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江苏省汽车涂装行业VOCs排放特征与污染控制技术

http://www.pf.hc360.com2018年03月29日16:44 来源:中国表面处理网T|T

    慧聪表面处理网讯:随着汽车的需求量的增长,江苏省汽车产业将继续保持高增长率。汽车制造业表面涂装过程中产生的挥发性有机物,是对流层臭氧(O3)和二次有机气溶胶(SOA)的重要前体物,也是增加大气氧化性的主要因素。同时,该行业排放的苯系物等有毒有害VOCs对人体健康造成严重的损害。

    汽车制造业涂料用量大,VOCs成分复杂,排放强度大,是VOCs污染控制的重点。北京市、上海市、珠三角地区均开展了典型汽车涂装企业VOCs排放成分测试,获取了部分源谱信息。美国、欧洲等发达国家以及台湾、香港、北京、上海、广州等地根据排放特征先后制定了一系列VOCs污染防治措施,包括涂料中VOCs限值、汽车涂装VOCs排放标准、污染治理技术指引等。

    目前,国内针对汽车涂装行业基于VOCs排放特征研究污染控制措施的研究较少。本研究将深入分析汽车涂装行业VOCs排放特征,识别VOCs关键组分,总结污染控制最佳适用技术,为制定基于改善空气质量为目标的汽车涂装行业VOCs控制策略提供科学可靠的技术支撑。

    1 研究方法

    选取江苏省不同车型(轿车、客车)的典型企业开展VOCs全过程排放特征调查,筛选关键排放环节,开展源排放特征与最佳适用技术研究。

    1.1单位涂装面积VOCs排放量估算

    利用物料平衡法计算各车型单位涂装面积VOCs排放量,了解不同车型单位面积VOCs排放总量特征,计算方式如式(1):

单位涂装面积VOCs排放量估算

单位涂装面积VOCs排放量估算

    式中E为单位涂装面积VOCs排放总量,g/m2;I为各涂装单元每月使用涂料、稀释剂、密封胶及清洗溶剂中VOCs的量,kg/月;O1为每月回收VOCs的量(可再利用或进行废物处置),kg/月;O2为每月污染控制设备破坏掉的VOCs的量,kg/月;A为每月底涂面积,指车体底涂之总面积,计算机辅助设计系统设计的车身本体面积,m2/月。

    1.2源排放测试

    采用源排放测试了解企业排气筒VOCs排放浓度水平与物种组成。企业类别、废气处理设施与采样情况如表1所示,包括采用不同尾气处理措施的两家小轿车生产企业,以及1家轻型客车生产企业,重点针对排放量大的喷漆室和烘干室进行采样测试,采样频次每天3次,共2天,样品通过烟囱采集。源排放样品的测定采用固体吸附/热脱附-气相色谱法,用填充聚2,6-二苯基对苯醚(Tenax)采样管,在常温条件下,富集环境空气或室内空气中的挥发性有机物,对于温度较高的排气筒采样管连入热脱附仪,加热后将吸附成分导入带有氢火焰离子化检测器(FID)的气相色谱仪进行分析。

 表1 VOCs采样企业情况

 表1 VOCs采样企业情况

    2 结果分析与讨论

    2.1涂装工艺与排污环节

    江苏省轿车生产企业大部分采用电泳底漆、中涂、面漆传统3层涂层体系,其底漆采用水性环氧树脂阴极电泳底漆,基本不含有机溶剂,中涂和面漆主要使用氨酯漆、丙烯酸漆和聚酯漆等涂料,有机溶剂含量较高,使用量占50%以上。为减低VOCs排放,已有两家企业率先采用了水性免中涂工艺,使单位涂装面积的VOCs排放量从50-90g/m2降至小于25g/m2,对于削减VOCs排放量效果显著。客车和微、轻型货车表面涂装对锈蚀防护、抗石击、耐候性和紫外线隔离性能的要求相对较低,故其普遍采用2C2B涂层体系省略了中涂层。目前,省内客车和微、轻型货车生产企业在底漆喷涂上基本实现了电泳喷涂,而面漆喷涂主要依据客户需求,利用人工喷涂的方式进行。根据典型企业调查结果,涂料中含VOCs组分主要包括甲乙酮、间,对-二甲苯、乙苯、甲苯、异丙醇、乙酸乙酯、丙酮、邻-二甲苯、甲基异丁基酮、1,2,4-三甲苯、1,3,5-三甲苯、苯、苯乙烯以及正丁醇、异丁醇和乙酸丁酯。

    汽车涂装工艺过程中VOCs主要产生于:中涂和面漆的喷涂及烘干过程和塑料件加工的涂漆工序。车身密封和喷防护蜡两个步骤中由于PVC和防护蜡中的VOCs含量相对较少,不是主要的排污环节。车身涂装产生的有机废气具有大风量、中低浓度的特点。(1)喷漆室:喷漆室排放废气中主要有害成分为喷漆过程中挥发的有机溶剂。喷漆室的排风量很大,排放废气中的有机物总浓度很低,通常在100mg/m3以下。另外,喷漆室的排气中经常还含有少量未处理完全的漆雾。特别是干式漆雾捕集喷漆室,排气中漆雾较多。(2)烘干室:烘干废气的成分比较复杂,除有机溶剂本身的成分外,还包含热分解生成物和反应生成物。电泳涂料虽然属于水性涂料,但其烘干气中仍含有较多的有机成分。除电泳涂料本身含有少量的醇醚类有机物外,还包含烘干过程中的热分解生成物(如醛酮类小分子)。电泳烘干废气中的总有机物浓度一般在500-1000mg/m3,比溶剂型涂料的烘干废气低一些。(3)固废储存地:废油漆桶以及漆雾收集后产生的漆渣如不能及时处理,常产生有机废气。

    2.2单位涂装面积排放总量

    通过物料衡算法计算的单位面积VOCs排放总量结果如表2所示,不同车型的单位涂装面积VOCs排放情况有较大差异,小轿车由于涂装车间密闭设施好,涂料用量相对较低,单位涂装面积的VOCs排放量低,在40-60g/m2之间,而客货车特别是大客车采用人工喷涂,车间密闭等污染控制措施较为薄弱,排放量达到300g/m2以上。

 表2 江苏省典型汽车涂装企业单位涂装面积VOC排放总量

 表2 江苏省典型汽车涂装企业单位涂装面积VOC排放总量

    2.3VOCs排放浓度与组分特征

    3家典型企业VOCs排放的主要物种组成如表3,苯系物是汽车涂装企业VOCs排放的重要组分,各企业排放最高占比在33.2%-64.6%之间。苯系物中最主要的物种是二甲苯,喷涂车间占比10.3%-22.9%。乙酸丁酯、异丙醇、丁醇等醇酯类物质占比也相对较高,各企业排放最高占比在29.6%-61.2%之间。随着溶剂行业的污染控制逐步加严,排放成分产生了显著的变化。酯类和醇类等物质在近年来作为苯系物溶剂的代替成分,它们的使用量大大增加,特别是一些稀释剂和清洗剂。总体来看,各家企业的排放物种大类有相似性,但具体物种组成与浓度贡献仍存在较大的差异,一是由于使用涂料成分不同,稀释比例也不一样;二是由于使用不同的末端处理技术对尾气排放组分产生影响,很难用统一的源谱代表整个汽车喷涂行业的排放特征。

 表3 典型企业特征VOCs组分浓度

 表3 典型企业特征VOCs组分浓度

    2.4最佳适用技术

    根据污染排放特征研究结果,汽车涂装行业VOCs排放集中在喷涂与烘干环节,主要来源于使用的涂料,排放组分基本与使用涂料中组分一致。污染控制措施可分为源头控制和末端治理两大类。

    采用粉末涂料、水性涂料和高固体成分涂料等代替溶剂型涂料,能有效降低VOCs排放量。国内轿车涂装绝大多数采用阴极电泳+溶剂型中涂+溶剂型色漆+单组分罩光清漆工艺体系。轿车底漆已实现了全面的更新换代,但是中涂、面漆还是以溶剂型为主,VOCs排放量高于发达国家(地区)的排放水平,距环保型(低VOCs化、水性化)涂料的应用发展仍有一定的距离。目前,国内少数大型汽车企业新建生产线采用了水性涂装工艺,大大降低了汽车表面涂装VOCs排放水平,接近或达到欧洲汽车涂装VOCs排放标准。

 表4 不同车身涂装配套体系VOCs排放量水平

 表4 不同车身涂装配套体系VOCs排放量水平

    采用先进的涂装工艺,可减少涂料使用量,配合使用低VOCs含量的涂料,可大幅度削减VOCs排放。目前先进的涂装工艺包括3C1B技术和水性免中涂工艺。3C1B涂装工艺取消了3C2B工艺的中涂烘烤和打磨工序,待中涂、色漆、罩光漆三层涂装后一起进行烘干固化处理,可节省涂料使用量。水性免中涂工艺将经济型轿车和商用车车身由3涂层体系简化为2涂层体系,与3C2B涂装工艺相比,简化了车身涂装工艺,能减少20%的VOCs排放。

    汽车喷涂行业的末端处理措施包括喷漆室漆雾收集措施、VOCs废气收集与治理措施。喷漆室内的漆雾收集是汽车涂装行业重要的废气前处理措施,对VOCs的末端治理效果起关键作用。漆雾处理方法主要有过滤法、冷凝法和液体吸收法等,其中过滤法(干式)和液体吸收法(湿式)适用性较广,我国应用最广的文丘里型水旋(漩涡)漆雾分离技术是湿式处理法的一种。由于湿式(水洗)漆雾分离技术会产生漆渣等危险废弃物,美国和欧洲已限制其使用,并逐渐采用干式漆雾分离技术,有效降低能耗,且基本不产生化学凝结物。

    经漆雾处理后的喷漆废气和流平、烘干废气主要含有VOCs有机废气,普遍采取吸附、燃烧和一些组合方式进行降解处理。采用直接燃烧法处理废气时,为提高废气处理的温度、减少燃料的消耗,通常使燃烧后的废气与燃烧前的废气进行热交换,根据热交换与废热利用形式的不同,常见的直接燃烧形式有RTO(蓄热式热力燃烧系统)和TAR(回收式热力燃烧系统),国内大型汽车企业涂装多采用RTO进行VOCs废气末端治理。对于新建的汽车涂装生产线,欧美汽车企业首选TAR来进行烘干室末端VOCs废气处理,处理效率可达到99%以上。采用吸附法-脱附再生技术如设备维护长长也可达到90%以上处理效率。由于喷漆室风量大、浓度低,往往不能直接采用焚烧法处理,转轮浓缩吸附-蓄热式焚烧技术是目前喷涂废气治理效果最好的技术之一,采用吸附-脱附-浓缩焚烧等三项连续程序,将低浓度废气吸附浓缩,而后脱附采用焚烧技术处理,处理效率达到99%以上。

    3 结论

    (1)汽车涂装行业VOCs排放主要来自中涂和面漆喷涂、烘干过程,排放量主要受使用涂料、涂装工艺、废气收集与处理措施影响。

    (2)苯系物是汽车涂装企业的重要组分,典型企业排放最高占比在33.2%-64.6%之间,其中最主要的成分是二甲苯,占喷涂车间占比10.3%-22.9%。近年来乙酸丁酯、异丙醇、丁醇等醇酯类等物质广泛用来代替苯系物溶剂,典型企业排放最高占比在29.6%-61.2%之间。

    (3)大客车面漆普遍采用人工喷涂,车间密闭等污染控制措施较为薄弱,单位涂装面积VOCs排放量达到300g/m2以上,而小轿车在40-60g/m2间。

    (4)采用3C1B技术、水性免中涂等先进涂装工艺,并使用粉末涂料、水性涂料和高固体成分涂料等代替溶剂型涂料,能有效从源头控制VOCs排放。采用干式漆雾分离技术、转轮浓缩吸附-蓄热式焚烧技术等先进技术VOCs去除率可达到99%以上。

责任编辑:兰芳

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