汽車涂裝 VOCs 減排途徑探究

摘要: 汽車涂裝 VOCs 的大量排放嚴重污染環境且危害人體健康，需對其排放水平加以控制。根據汽車涂裝 VOCs 的產生環節，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。采用環保型涂料從源頭減少VOCs排放，優化涂裝工藝、采用高涂著率噴槍，優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，吸附技術適用于中低濃度需回收的VOCs 氣體，燃燒技術幾乎不產生二次污染物，吸附濃縮 + 燃燒技術因治理效果好而被廣泛應用。

摘要：汽車涂裝 VOCs 的大量排放嚴重污染環境且危害人體健康，需對其排放水平加以控制。根據汽車涂裝 VOCs 的產生環節，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。采用環保型涂料從源頭減少VOCs排放，優化涂裝工藝、采用高涂著率噴槍，優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，吸附技術適用于中低濃度需回收的 VOCs 氣體，燃燒技術幾乎不產生二次污染物，吸附濃縮 + 燃燒技術因治理效果好而被廣泛應用。

 

2018 年中國汽車市場產銷量連續十年奪得全球首位，產銷量分別達到了 2780 萬輛及 2808 萬輛，汽車產業持續快速發展[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] 。伴隨汽車產業飛速發展的還有逐年增長的揮發性有機物（VOCs）排放量，VOCs 的大量排放嚴重威脅環境質量與人體健康。VOCs 易與 NOx 等反應產生光化學煙霧，是誘發灰霾的主要原因，且易導致復合型污染。幾乎全部種類的 VOCs 會對人的呼吸系統產生刺激，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、神經系統和肝腎臟產生刺激，易于引發白血病、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，為改善空氣質量，在國家、省、市等各個層面相繼出臺大氣污染防治相關規劃，強化 VOCs 治理工作。在汽車涂裝行業，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 產生環節

 

圖1 某公司汽車涂裝工序流程圖

 

汽車涂裝過程中需要經過多次噴漆和烘干階段，導致漆液中 VOCs散發，此外調漆、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

 

涂料類型的使用直接影響到噴涂過程中 VOCs 排放水平，傳統溶劑型涂料溶劑成分高達為 65-80%，VOCs 產生量較大。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生涂料粉塵，因不含溶劑，極大地減少了 VOCs 污染，與傳統溶劑型涂料相比，VOCs 削減量可達到 95%。使用環保型低 VOCs 含量涂料替代傳統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 。目前我國國內企業底涂工序多實現了水性涂料化，但中涂及面涂工序環保型涂料使用率仍然較低。隨著國家和地方不斷加嚴行業排放標準，鼓勵企業根據實際情況更多地選用環保型涂料，實現 VOCs 減排。

 

2.2 過程控制技術

 

2.2.1 優化涂裝工藝

 

涂料的有效利用率受到涂裝工藝的影響，傳統的涂裝工藝為“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，目前國內外也逐步開始應用一些新工藝，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成本。

 

敷膜技術：敷膜技術可用于生產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。

 

根據汽車涂裝材質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 生產線，奔馳和大眾涂裝生產線采用 B1B2 類似生產線（如 Eco-concept） [7] ，但統籌全國來看，多數汽車公司還需要進一步優化涂裝工藝。

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的涂著效率，涂裝過程中應根據產品的形狀及材質，盡可能選擇高涂著率噴槍。

2.2.3 優化噴涂操作過程

 

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。假設噴槍與涂裝面的角度為 45°時對應的涂裝效率為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，假設霧化壓力為 0.3MPa 時對應涂裝效率為 60%，隨著霧化壓力下降到 0.2MPa，涂裝效率也相應提升到 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，假設噴槍與涂裝面距離為 300mm 時對應涂裝效率為 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。

 

傳統手工噴涂作業難以做到精準涂裝，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中推廣應用自動涂裝裝置及生產線，可以根據材料的形狀及涂裝要求有效控制涂膜厚度，提升涂裝品質，減少廢氣排放。

 

2.3 末端治理技術

 

VOCs 治理技術主要有 VOCs 回收利用技術和 VOCs 銷毀技術，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等。目前發展起來的還有將回收技術和銷毀技術進行結合的組合技術[8] 。吸附技術、催化氧化及其組合技術是在汽車涂裝行業應用較為廣泛的治理技術。汽車涂裝 VOCs 成分復雜，隨著標準不斷加嚴，鼓勵企業根據處理的 VOCs 特點采用合適的技術進行處理。

 

2.3.1 吸附技術

 

吸附技術是利用活性炭、沸石分子篩等具有吸附性質的物質與VOCs 進行物理結合從而去除 VOCs 的技術，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處理，去除效率可達到 90% ～ 95%，但需根據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（RTO）

 

蓄熱式熱氧化技術（RTO）適用于中低濃度 VOCs（100 ～ 20000ppm）治理，該技術將 VOCs 預熱到一定溫度（≥ 760℃），在燃燒室進行氧化反應得到二氧化碳和水，該過程幾乎不產生 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（RCO）

 

蓄熱催化燃燒技術（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活化能，使有機物能在較低起燃溫度下（250 ～ 300℃）發生氧化燃燒反應，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。相較于 RTO 系統，RCO 系統操作溫度更低（400 ～ 600℃），能耗更低，運行費用可降低 25% ～ 40%，且幾乎不產生 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

 

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，其治理效果不理想；采用單一的燃燒技術，其運行成本過高。在此基礎上，根據汽車涂裝廢氣的特點將吸附技術和催化燃燒技術結合起來，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

 

活性炭吸附 + 催化燃燒技術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 沸石轉輪吸附濃縮系統 + 催化燃燒技術

 沸石轉輪吸附濃縮系統 + 催化燃燒技術是近些年來新發展起來的技術，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。該技術采用疏水性的吸附材料，可用于處理高濕度VOCs，同時在旋轉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 結語

 

現代汽車制造行業不斷更新發展，但仍然存在環保型涂料推廣應用不足、涂裝工藝及設備有待改進、VOCs 治理技術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范標準，通過不斷加嚴標準引導企業自主采取有效措施，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。

 

 

參考文獻

[1]閆福成.2018年中國汽車涂料工業發展狀況及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發展狀況及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 VOCs 減排方案及潛力分析 ( Ⅱ )[J]. 中國涂料 ,2018,33(02):3.

[4] 葉代啟 . 工業揮發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 VOCs 減排途徑分析 [J]. 環境影響評價 ,2015,37(04):60.

[6] 張虎 , 劉志新 . 先進水性 B1B2 涂裝工藝 VOC 減排效果實際應用分析 [J]. 現代涂裝 ,2018,21(10):66.

[7] 劉繼華 , 張東民 , 榮用功 . 汽車涂裝新工藝 B1B2 施工及應用研究 [J]. 上海涂料 ,2009,47(03):22.

[8] 李守信 , 蘇建華 , 馬德剛 . 揮發性有機物污染控制工程 [M].北京：化學工業出版社 ,2017.

 

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