汽车涂装行业VOCs减排途径分析

汽车涂装行业VOCs减排途径分析

任勇1，贾黎2

(1. 四川省环境保护科学研究院， 成都610041； 2. 四川省环科院科技咨询有限责任公司， 成都610041)

摘要：目前，我国已经明确了VOCs减排要求。汽车涂装行业每年向大气中排放大量VOCs，需大力削减VOCs排放水平。结合汽车喷涂VOCs产生环节及特征，建议该行业从使用环保涂料、提高工艺水平、优化喷涂废气治理技术等三方面着手，实现VOCs减排。

关键词：汽车涂装；挥发性有机物；减排

收稿日期：2014-12-11

作者简介：任勇(1965—)，男，四川达州人，高级工程师，本科，研究方向为环境影响评价技术方法，E-mail：renyong651120@126.com

中图分类号：X51

收稿日期：2014-07-23

基金项目：国家国际科技合作专项项目(2013DFA81540)

DOI: 10.14068/j.ceia.2015.04.015

我国是全球最大的汽车产销国之一，2011年汽车产量接近全球产量的1/4。汽车喷涂作业是汽车制造行业的关键污染环节。我国多数传统汽车制造企业仍在采用溶剂型涂料，其中的主要成分——有机溶剂和稀释剂不属于成膜物质，最终均以大气污染物的形式进入环境。汽车行业排放的挥发性有机物(VOCs)包括苯系物、醇类、酯类、酮类等。国家大气污染防治相关规划已明确提出，在重点区域新建排放VOCs的项目应实行污染物排放减量替代，实现增产减污。就汽车涂装行业而言，可从使用环保涂料、提高工艺水平、优化喷涂废气净化技术等3方面着手，实现VOCs的减排。

1汽车喷涂VOCs产生环节及特征

传统汽车涂装工艺(采用溶剂漆)为：中涂—烘干—底色漆—罩光漆(或两道本色面漆)—烘干。在喷涂工段，汽车车身依次进入喷漆室、流平室、烘干室。每个工序均有VOCs排放，喷漆室、流平室及烘干室的VOCs产生量比例大致为60%、15%～25%和25%～15%[1]。

喷漆室废气主要污染物为未附着至工件表面的漆雾和VOCs。多数企业采取水旋或其他湿式喷漆室去除漆雾，VOCs去除效果十分有限。为保证工件质量，控制气流不返混，喷漆室通常采用上进下排的气流组织方式，断面风速通常控制在0.25～0.5 m/s，其他工艺条件为：温度22～27℃，湿度60%～80%。因此，喷漆室废气的特点是废气量大、湿度大且含一定的雾滴(其中漆雾不超过1 mg/m3)、VOCs浓度低(人工喷涂段在100 mg/m3以下，机器人段为100～200 mg/m3)。

流平室风速一般控制在0.1 m/s以下，主要是保证工件表面的成膜条件，其他参数与喷漆室相同。因此，流平室的主要污染物是VOCs，浓度较喷漆室略高。

烘干室废气的有机物(醇类、酯类、醚类、酮类、二甲苯等)总浓度一般在2 500 mg/m3左右，属中高浓度、高温废气，可采用燃烧法进行处理，将VOCs转化为CO2和H2O[2]。

目前，在国内汽车行业，由于喷漆室、流平室废气量大、VOCs浓度低，绝大多数企业未采取处理措施，而是直接通过几十米高的排气筒进行排放。也就是说，汽车喷涂行业约70%的VOCs均未经处理直接进入大气环境。

2汽车喷涂VOCs减排途径

2.1　使用环保型涂料

汽车涂料主要有溶剂型、水性、粉末涂料3种类型。溶剂型涂料的溶剂以甲苯、二甲苯、酯、醇、醚、酮为主，溶剂占涂料的比重一般在40%～60%，最终均以VOCs的形式进入环境。水性涂料的溶剂以水为主，而有机溶剂含量较低，约占涂料比重的5%～15%。粉末涂料顾名思义为粉末状涂料，由聚合物、颜料和添加剂组成，喷涂过程过喷的涂料可回收再利用，在成膜过程中VOCs产生量极少。一般来讲，同等面积、同等厚度的涂层，使用水性涂料的VOCs排放量较使用溶剂型涂料可降低约70%，使用粉末涂料排放的VOCs量大大低于水性涂料。

以国内某大型合资汽车生产企业为例，2005年建成投产的原涂装车间采用三涂层涂装工艺，均为溶剂型涂料。污染源监测表明，其喷漆室非甲烷总烃(由于我国尚未颁布全国性的VOCs排放标准，仅部分省颁布了地方性排放标准，故国内汽车行业仍普遍以监测非甲烷总烃来表征废气中挥发性有机物的排放)产生量为42 kg/h，其中二甲苯为38 kg/h。而2011年建成投产的新涂装车间也采用三涂层工艺，中涂和底色漆采用水性涂料，罩光漆采用溶剂型涂料，且两个车间产能相同。污染源监测表明，新涂装车间喷漆室非甲烷总烃产生量为26 kg/h，其中二甲苯为8 kg/h。使用水性涂装工艺后，非甲烷总烃减少了40%，二甲苯减少了近79%。

使用溶剂型涂料，一辆涂装面积为80 m2的普通轿车的VOC产生量在10 kg左右，平均为125 g/m2[3]。欧盟规定，新建汽车涂装车间车身单位面积VOCs产生量不高于45 g/m2；德国标准为不高于35 g/m2；我国《清洁生产标准汽车制造业(涂装)》(HJ/T 293—2006)提出的VOCs产生指标如表1所示。

表1　 清洁生产标准汽车制造业(涂装)

近几年，欧盟国家新建生产线全部采用水性中涂和水性底色漆，罩光漆已开始采用水性清漆和粉末清漆，个别生产线全部采用粉末涂装。在北美，新建生产线主要使用水性中涂或粉末中涂，底色漆使用水性漆[4]。在国内，近10年新建汽车生产线总体上均采用水性中涂和水性底色漆，罩光漆仍采用溶剂型漆，整车涂装尚无使用粉末型涂料的案例。因此，与欧盟和北美区域的一些国家相比，我国汽车行业涂料的整体环保水平仍有待提高。

就水性涂料而言，使用成本高、涂刷要求高、生产改造难度大，是阻碍其在汽车涂装行业广泛推广的3大原因。就粉末涂料而言，汽车粉末涂料不能像液体涂料那样可以迅速换色，虽物理和化学性能很好，但涂层外观平整性、光滑性和光泽等尚不能与溶剂型涂料相媲美，造成粉末涂料难以推广。国外公司研究起步较早，粉末涂料已广泛用于底漆喷涂；在面漆喷涂方面，一种基于GMA(甲基丙烯酸缩水甘油酯)、用脂肪酸或酸酐固化的丙烯酸粉末涂料已在美国某汽车生产线中投入使用，将其喷涂在车身表面后具有异常平整的涂膜外观和优良的耐久性，已接近A级汽车面漆要求[5]。随着我国对VOCs等大气污染物重视程度的提升，汽车行业涂料环保化是必经之路，各企业必须积极改进汽车用涂料，以期实现整个行业的VOCs减排。

2.2　提高喷涂工艺水平

涂装工艺水平决定涂料的有效利用水平。涂装工艺先进，涂料利用率高，则过喷漆雾少、废气污染物排放量小；反之，则过喷漆雾量大、废气污染物排放量大。汽车涂装企业如果采用机械人自动仿形、静电旋杯喷涂，则出漆量及喷涂图形可根据车身的不同位置调整到最佳状态。采用大容量低压喷枪、无气喷枪等先进喷枪，可使涂料利用率提高到70%，甚至90%以上，物料流失率低，废气污染物排放量大大减少[6]。

另外，在确保涂装质量不显著改变的前提下，通过调整和简化涂装工艺，将大大节省资源、能源消耗，同时减少VOCs排放。传统涂装工艺一般为3C2B，包括中涂—烘干—底色漆—罩光漆—烘干几个主要步骤。目前，在传统工艺的基础上，先后出现了日本马自达公司的3C1B涂装工艺、杜邦公司的2C1B涂装工艺、BASF公司的双底色工艺等。具体介绍如下：

(1)3C1B工艺即在3C2B工艺基础上取消中涂烘干工序，其总涂层(磷化膜+电泳膜+中涂+底色漆+清漆)厚度为76~92 μm，较3C2B工艺减少了约10 μm，在降低成本的同时，减少VOCs排放量达45%以上[2]。

(2)2C1B工艺即二涂层工艺，通过取消中涂喷漆和中涂烘干工序，改善底漆和面漆的机械性能、耐候性能和表面装饰性能，达到“三涂层涂装工艺”的功能。2C1B工艺的总涂层厚度为69~85 μm，较3C2B工艺减少了约17 μm，进一步降低了成本、减少了VOCs排放量。

(3)双底色漆涂装工艺是将正常的中涂层取消，将原来的一道底色漆设计为两涂层，为了达到和正常工艺相同的耐候性能，在底色漆中加入吸收紫外线的组分，在罩光漆中加入抗紫外线的组分。采用双底色漆涂装工艺的VOCs排放量较传统工艺可减少30%以上[2]。

综上所述，涂装工艺的改进可从采用全自动喷涂、采用静电旋杯喷涂、简化涂装工艺等方面着手，由于降低了过喷漆雾和涂层厚度，可大大减少喷涂作业中VOCs的产生量，达到减排目的。目前，国内主要有南京福特马自达涂装线采用3C1B工艺，一汽大众成都三厂涂装线采用2C1B工艺。但总体来看，国内采用简化涂装工艺的汽车厂家还不够普及。

2.3　优化喷涂废气治理技术

汽车喷涂行业的VOCs排放源点主要包括喷漆室废气、流平室废气、烘干室废气等。国内汽车行业从降低成本角度考虑，绝大多数企业将喷漆室废气、流平室废气统一收集后直接排放，而未对VOCs进行有效处理。其喷漆室废气实际上属于稀释排放，一条大型车身涂装线每年排放的VOCs总量可能高达数百吨，对大气造成的危害非常严重。对于烘干室废气，普遍采取燃烧处理，治理方法有催化燃烧法(CIU法)、回收式热力燃烧法(TAR法)和蓄热式热力燃烧法(RTO法)等[7]，对烘干废气中VOCs的去除率达95%~99%，并且有的方法还可实现废热回收利用。因此，烘干室废气最终进入大气的VOCs排放量远远低于喷漆室废气，不足喷漆室废气的1%。

在国内汽车涂装行业尚不能完全采用环保型水性涂料或粉末涂料的状况下，要大幅度降低喷涂环节的VOCs排放量，应逐步加大环保投入，引进国外先进技术或自主研发先进方法，对喷漆室、流平室废气进行有效处理，而不是直接排放。借鉴国外涂装企业对喷漆室和流平室废气的处理经验，可采用吸附法处理，即先利用吸附材料(如活性炭、沸石)将气体或蒸汽吸附在其表面，随后进行热解吸，使有机废气浓缩10~15倍，再对浓缩废气采用催化燃烧或蓄热式热力燃烧的方法进行处理。

3结语

目前，我国已经明确了VOCs减排目标，针对汽车喷涂行业，应推广使用环保性涂料(如水性涂料和粉末型涂料)、改进喷涂工艺，降低有机溶剂的使用量。需要特别注意的是，考虑成本问题，我国汽车涂装行业绝大多数企业均未对喷漆室废气和流平室废气进行彻底处理，而是直接排放，建议借鉴国外先进治理经验，逐步试行喷漆废气的浓缩、燃烧处理技术，大力削减该行业VOCs排放水平。

参考文献(References)：

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[2]宋华, 张业飞, 高若天, 等. 汽车涂装用几种最新涂料与涂装工艺[J]. 汽车工艺与材料, 2009(7): 14-17.

[3]庾晋, 周洁. 汽车涂料的发展情况[J]. 化工技术与开发, 2003(1): 13-15.

[4]昝丽娜, 舒武炳, 李芸芸. 汽车涂料的发展现状及方向[J]. 现代涂料与涂装, 2007(6): 32-35.

[5]张昱斐. 粉末涂料在汽车工业中的应用[J]. 涂料工业, 2000(4): 30-33.

[6]韩忠峰. 喷漆废气的全过程控制[J]. 现代涂料与涂装, 2007(1): 14-16.

[7]谢传勇, 张伦周. 浅谈涂装废气处理方法[J]. 现代涂料与涂装, 2011(10): 56-58.

Analysis of VOCs Emission Reduction Routes in Automobile Painting Industry

Ren Yong1, Jia Li2

(1.Sichuan Environmental Protection Science Academy, Chengdu 610041, China;

2.Sichuan Academy of Environmental Sciences Consulting Co., Ltd., Chengdu 610041, China)

Abstract:China has made clear requirements for volatile organic compounds (VOCs) emission reduction. Automobile painting industry discharges a large amount of VOCs to the atmosphere every year in China. We could reduce VOCs emission from the automobile painting industry by using environmentally friendly paint, improving production technology, and optimizing exhaust treatment technologies.

Key words: automobile painting industry; volatile organic compounds; emission reduction