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涂装行业 | 新标实施,汽车涂装应如何做好涉VOCs排放管理?
浏览:142次 发布时间:2021-02-25 17:14

涂装行业 | 新标实施,汽车涂装应如何做好涉VOCs排放管理?


近日,汽车涂料中国国标《GB24409-2020》正式实施。新标准是贯彻落实《中华人民共和国大气污染防治法》、《国务院关于印发打赢蓝天保卫战三年动计划的通知》的重要举措,决心坚定,行动明确。

有见及此,本文以乘用车为例,结合涂装工艺工段,全面分析了涂装车间挥发性有机物的来源、产生环节、排放途径,总结了不同涂装工艺的VOCs产生和排放水平,同时指出了涂装VOCs治理面临的亟需解决的问题及需努力的方向。

01

涂装工艺介绍


典型乘用车涂装流程为:

前处理-电泳-电泳烘干-电泳打磨-涂胶-(胶烘干)-中涂-(中涂烘干)-色漆-清漆-面漆烘干-精饰-小修-(注蜡)

其中胶烘干及中涂烘干根据不同工艺要求设置,注蜡根据不同产品要求设置,电泳、涂胶、中涂、色漆、清漆、小修过程均有VOCs产生。


各涂装车间前处理电泳所用药剂有所差异,例如:前处理转化膜有磷化、硅烷化、锆化等不同方式,喷涂工艺差异较大。

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2008年之前,国内乘用车喷涂工艺以溶剂型3C2B为主,涂装完成后各涂层示意图见上图。2008年以后,为减少挥发性有机物的产生,喷涂涂料趋向水性化及高固化、工艺趋向紧凑型发展,从水性3C2B到水性3C1B,再到目前较为流行的紧凑型水性3C1B工艺,含B1B2工艺及2010V工艺;溶剂型高固体份3C1B喷涂工艺也颇受关注。与溶剂型涂料相比,水性涂料在膜固化之前增加了水分烘干的要求。


水性3C2B喷涂体系为:中涂喷涂—中涂烘干—中涂打磨—底色漆喷涂—热流平—罩光漆喷涂—面漆烘干。


水性3C1B喷涂体系为:中涂喷涂—热流平—底色漆喷涂—热流平—罩光漆喷涂—面漆烘干。


紧凑型3C1B工艺(双底色漆紧凑型面漆喷涂工艺)为:BC1喷涂—BC2喷涂—闪干流平—罩光漆喷涂—面漆烘干,BC1兼有中涂及面漆功能,经短时间流平后湿碰湿喷涂BC2,之后进行热流平及罩光漆喷漆,相对水性3C1B减少了中涂热流平工序。近年新建的汽车涂装线均采用以水性3C1B或水性紧凑型3C1B为主的喷涂体系。

02

涂装过程VOCs的产生及排放


VOCs的来源:

涂装车间VOCs的来源有两种,一是原辅料中挥发的有机物,包括电泳漆及添加剂、胶类物质、各类油漆、稀释剂、固化剂、清洗溶剂以及蜡等,二是烘干成膜过程中反应产生的VOCs。


喷涂(含喷漆烘干)过程的产生的VOCs超过整个涂装车间产生量的90%,有关涂装车间的VOCs分析大多针对喷涂过程,但随着VOCs控制越来越严格,包括电泳及胶在内的各个工序的VOCs产排都受到关注,涂装全过程的VOCs分析十分必要,这是有针对性、高效进行VOCs治理的前提。

VOCs的产生及排放

  • 前处理电泳

前处理是对车身表面进行清洗并在车身表面形成一层薄膜,为电泳做准备,材料以脱脂剂、薄膜材料为主,不涉及VOCs的排放。电泳过程中产生的VOCs主要来自电泳漆醇醚类溶剂及pH调节剂有机酸(乙酸、乳酸等)的挥发。电泳烘干过程中产生的VOCs一方面来自车身表面电泳漆中的溶剂挥发,一方面来自电泳漆烘干过程,即加热减量。


虽然行业标准对电泳工作液中乙二醇醚类溶剂含量及加热减量有规定,但电泳工作液还含有其他的可挥发性溶剂,对电泳工作液中VOCs含量的技术要求及相应测试方法还有待进一步完善。


单位面积电泳材料的耗量约为60~80 g/m2,VOCs的排放量约为0.6~1 g/m2。虽然电泳漆中溶剂含量低,因溶剂挥发造成的VOCs排放量少,但因电泳段排风量少,在地方标准对浓度排放要求严格的地区存在浓度超标的风险。电泳烘干废气一般采用RTO或者TNV焚烧处理。


  • 涂胶

涂装车间用胶包括焊缝密封胶、底部抗石击涂料、裙边抗石击涂料等,固含量均在95%以上,溶剂含量一般在5%以下,超环保型焊缝密封胶涂料溶剂含量可控制在0.5%以下。


不同主机厂、不同车型单台车胶材料的耗量差别较大,下图给出了10个工厂胶用量的统计值。常温下胶挥发少,大部分工厂密封胶工位的送风自然散溢至车间或者部分循环使用,部分工厂因抗石击涂料喷涂量大设有独立的排风。根据不同工艺的需求可以设置胶烘干炉或者涂胶后直接喷涂面漆。胶烘干废气一般采用RTO或者TNV焚烧处理。

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  • 喷漆

油漆、稀释剂、固化剂及清洗溶剂是喷漆VOCs的主要来源。前三者的使用量由喷涂面积、膜厚、上漆率决定,其中上漆率与喷涂方式相关,外板采用机器人静电旋杯喷涂,上漆率可达60%~70%,一般空气喷枪仅为30%~40%,内板喷涂面积较小且形状更为复杂,静电喷涂效率在50%~70%之间。


研究表明油漆中约70~80%的VOCs在喷漆室及流平室挥发并排放,10%~20%的VOCs在烘干炉排放。其原理是喷漆室中挥发的有机溶剂及过喷的漆雾颗粒随自上而下的风流进入漆雾捕集系统,漆雾被捕集后含VOCs的气流全部或者部分排放。漆雾捕集系统有湿式和干式两种,湿式主要是文丘里系统,水经过文丘里喉口被充分雾化,与空气充分混合,空气中的漆雾分离出来,随水进入循环水池并絮凝形成漆渣。循环水及漆渣中也含有VOCs,但相关研究结果差异较大。


喷漆室废气及过喷漆雾经底部水循环系统絮凝处理后,其中二甲苯、芳香烃及其他类有机溶剂可吸收2%(被包裹在漆渣中),酯、酮、醚、醇类可吸收13%(部分溶解在水中,部分被包裹在漆渣中),有研究指出醇酸树脂溶剂型油漆漆渣中甲苯和二甲苯的含量高达7~18%,研究人员对水性漆漆渣和溶剂型漆渣进行了分析,指出溶剂型漆渣中BTEX(苯、甲苯、乙基苯、三种二甲基苯的异构体的合称)含量可达44 mg/L,水性漆中BTEX含量约为2.1 mg/L;欧盟BAT中对46个涂装车间漆渣进行了分析,漆渣中溶剂含量在0%~40%之间,平均为4.7%。

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干式漆雾捕集装置有石灰粉、纸盒、静电等形式:


石灰粉漆雾捕集采用压缩空气脉冲气流使石灰石粉末与喷漆废气中的漆雾混合接触,漆雾被粘附在石灰粉末上,再经过滤模组进行分离。


纸盒过滤漆雾捕集采用迷宫式过滤结构,使漆雾颗粒截留于过滤材料上。


静电漆雾捕集是在高压电场的使用下,使被荷电的涂料颗粒集聚在集尘板(极)上,集尘板表面有自上而下流动的液膜,可使上面的涂料颗粒随液流进入离心分离器内将水和涂料颗粒分离,因操作及安全原因,静电漆雾捕集应用较少。捕集漆雾后的石灰石粉、纸盒也含有部分VOCs,但含量和成分还有待进一步分析研究。

漆喷涂过程为追求良好的涂膜质量,需要对使用的喷枪、机器人系统中的部分元件、旋杯、雾化器进行反复清洗,换色过程中还要对部分油漆管路清洗,溶剂耗量很大。


以30 JPH喷涂线一般设置为例,结合机器人厂家资料,溶剂密度按1 g/mL,喷涂过程中的清洗溶剂耗量。对单台车油漆及溶剂消耗量进行分析,清洗溶剂与油漆中的VOCs量接近1∶2;因为水性中涂及面漆的使用,水性3C2B工艺与溶剂型3C2B工艺相比虽然油漆耗量相当,但油漆中的VOCs总量降低了约50%,此外,水性漆清洗溶剂使用状态下VOCs含量仅为10~20%,而溶剂型漆清洗溶剂VOCs含量接近100%,这也使得水性3C2B工艺清洗溶剂中VOCs的使用量比溶剂型3C2B工艺降低约50%。


综上,由于水性涂料及清洗溶剂中VOCs含量降低,水性3C2B工艺喷涂过程使用的VOCs量较溶剂型3C2B工艺降低了约50%。无VOCs的水性漆清洗溶剂也正在开发并开始使用,可进一步降低水性漆工艺的VOCs排放。


在实际生产过程中,不同厂家清洗溶剂使用量差异较大,清洗溶剂选择、清洗程序设置、单次清洗溶剂耗量、换色频率等不同会造成溶剂耗量差异很大。喷涂机器人清洗溶剂一般都配有溶剂回收系统,溶剂回收率在60%~90%之间。


  • 其他

除生产工序上VOCs的排放以外,修补、调漆过程、设备清洁等也有VOCs的排放。修补主要是针对车身上油漆质量不合格的部位进行补漆作业,一般在修补室内进行,随着涂装水平的提高,修补量越来越少。


汽车涂装采用集中输调漆系统,可实现封闭状态下调漆及漆料输送,只有在检查、检修、清洗过程中有开口操作,在管理规范严格的前提下,输调漆过程VOCs排放相对于总排量而言微乎其微,可忽略不计。涂装车间对清洁度要求很高,设备特别是喷漆设备需要经常清洁,休息或者停线后喷漆设备清洁使用的溶剂会全部在喷漆室挥发排放。


结论

近年来环保形势日益严峻,环保要求特别是VOCs排放的要求也越来越严格。涂装车间VOCs产排分析是全面展开防治工作、有效合理处理VOCs的前提。


本文结合涂装工艺工段简要分析了涂装车间VOCs的来源、产生及排放,基于一定条件给出了不同涂装工艺的VOCs产生和排放水平,虽然单位面积产品VOCs产排量是评价涂装VOCs产排水平的最根本的参数,但部分地方标准中对VOCs浓度排放限值的要求对汽车涂装行业的影响远远大于单位面积产品VOCs排放量的限值要求,二者与涂装工艺发展的关系还有待进一步探讨。


另一方面涂装特别是喷涂过程VOCs的产排与工艺、材料、喷涂方式、温湿度、风速、浓度、漆雾处理方式等多种因素相关,涉及废气、废水、固体废物多个方面,很难建立统一的数学模型,检测数据的准确性、大量数据的收集分析显得尤为重要,这方面的工作还有待加强。


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