汽車生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)揮發(fā)性有機(jī)物減排探究

文_王宗明 盛挺松 曹軼 上汽大眾汽車有限公司

1 汽車制造業(yè)現(xiàn)狀

近年來中國(guó)汽車產(chǎn)量和涂料行業(yè)規(guī)模如圖1、圖2所示，根據(jù)中國(guó)涂料協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2017年中國(guó)涂料產(chǎn)量達(dá)到2041萬t，至2020年中國(guó)涂料產(chǎn)量達(dá)到2459萬t。2020年受貿(mào)易戰(zhàn)及疫情影響，中國(guó)汽車產(chǎn)銷2522.5萬輛和2531.1萬輛，同比下降2.0%和1.9%，其中汽車整車制造廠涂料用量約65萬t，其中揮發(fā)性有機(jī)物排放量在14萬t左右。

圖1 2015～2020年中國(guó)涂料行業(yè)產(chǎn)量規(guī)模及增長(zhǎng)情況

圖2 2015～2020年中國(guó)汽車行業(yè)產(chǎn)量規(guī)模及增長(zhǎng)情況

生命周期評(píng)價(jià)（LCA）是一種對(duì)產(chǎn)品或工藝過程在整個(gè)生命周期內(nèi)的直接和間接環(huán)境影響的技術(shù)方法，已經(jīng)成為國(guó)際環(huán)境管理和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要支持工具。生命周期評(píng)價(jià)已經(jīng)開始用于評(píng)價(jià)汽車的環(huán)境兼容性，對(duì)汽車生產(chǎn)、汽車燃料生產(chǎn)、汽車使用和報(bào)廢處理全過程中資源消耗和引起的環(huán)境負(fù)擔(dān)進(jìn)行評(píng)價(jià)。我國(guó)汽車領(lǐng)域的生命周期評(píng)價(jià)應(yīng)用雖然起步較晚，研究體系的完整性較發(fā)達(dá)國(guó)家尚有一定的差距，近年來，許多學(xué)者從社會(huì)生命周期(S-LCA)及環(huán)境生命周期(E-LCA)等不同方向開展研究。在汽車整車生產(chǎn)制造過程中，涂裝車間的能耗占60%、VOCs排放占95%、CO2排放占60%。車輛制造生產(chǎn)階段環(huán)境的影響隨著近年來國(guó)家對(duì)環(huán)保的重視越發(fā)受到關(guān)注，本文從汽車全生命周期VOCs排放舉足輕重的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)進(jìn)行研究，推動(dòng)汽車工業(yè)生產(chǎn)制造污染防治和減碳環(huán)保。

2 汽車生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)VOCs產(chǎn)生源

汽車整車制造工藝主要包含沖壓、動(dòng)力總成（發(fā)動(dòng)機(jī)或電池）、車身、涂裝和總裝等五大工藝，VOCs主要產(chǎn)生于噴涂、流平和烘干過程；此外電泳區(qū)排風(fēng)、空腔發(fā)泡、調(diào)漆、溶劑擦洗、注蠟、漆膜修補(bǔ)、漆渣處理及干化、格柵及工裝載具清洗、噴漆室清潔維護(hù)、整車出廠檢測(cè)和產(chǎn)品研發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)熱態(tài)試驗(yàn)等過程產(chǎn)生少量的VOCs，注射、涂膠過程、部件組裝及產(chǎn)品裝配過程與黏合劑使用過程產(chǎn)生微量的VOCs。

近年來，汽車涂裝水性化技術(shù)已經(jīng)越來越成熟，低甚至無VOCs排放的材料應(yīng)用越來越普及。某公司汽車涂裝車間采用的是2010V水性漆工藝，整車內(nèi)外表機(jī)器人自動(dòng)噴涂。涂裝車間VOCs排放來源主要有：電泳和PVC烘房、面涂噴涂、面漆烘房、點(diǎn)修補(bǔ)等，表1所示為汽車制造過程中廢氣源。

表1 汽車生產(chǎn)工序VOCs廢氣源及收集方式

降低汽車制造過程中VOCs排放是綠色發(fā)展的基本方針，體現(xiàn)人與自然和諧共生。對(duì)汽車制造每個(gè)工藝流程進(jìn)行環(huán)境影響分析，通過源頭控制，從源頭消除避免使用VOCs高排放的材料或?qū)ふ姨娲?，降低VOCs排放；過程減排，制造環(huán)節(jié)提高材料利用率，減少返工率；末端治理，提高VOCs收集效率，提高治理效率，降低制造過程中VOCs排放使其全生命周期的生態(tài)足跡最小化。

3 汽車生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)VOCs減排

3.1 源頭控制

3.1.1 水性漆噴涂工藝

涂料類型直接影響到噴涂過程中VOCs排放水平，傳統(tǒng)溶劑型涂料溶劑成分高達(dá)75%～80%，VOCs質(zhì)量占比含量高。水性漆稀釋劑主要成分是水，水性色漆VOCs質(zhì)量占比為10%～15%，VOCs僅為傳統(tǒng)溶劑型涂料15%左右。圖3所示為溶劑和水性色漆主要成分對(duì)比。使用水性色漆替代溶劑型色漆，可使VOCs排放顯著下降，可從45g/m2降至7g/m2。高固體分涂料固體成分可達(dá)到為50%～60%，與傳統(tǒng)溶劑型涂料對(duì)比，VOCs削減量為 50%～60%。

圖3 色漆成分對(duì)比

3.1.2 高固體分水性漆

為進(jìn)一步降低VOCs排放，選用更環(huán)保的涂料，在已有的水性雙組分色漆和水性單組分色漆基礎(chǔ)上引入水性高固體分色漆，高固體分色漆基本特點(diǎn)是高固含、低VOCs含量，低單耗，可有效減少單車VOCs排放，表2中的極地白色漆高固體分VOCs含量比雙組分低53%。

表2 水性極地白色漆主要參數(shù)對(duì)比

3.1.3 清洗溶劑減量及替代技術(shù)

壓縮空氣混合水性色漆清洗溶劑，通過壓縮空氣氣泡破裂瞬間產(chǎn)生的極大沖擊力，提高清洗效果。同時(shí)溶劑的清洗能力與溫度有關(guān)，在一定溶劑濃度下，搭建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿M合生產(chǎn)實(shí)際評(píng)價(jià)溶劑清洗能力，圖4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出溫度越高清洗能力越強(qiáng)，清洗越徹底。

圖4 不同溫度清洗溶劑清洗效果

為更進(jìn)一步降低色漆清洗溶劑的VOCs排放，通過色漆材料成分分析，找出不易被清洗溶劑溶解的成分，并相應(yīng)的改進(jìn)水性漆清洗溶劑材料組分，將原色漆清洗溶劑中低沸點(diǎn)成分（正丁醇、乙二醇丁醚、二甲基丁醇胺等）改為高沸點(diǎn)的有機(jī)溶劑，使改進(jìn)后的色漆清洗溶劑VOCs含量降為零，改進(jìn)后的清洗力提升約5倍，不僅減少VOCs排放，同時(shí)減少單耗和節(jié)約成本。

3.2 過程控制

3.2.1 仿真技術(shù)在噴涂中應(yīng)用

在質(zhì)量?jī)?yōu)化需對(duì)噴涂軌跡/參數(shù)調(diào)整前，通過軟件仿真技術(shù)對(duì)噴涂軌跡/參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，找出原因并采取相應(yīng)較優(yōu)方案解決。在實(shí)際涂層建模中，通常將涂層看做一個(gè)拋物曲面，那么它的橫截面可以近似看成一條型如扇面的二次拋物曲線。扇面中部漆膜較厚邊緣較薄，為使漆膜厚度均勻一致，噴涂疊槍距離的把控就顯得尤為重要。設(shè)定幾種不同的疊槍距離值（20cm、30cm、40cm）得到不同的模擬結(jié)果，如圖5所示。

圖5 不同疊槍距離值模擬結(jié)果

從仿真結(jié)果重疊距離為30cm時(shí)涂層的均勻性最好，與實(shí)際噴板和調(diào)試車噴涂驗(yàn)證，模擬結(jié)果與實(shí)際噴涂結(jié)果吻合，通過仿真技術(shù)的應(yīng)用，縮減在線試噴調(diào)整的次數(shù)和噴涂材料耗費(fèi)，極大減少VOCs排放。

3.2.2 噴涂工藝優(yōu)化

降低涂料VOCs含量通常是向水性漆或高固體分兩個(gè)技術(shù)路線發(fā)展，傳統(tǒng)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，多次噴涂和烘干工序增加了涂料的使用量及VOCs排放量，目前國(guó)內(nèi)外推廣使用一些新工藝，以期降低VOCs排放量。涂裝由不同類型中涂、底色漆、罩光清漆配套成的各種工藝體系的VOC排出量參見表3。

表3 不同涂裝工藝體系VOCs排放量對(duì)比

“2010V"工藝在“3C2B”工藝基礎(chǔ)上直接取消了中涂噴涂和中涂烘干兩個(gè)工序，水性色漆兼具中涂和色漆功能的組分，該工藝成膜總厚度一般比“3C2B”工藝成膜厚度更薄，因此進(jìn)一步削減了能耗、涂裝成本及VOCs排放量。

3.2.3 選用高上漆率噴涂方式

噴槍噴涂效率高低直接影響涂料的單耗，繼而影響到VOCs排放量，高上漆率的噴槍可以有效減少過噴漆霧問題。表4列出了不同噴涂方式對(duì)應(yīng)的上漆率，涂裝過程中應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的形狀及材質(zhì)，在滿足生產(chǎn)工況和工藝要求的前提下盡可能選擇高上漆率的噴涂方式。

表4 不同噴涂方式對(duì)應(yīng)的上漆率

隨著噴涂技術(shù)不斷發(fā)展，無過噴技術(shù)Eco-Jet SE已成功批量應(yīng)用于PVC產(chǎn)線，新的面漆噴涂技術(shù)Eco-Paint Jet在噴涂銳利的油漆線條時(shí)達(dá)到前所未有的噴涂精度，有效避免過噴漆霧，能有效解決汽車套色噴漆的高成本、高耗時(shí)、大量浪費(fèi)的問題。Eco-Paint Jet技術(shù)目前正在測(cè)試，相信不久無過噴漆霧批量應(yīng)用將成為現(xiàn)實(shí)。

3.2.4 生產(chǎn)組織管理

加強(qiáng)涂裝現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理，如提高同色連噴率，改進(jìn)換色裝置和按色編組集中生產(chǎn)，減少換色單次排漆量和換色次數(shù)。加強(qiáng)涂裝環(huán)境清潔度管理，有效采取防塵措施，提升一次報(bào)交合格率，降低整車返工率和點(diǎn)修補(bǔ)率，降低涂料單耗。加強(qiáng)材料管理，容器密封減少溶劑揮發(fā)。清洗溶劑通過超濾技術(shù)回收再利用。通過減少PVC及密封膠桶內(nèi)材料殘膠量，優(yōu)化工藝排膠程序，有效降低單車損耗量，減少生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的VOCs排放。結(jié)合生產(chǎn)工藝排布和廢氣性質(zhì)等綜合因素，采用集風(fēng)罩加強(qiáng)無組織廢氣收集處理。

3.3 末端治理

目前某廠采用的廢氣治理方法主要有兩種：一是活性炭吸附，二是沸石濃縮轉(zhuǎn)輪吸附+高溫燃燒法（KPR/TNV），前者適用于小風(fēng)量（小于10萬m3/h），后者適用于大風(fēng)量（大于10萬m3/h）。

3.3.1 活性炭吸附法

活性炭作為涂裝車間的廢氣吸附劑已經(jīng)有很多年的應(yīng)用，一般用于點(diǎn)修補(bǔ)、發(fā)動(dòng)機(jī)、整車出廠檢測(cè)及黏合劑使用等工序產(chǎn)生的微少量VOCs的治理。

3.3.2 沸石濃縮轉(zhuǎn)輪及TNV燃燒技術(shù)

該技術(shù)適用于工況相對(duì)連續(xù)穩(wěn)定的噴涂過程中產(chǎn)生的低濃度、大風(fēng)量的廢氣治理，通過VOCs 濃縮裝置可以將低濃度、大風(fēng)量的廢氣濃縮到高濃度、小風(fēng)量，通過旋轉(zhuǎn)式吸附和熱回收燃燒技術(shù)，實(shí)現(xiàn)VOCs高效率處理，濃縮轉(zhuǎn)輪分成三個(gè)區(qū)域，為吸附區(qū)、解脫附區(qū)和冷卻區(qū)。高風(fēng)量低濃度VOCs的廢氣吸人沸石轉(zhuǎn)輪濃縮系統(tǒng)，經(jīng)過吸附和脫附區(qū)形成兩部分氣體，一部分高風(fēng)量的潔凈氣體直接排入大氣中；另一部分低風(fēng)量高濃度的VOCs廢氣進(jìn)入TNV系統(tǒng)進(jìn)行氧化焚燒處理轉(zhuǎn)化為CO2和水等煙氣達(dá)標(biāo)排放，并通過熱交換器，將自身高溫?zé)煔獾臒崃炕厥沼糜诩訜釓U氣，還可通過配套的多級(jí)換熱裝置充分回收廢氣熱能，降低整個(gè)系統(tǒng)能耗。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代汽車制造行業(yè)技術(shù)不斷更新發(fā)展，新材料新技術(shù)推陳出新，推廣更加環(huán)保型涂料技術(shù)，如高固體分涂料、本色面漆更大范圍開發(fā)應(yīng)用。追求精細(xì)化噴涂技術(shù)，提高原材料利用率，從原料替代、噴涂技術(shù)改善、生產(chǎn)組織管理和VOCs治理方式方減少VOCs排放。堅(jiān)持把綠色可持續(xù)發(fā)展作為建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)的重要著力點(diǎn)，加強(qiáng)節(jié)能環(huán)保技術(shù)、材料、工藝、裝備推廣應(yīng)用，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，全面推行清潔生產(chǎn)，構(gòu)建綠色環(huán)保的汽車生產(chǎn)制造體系。