续快速发展[1] 。与此同时，汽车涂料原厂漆消耗量也随之增长，2018 年达到 65 万吨左右[2] 。伴随汽车产业飞速发展的还有逐年增长的挥发性有机物（VOCs）排放量，VOCs 的大量排放严重威胁环境质量与人体健康。VOCs 易与 NOx 等反应产生光化学烟雾，是诱发灰霾的主要原因，且易导致复合型污染。几乎全部种类的 VOCs 会对人的呼吸系统产生刺激，醛类有机物对人的皮肤和眼睛刺激性较大，醛类、苯类和含氯有机化合物等通过对人体血液、神经系统和肝肾脏产生刺激，易于引发白血病、肝、肾功能衰竭，以苯系物为代表的 VOCs 具有“致癌、致畸、致突变”的影响。近些年来，为改善空气质量，在国家、省、市等各个层面相继出台大气污染防治相关规划，强化 VOCs 治理工作。在汽车涂装行业，从原料替代、工艺改善和 VOCs 治理方式方面探究减排途径，提高其治理水平。
1 汽车涂装 VOCs 产生环节
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图1 某公司汽车涂装工序流程图
汽车涂装过程中需要经过多次喷漆和烘干阶段，导致漆液中 VOCs散发，此外调漆、打蜡修补、打胶等过程中也伴随少量 VOCs 排放，图1所示为某公司汽车涂装典型工序。
喷漆过程中，喷漆室和流平室排放的 VOCs 占比达到 80% ～ 90%，剩下的 VOCs 在烘干过程中排放。喷漆室废气排放量高达 15 万～ 70 万m3 /h，主要成分为挥发的有机溶剂及漆雾，较高的排风量导致其有机物浓度较低（100mg/m 3 以下） [3] 。喷漆室废气需先通过预处理去除其中的漆雾，防治细小颗粒物堵塞吸附材料从而影响吸附效率。流平室废气为不含漆雾的有机废气，常与喷漆室废气共同收集后集中处理。烘干室废气主要包括有机溶剂挥发气体及热分解生成物，废气排放量较小，通常在 3000 ～ 60000m 3 /h，废气浓度相对较高，且废气组分及浓度随涂料类型变化而差异较大[4] 。
2 汽车涂装废气 VOCs 减排途径探究
2.1 源头控制技术
涂料类型的使用直接影响到喷涂过程中 VOCs 排放水平，传统溶剂型涂料溶剂成分高达为 65-80%，VOCs 产生量较大。高固体份溶剂型涂料固体成份可达到为 45% ～ 60%，与传统溶剂型涂料对比，VOCs削减量为 40% ～ 60%。水性涂料溶剂含量仅为 5% ～ 10%，固体含量为20% ～ 35%，其余成分为水，与传统溶剂型涂料对比，VOCs 削减量达到75%。粉末涂料涂装过程中仅产生涂料粉尘，因不含溶剂，极大地减少了 VOCs 污染，与传统溶剂型涂料相比，VOCs 削减量可达到 95%。使用环保型低 VOCs 含量涂料替代传统有机溶剂型涂料可有效降低涂装过程中 VOCs 排放。以某汽车制造公司车身涂装工序为例，使用不同类型涂料的车身涂装工艺 VOCs 排放量见表 1。
使用水性涂料、粉末涂料的车身涂装 VOCs 排放量明显低于使用传统溶剂型涂料的涂装工艺。但水性涂料成本高、能耗高，粉末涂料在涂层外观、平整光滑度和光泽度上难以与溶剂型涂料匹敌，这些原因使得水性涂料及粉末涂料难以得到广泛推广[5]59 。目前我国国内企业底涂工序多实现了水性涂料化，但中涂及面涂工序环保型涂料使用率仍然较低。随着国家和地方不断加严行业排放标准，鼓励企业根据实际情况更多地选用环保型涂料，实现 VOCs 减排。
2.2 过程控制技术
2.2.1 优化涂装工艺
涂料的有效利用率受到涂装工艺的影响，传统的涂装工艺为“三涂层两烘干”（3C2B）工艺，即“中涂 - 烘干 - 色漆 - 清漆 - 烘干”工艺，多次喷漆及烘干工序增加了涂料使用量及 VOCs 排放量，目前国内外也逐步开始应用一些新工艺，以期降低 VOCs 排放量。
“3C1B”工艺：“3C1B”工艺是在“3C2B”工艺上进行改善，将中涂漆、底漆和罩光漆涂层完成后一起烘干，取消了中涂漆烘干工序。与“3C2B”工艺相比，该工艺节省 15% ～ 20% 总能耗、降低涂装加工 25%总成本，VOCs 削减量达到 45% 以上。
“B1B2”工艺：“B1B2”工艺在“3C2B”工艺基础上直接取消了中涂喷涂和烘干两个工序，B1、B2分别为具有中涂功能和色漆功能的组分。该工艺成膜总厚度一般比“3C2B”工艺成膜厚度更薄，因此进一步削减了能耗、涂装成本及 VOCs 排放量[6] 。
二次电泳工艺：该工艺通过两次电泳进行二次涂层，首涂层一般为10 ～ 20um，有较好的的防腐和透力，第二层电泳一般为 35 ～ 40um，有较强的抗石击、抗紫外线能力，可完全替代中涂。二次电泳工艺减少了“3C2B”工艺中漆渣及 VOCs 排放，同时可大大降低生产成本。
敷膜技术：敷膜技术可用于生产制造汽车车身塑料覆盖件，塑料覆盖件颜色不需要与车身骨架面漆颜色一致，通过简化涂装工艺降低了制造成本。
根据汽车涂装材质和涂料类型选择合适的涂装工序可以有效降低VOCs 排放，采用不同涂装工艺时，VOCs 排放水平见表 2。通过工艺改善，可以明显降低 VOCs 排放水平，目前采用 3C1B 涂装工艺的公司有南京福特公司马自达涂装线[5][6] 、长安福特重庆二工厂等。采用 B1B2 涂装工艺的有宝马 MINI 生产线，奔驰和大众涂装生产线采用 B1B2 类似生产线（如 Eco-concept） [7] ，但统筹全国来看，多数汽车公司还需要进一步优化涂装工艺。
2.2.2 选择高涂着率喷枪
喷枪涂着效率高低直接影响涂料的用量，继而影响到VOCs排放量，高涂着效率喷枪可以有效减少过量喷涂的问题，通过减少涂料使用量控制 VOCs 排放量。表 3 列出了不同喷枪对应的涂着效率，涂装过程中应根据产品的形状及材质，尽可能选择高涂着率喷枪。
2.2.3 优化喷涂操作过程
喷涂过程中喷枪与涂装面角度、雾化压力及喷枪距离等因素均会影响涂装效率。假设喷枪与涂装面的角度为 45°时对应的涂装效率为50%，当角度切换为 90°时，涂装接触面积更大，涂装效率也随之提高到 70%，涂料削减率达到 30% 以上。适当降低雾化压力，有助于提高涂装效率，假设雾化压力为 0.3MPa 时对应涂装效率为 60%，随着雾化压力下降到 0.2MPa，涂装效率也相应提升到 75% 以上，涂料削减率达到 15% 以上。适当减少喷枪与喷漆面距离，有助于提升涂装效率，假设喷枪与涂装面距离为 300mm 时对应涂装效率为 70%，当两者距离缩进到200mm 时，涂装效率可提高到 80%，涂料削减率达 12% 以上。
传统手工喷涂作业难以做到精准涂装，易导致过量喷涂，无形中增大了 VOCs 排放量。鼓励在汽车制造企业中推广应用自动涂装装置及生产线，可以根据材料的形状及涂装要求有效控制涂膜厚度，提升涂装品质，减少废气排放。
2.3 末端治理技术
VOCs 治理技术主要有 VOCs 回收利用技术和 VOCs 销毁技术，其中回收利用包括冷凝法、吸附法、吸收法和膜分离法。销毁技术包括催化燃烧法（RCO）、热力焚烧法（RTO）、生物降解法、光催化降解法及等离子体技术等。目前发展起来的还有将回收技术和销毁技术进行结合的组合技术[8] 。吸附技术、催化氧化及其组合技术是在汽车涂装行业应用较为广泛的治理技术。汽车涂装 VOCs 成分复杂，随着标准不断加严，鼓励企业根据处理的 VOCs 特点采用合适的技术进行处理。
2.3.1 吸附技术
吸附技术是利用活性炭、沸石分子筛等具有吸附性质的物质与VOCs 进行物理结合从而去除 VOCs 的技术，适用于中低浓度 VOCs 气体治理。
一般来说，浓度范围在 2000 ～ 10000mg/m 3 的需回收的 VOCs 可考虑采用吸附技术处理，去除效率可达到 90% ～ 95%，但需根据吸附程度及时更换吸附材料以保障 VOCs 去除效果，且不适宜用作高浓度高温气体治理。
2.3.2 蓄热式热氧化技术（RTO）
蓄热式热氧化技术（RTO）适用于中低浓度 VOCs（100 ～ 20000ppm）治理，该技术将 VOCs 预热到一定温度（≥ 760℃），在燃烧室进行氧化反应得到二氧化碳和水，该过程几乎不产生 NO x 等二次污染，净化效率高，但能耗相对较高。
2.3.3 蓄热催化燃烧技术（RCO）
蓄热催化燃烧技术（RCO）适用于中高浓度（2000 ～ 8000mg/m 3 ）的 VOCs 处理，通过催化剂降低反应活化能，使有机物能在较低起燃温度下（250 ～ 300℃）发生氧化燃烧反应，被分解为水和二氧化碳。RCO热回收效率高（90% 以上），极大减少能源消耗，适用于高热能回收需求的企业。相较于 RTO 系统，RCO 系统操作温度更低（400 ～ 600℃），能耗更低，运行费用可降低 25% ～ 40%，且几乎不产生 NO x 和 SO 2 等二次污染物，安全性高。
2.3.4 吸附浓缩 + 燃烧技术
汽车涂装废气多是浓度低、风量大的废气，采用单一的吸附技术，其治理效果不理想；采用单一的燃烧技术，其运行成本过高。在此基础上，根据汽车涂装废气的特点将吸附技术和催化燃烧技术结合起来，目前常用的主要有两种：
2.3.4.1 活性炭吸附 + 催化燃烧技术
活性炭吸附 + 催化燃烧技术的吸附装置多采用以蜂窝状活性炭为吸附材料的固定床式吸附装置，气体经吸附后进入催化燃烧装置燃烧。固定床式吸附装置动力学性能好、床层阻力低，适用于低浓度有机废气治理。但固定床中的活性炭吸水能力强，对高湿度 VOCs（＞ 60℃）的净化效果会大大降低。
2.3.4.2 沸石转轮吸附浓缩系统 + 催化燃烧技术
沸石转轮吸附浓缩系统 + 催化燃烧技术是近些年来新发展起来的技术，它首先通过疏水性沸石分子筛吸附 VOCs，再通过催化燃烧装置燃烧治理废气。该技术采用疏水性的吸附材料，可用于处理高湿度VOCs，同时在旋转式吸附浓缩装置配以高性能吸附材料，大大提升了吸附效率，适用于低浓度、大风量、高湿度和成分复杂的 VOCs 治理。
沸石转轮吸附浓缩系统 + 催化燃烧技术是近些年来新发展起来的技术，它首先通过疏水性沸石分子筛吸附 VOCs，再通过催化燃烧装置燃烧治理废气。该技术采用疏水性的吸附材料，可用于处理高湿度VOCs，同时在旋转式吸附浓缩装置配以高性能吸附材料，大大提升了吸附效率，适用于低浓度、大风量、高湿度和成分复杂的 VOCs 治理。
3 结语
现代汽车制造行业不断更新发展，但仍然存在环保型涂料推广应用不足、涂装工艺及设备有待改进、VOCs 治理技术需进一步提升等问题。国家和地方也先后制定颁布了一系列规范标准，通过不断加严标准引导企业自主采取有效措施，从原料替代、工艺改善和 VOCs 治理方式方面减少 VOCs 排放，坚决打赢污染防治攻坚战。
参考文献
[1]闫福成.2018年中国汽车涂料工业发展状况及2019年展望(上）[J]. 中国涂料 ,2019,34(03):35-39.
[2]闫福成.2018年中国汽车涂料工业发展状况及2019年展望（下）[J]. 中国涂料 ,2019,34(04):12-20.
[3] 王臻字 , 刘杰 , 齐祥昭 , 等 . 汽车制造涂装行业 VOCs 减排方案及潜力分析 ( Ⅱ )[J]. 中国涂料 ,2018,33(02):3.
[4] 叶代启 . 工业挥发性有机物的排放与控制 [M]. 北京：科学出版社 ,2017.
[5] 任勇 , 贾黎 . 汽车涂装行业 VOCs 减排途径分析 [J]. 环境影响评价 ,2015,37(04):60.
[6] 张虎 , 刘志新 . 先进水性 B1B2 涂装工艺 VOC 减排效果实际应用分析 [J]. 现代涂装 ,2018,21(10):66.
[7] 刘继华 , 张东民 , 荣用功 . 汽车涂装新工艺 B1B2 施工及应用研究 [J]. 上海涂料 ,2009,47(03):22.
[8] 李守信 , 苏建华 , 马德刚 . 挥发性有机物污染控制工程 [M].北京：化学工业出版社 ,2017.
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