碳計(jì)量與監(jiān)測(cè)在汽車噴涂車間的應(yīng)用及減排對(duì)策研究

摘要：針對(duì)汽車噴涂車間碳排放監(jiān)測(cè)與管理難題，建立了多維度監(jiān)測(cè)體系，對(duì)涂裝線VOCs排放、能源消耗等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，優(yōu)化噴涂工藝參數(shù)、改進(jìn)廢氣處理設(shè)施運(yùn)行方式實(shí)現(xiàn)減排15%～20%。采用水性漆替代溶劑型涂料，結(jié)合智能噴涂系統(tǒng)應(yīng)用，碳排放量降低30%。構(gòu)建預(yù)警管控機(jī)制，實(shí)現(xiàn)碳排放精準(zhǔn)管理，為汽車制造企業(yè)碳達(dá)峰行動(dòng)提供技術(shù)支撐，使噴涂車間碳排放監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)95%以上。

關(guān)鍵詞：汽車噴涂；碳排放監(jiān)測(cè)；VOCs治理；節(jié)能減排；智能噴涂；碳計(jì)量

中圖分類號(hào)：U461" 收稿日期：2024-12-25

DOI：1019999/jcnki1004-0226202502027

1 前言

隨著全球氣候問(wèn)題日益突出，汽車制造業(yè)作為碳排放重點(diǎn)行業(yè)面臨巨大減排壓力。噴涂車間碳排放量約占整個(gè)制造過(guò)程40%，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和有效降低噴涂車間碳排放已成為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)關(guān)鍵任務(wù)。當(dāng)前監(jiān)測(cè)手段存在數(shù)據(jù)采集不全面、分析方法不系統(tǒng)等問(wèn)題，亟需建立完整碳排放監(jiān)測(cè)體系。開(kāi)展噴涂車間碳計(jì)量技術(shù)研究，構(gòu)建多源協(xié)同監(jiān)測(cè)平臺(tái)，對(duì)推動(dòng)汽車制造業(yè)綠色低碳發(fā)展具有重要意義。

2 汽車噴涂車間碳監(jiān)管系統(tǒng)研究

汽車噴涂車間碳監(jiān)管系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)汽車制造業(yè)碳排放精準(zhǔn)管控的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)噴涂工藝過(guò)程中的VOCs排放、能源消耗和廢氣處理等核心要素進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，建立了包含污染物濃度、能耗強(qiáng)度、環(huán)境參數(shù)的多維度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[1]。研究表明，噴涂過(guò)程中VOCs排放濃度在150～280 mg/m3之間波動(dòng)，與涂料用量、工藝參數(shù)和環(huán)境條件密切相關(guān)。烘干室能耗約占車間總能耗的45%，其碳排放與溫度控制精度呈顯著正相關(guān)。

基于分層監(jiān)測(cè)與協(xié)同管控策略，構(gòu)建了集能耗監(jiān)測(cè)、VOCs在線監(jiān)測(cè)、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)于一體的綜合監(jiān)管模型。通過(guò)部署多類傳感器和采集設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取與動(dòng)態(tài)分析。實(shí)驗(yàn)研究表明，該監(jiān)管系統(tǒng)在保證涂裝質(zhì)量的前提下，碳排放監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)95%以上，為制定針對(duì)性減排方案提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。

研究結(jié)果顯示，精準(zhǔn)的碳監(jiān)管體系是推動(dòng)汽車制造業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的重要保障，通過(guò)對(duì)噴涂車間能耗、排放及工藝參數(shù)的系統(tǒng)優(yōu)化，能有效支撐行業(yè)碳達(dá)峰目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

3 碳計(jì)量與監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用

31 碳排放源識(shí)別與量化

汽車噴涂車間的碳排放源主要涉及涂裝工藝過(guò)程排放和能源消耗兩大類。

涂裝線VOCs排放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，噴漆室、閃干室、烘干室等關(guān)鍵工位的VOCs濃度在180～320 mg/m3之間變化，電泳、噴涂、烘干等工序能耗分別占總能耗的25%、30%和45%。通過(guò)建立碳足跡評(píng)價(jià)模型，引入工藝修正系數(shù)，提高了排放計(jì)算精度[2]。研究數(shù)據(jù)表明，不同車型、涂料類型和工藝參數(shù)的單車碳排放量在15～22 kg CO?當(dāng)量之間波動(dòng)。

對(duì)涂裝線關(guān)鍵排放節(jié)點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)，噴漆室VOCs排放濃度與涂料用量、噴涂工藝和環(huán)境溫濕度密切相關(guān)，烘干室碳排放強(qiáng)度則與溫度控制精度和能源利用效率呈顯著相關(guān)性。通過(guò)對(duì)排放源特征進(jìn)行量化分析，為后續(xù)制定精準(zhǔn)減排策略奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。

32 數(shù)據(jù)采集與處理分析

針對(duì)噴涂車間碳排放數(shù)據(jù)的多源異構(gòu)特點(diǎn)，構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式數(shù)據(jù)采集架構(gòu)（圖1）。在涂裝線關(guān)鍵工位部署VOCs在線監(jiān)測(cè)儀、能耗計(jì)量?jī)x表和環(huán)境參數(shù)傳感器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，噴漆室VOCs去除效率達(dá)85%～92%，廢氣處理設(shè)施運(yùn)行能耗占比約28%。采用深度學(xué)習(xí)算法建立了碳排放預(yù)測(cè)模型，對(duì)排放趨勢(shì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和預(yù)警。該預(yù)測(cè)模型綜合考慮了工藝參數(shù)、環(huán)境條件和設(shè)備狀態(tài)等多維因素，通過(guò)LSTM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了碳排放量的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)[3]。通過(guò)設(shè)定多級(jí)預(yù)警閾值，建立數(shù)據(jù)異常識(shí)別機(jī)制，采集準(zhǔn)確率提升至97%。異常識(shí)別機(jī)制采用基于統(tǒng)計(jì)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)的混合方法，能夠有效識(shí)別和過(guò)濾異常數(shù)據(jù)。

結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，開(kāi)發(fā)了涂裝線碳排放仿真分析平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了工藝參數(shù)、能源消耗與排放特征的關(guān)聯(lián)分析。該平臺(tái)可實(shí)時(shí)反映生產(chǎn)狀態(tài)，支持參數(shù)優(yōu)化和工藝調(diào)整的仿真驗(yàn)證?；诙嗑S度數(shù)據(jù)挖掘，揭示了不同工況下碳排放變化規(guī)律，構(gòu)建了包含溫度、濕度、風(fēng)速等環(huán)境因素的多變量分析模型，為管理決策提供科學(xué)依據(jù)。

33 預(yù)警管控機(jī)制設(shè)計(jì)

基于涂裝線碳排放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，構(gòu)建了多級(jí)聯(lián)動(dòng)的預(yù)警管控機(jī)制。通過(guò)設(shè)定VOCs濃度、能耗強(qiáng)度、環(huán)境參數(shù)等關(guān)鍵指標(biāo)的預(yù)警閾值，建立了排放超標(biāo)預(yù)警、能耗異常預(yù)警和工藝波動(dòng)預(yù)警三級(jí)預(yù)警體系。研究表明，預(yù)警閾值的合理設(shè)定對(duì)提升預(yù)警準(zhǔn)確性具有決定性影響[4]。

在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)通過(guò)分析歷史數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗(yàn)，建立了動(dòng)態(tài)閾值調(diào)整機(jī)制，使預(yù)警更加貼合實(shí)際生產(chǎn)狀況。采用模糊綜合評(píng)價(jià)法，開(kāi)發(fā)了預(yù)警等級(jí)劃分模型，實(shí)現(xiàn)了預(yù)警信息的智能推送，準(zhǔn)確率達(dá)93%。該模型綜合考慮了多個(gè)影響因素的權(quán)重，包括排放濃度超標(biāo)程度、持續(xù)時(shí)間、涉及工序范圍等，確保預(yù)警分級(jí)的科學(xué)性。

針對(duì)不同預(yù)警等級(jí)，制定了標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)急響應(yīng)流程，明確了處置措施和管控要求。對(duì)于輕微預(yù)警，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)送工藝參數(shù)優(yōu)化建議；對(duì)于中度預(yù)警，觸發(fā)設(shè)備自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)制；對(duì)于嚴(yán)重預(yù)警，啟動(dòng)應(yīng)急停產(chǎn)和技術(shù)專家介入機(jī)制。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，該預(yù)警機(jī)制有效避免了重大排放異常事件的發(fā)生，顯著提升了噴涂車間碳排放的精細(xì)化管理水平。

系統(tǒng)還建立了預(yù)警后評(píng)估機(jī)制，定期分析預(yù)警準(zhǔn)確性和響應(yīng)效果，持續(xù)優(yōu)化預(yù)警模型參數(shù)，進(jìn)一步提高預(yù)警系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。

34 監(jiān)測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)集成

面向汽車噴涂車間碳排放監(jiān)測(cè)需求，開(kāi)發(fā)了集數(shù)據(jù)采集、分析處理、預(yù)警管控于一體的綜合監(jiān)測(cè)平臺(tái)（圖2）。平臺(tái)采用微服務(wù)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和智能分析，各功能模塊之間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口實(shí)現(xiàn)松耦合集成，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展和維護(hù)?；诠I(yè)以太網(wǎng)的通信協(xié)議設(shè)計(jì)，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性，響應(yīng)時(shí)間優(yōu)于100 ms。

系統(tǒng)采用多級(jí)緩存機(jī)制和負(fù)載均衡策略，確保在大數(shù)據(jù)量傳輸時(shí)仍能保持穩(wěn)定性能。通過(guò)引入邊緣計(jì)算技術(shù)，建立了分布式數(shù)據(jù)處理機(jī)制，顯著提升了系統(tǒng)運(yùn)行效率[5]。邊緣節(jié)點(diǎn)可以就近處理傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的初步過(guò)濾和聚合，減輕中心服務(wù)器負(fù)擔(dān)。

開(kāi)發(fā)了可視化展示模塊，采用多維度數(shù)據(jù)展示方式，直觀呈現(xiàn)碳排放動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。該模塊支持?jǐn)?shù)據(jù)鉆取分析，可實(shí)現(xiàn)從整體到局部的多層次數(shù)據(jù)展現(xiàn)，并提供豐富的圖表類型選擇。系統(tǒng)集成了智能分析功能，可自動(dòng)生成排放分析報(bào)告，運(yùn)行穩(wěn)定性達(dá)995%。分析功能包括趨勢(shì)預(yù)測(cè)、異常診斷、相關(guān)性分析等，支持管理人員進(jìn)行科學(xué)決策。

實(shí)踐應(yīng)用表明，該監(jiān)測(cè)平臺(tái)的部署顯著提升了噴涂車間碳排放管理水平，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能化管控。平臺(tái)還預(yù)留了與其他企業(yè)管理系統(tǒng)的集成接口，可實(shí)現(xiàn)與ERP、MES等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享和業(yè)務(wù)協(xié)同。

4 減排實(shí)驗(yàn)與效果評(píng)價(jià)

41 工藝參數(shù)調(diào)整研究

針對(duì)汽車噴涂車間的工藝參數(shù)對(duì)碳排放的影響，開(kāi)展了系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，噴槍壓力、噴涂距離、行進(jìn)速度等關(guān)鍵參數(shù)與涂層質(zhì)量和VOCs排放量呈顯著相關(guān)性。通過(guò)正交試驗(yàn)方法，確定了最優(yōu)參數(shù)組合：噴槍壓力035～042 MPa，噴涂距離280～320 mm，行進(jìn)速度600～650 mm/s。優(yōu)化后的工藝參數(shù)使涂料利用率提升18%，單車VOCs排放量降低25%。同時(shí)，對(duì)烘干溫度曲線進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，將溫度爬坡時(shí)間縮短15%，穩(wěn)溫區(qū)溫度控制精度提升至±15 ℃，能源利用效率提高12%。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，通過(guò)工藝參數(shù)的系統(tǒng)優(yōu)化，在保證涂裝質(zhì)量的前提下，碳排放強(qiáng)度降低達(dá)20%～25%，為噴涂車間減排提供了可行的技術(shù)路徑。

42 智能噴涂技術(shù)應(yīng)用

通過(guò)引入基于機(jī)器視覺(jué)的智能噴涂系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了噴涂軌跡的自動(dòng)規(guī)劃與精準(zhǔn)控制。系統(tǒng)采用深度學(xué)習(xí)算法對(duì)車身幾何特征進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別，結(jié)合流場(chǎng)仿真技術(shù)優(yōu)化噴涂路徑，涂層厚度均勻性提升30%。研究開(kāi)發(fā)的自適應(yīng)霧化控制技術(shù)，能根據(jù)車型特征和環(huán)境條件動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)霧化參數(shù)，有效降低涂料損耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，智能噴涂系統(tǒng)的應(yīng)用使涂料利用率提升至85%以上，漆霧顆粒物排放減少40%。

通過(guò)與傳統(tǒng)人工噴涂對(duì)比驗(yàn)證，智能系統(tǒng)在涂層質(zhì)量一致性、材料利用率和VOCs排放等方面均表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，年度碳減排量達(dá)600 t，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益顯著。

43 廢氣處理設(shè)施改造

針對(duì)噴涂車間廢氣處理設(shè)施的運(yùn)行效率和能耗問(wèn)題，實(shí)施了系統(tǒng)化的技術(shù)改造。采用新型高效吸附材料替代傳統(tǒng)活性炭，VOCs去除效率提升至95%，再生周期延長(zhǎng)50%。通過(guò)優(yōu)化RTO系統(tǒng)的燃燒工況和熱回收效率，處理能耗降低35%。研究開(kāi)發(fā)的智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了處理設(shè)施的協(xié)同運(yùn)行，根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)處理參數(shù)，運(yùn)行成本降低25%。改造后的廢氣處理系統(tǒng)VOCs處理效率始終保持在90%以上，年度碳減排量達(dá)800 t（表1）。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，廢氣處理設(shè)施改造不僅提升了處理效率，還實(shí)現(xiàn)了能源梯級(jí)利用，為噴涂車間碳減排提供了重要支撐。

44 水性涂料替代分析

基于水性涂料替代傳統(tǒng)溶劑型涂料的減排效果評(píng)估，開(kāi)展了全面的應(yīng)用研究。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，采用水性涂料后VOCs含量降低80%，噴涂過(guò)程中VOCs排放濃度由原來(lái)的280 mg/m3降至65 mg/m3。通過(guò)優(yōu)化水性涂料配方和施工工藝，解決了流平性和附著力等技術(shù)難題，涂層質(zhì)量達(dá)到原有水平。結(jié)合閃干技術(shù)的應(yīng)用，烘干能耗降低20%，碳排放量相應(yīng)減少。經(jīng)濟(jì)性分析顯示，雖然水性涂料成本略高，但考慮減排效益和環(huán)保要求，具有明顯的綜合優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，水性涂料替代方案年度減排潛力達(dá)1 200 t CO?當(dāng)量，為汽車噴涂車間實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型提供了可行路徑。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在某汽車制造企業(yè)噴涂車間開(kāi)展為期一年實(shí)驗(yàn)研究，構(gòu)建完整碳排放監(jiān)測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)碳排放數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集分析。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，采用水性漆替代傳統(tǒng)溶劑型涂料，配合智能噴涂系統(tǒng)，降低VOCs排放和能源消耗成效顯著。優(yōu)化后廢氣處理設(shè)施運(yùn)行效率提升25%，年碳減排量達(dá)1 500 t。研究成果為汽車制造業(yè)碳達(dá)峰行動(dòng)提供可推廣技術(shù)方案和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)推動(dòng)行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型具有重要參考價(jià)值。通過(guò)工藝優(yōu)化、技術(shù)改造和管理創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)噴涂車間碳排放精準(zhǔn)管控，為制造業(yè)碳減排目標(biāo)實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：

宋捷，男，1985年生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橛?jì)量學(xué)、儀器儀表制造業(yè)、質(zhì)檢技術(shù)服務(wù)。