解析｜汽車涂裝行業(yè)VOCs排放特征，識(shí)別VOCs關(guān)鍵組分及控制最佳適用技術(shù)

隨著汽車的需求量的增長(zhǎng)，汽車產(chǎn)業(yè)將繼續(xù)保持高增長(zhǎng)率。汽車制造業(yè)表面涂裝過(guò)程中產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)物，是對(duì)流層臭氧(O3)和二次有機(jī)氣溶膠(SOA)的重要前體物,也是增加大氣氧化性的主要因素。同時(shí)，該行業(yè)排放的苯系物等有毒有害VOCs對(duì)人體健康造成嚴(yán)重的損害。

汽車制造業(yè)涂料用量大，VOCs成分復(fù)雜，排放強(qiáng)度大，是VOCs污染控制的重點(diǎn)。北京市、上海市、珠三角地區(qū)均開展了典型汽車涂裝企業(yè)VOCs排放成分測(cè)試，獲取了部分源譜信息。美國(guó)、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家以及臺(tái)灣、香港、北京、上海、廣州等地根據(jù)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、汽車涂裝VOCs排放標(biāo)準(zhǔn)、污染治理技術(shù)指引等。

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)汽車涂裝行業(yè)基于VOCs排放特征研究污染控制措施的研究較少。本研究將深入分析汽車涂裝行業(yè)VOCs排放特征，識(shí)別VOCs關(guān)鍵組分，總結(jié)污染控制最佳適用技術(shù)，為制定基于改善空氣質(zhì)量為目標(biāo)的汽車涂裝行業(yè)VOCs控制策略提供科學(xué)可靠的技術(shù)支撐。

1、研究方法

一

選取不同車型（轎車、客車）的典型企業(yè)開展VOCs全過(guò)程排放特征調(diào)查，篩選關(guān)鍵排放環(huán)節(jié)，開展源排放特征與最佳適用技術(shù)研究。

1.1單位涂裝面積VOCs排放量估算

利用物料平衡法計(jì)算各車型單位涂裝面積VOCs排放量，了解不同車型單位面積VOCs排放總量特征，計(jì)算方式如式（1）：

式（1）

式中E為單位涂裝面積VOCs排放總量，g/m2；I為各涂裝單元每月使用涂料、稀釋劑、密封膠及清洗溶劑中VOCs的量，kg/月；O1為每月回收VOCs的量（可再利用或進(jìn)行廢物處置），kg/月；O2為每月污染控制設(shè)備破壞掉的VOCs的量，kg/月；A為每月底涂面積，指車體底涂之總面積，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的車身本體面積，m2/月。

1.2源排放測(cè)試

采用源排放測(cè)試了解企業(yè)排氣筒VOCs排放濃度水平與物種組成。企業(yè)類別、廢氣處理設(shè)施與采樣情況如表1所示，包括采用不同尾氣處理措施的兩家小轎車生產(chǎn)企業(yè)，以及1家輕型客車生產(chǎn)企業(yè)，重點(diǎn)針對(duì)排放量大的噴漆室和烘干室進(jìn)行采樣測(cè)試，采樣頻次每天3次，共2天，樣品通過(guò)煙囪采集。源排放樣品的測(cè)定采用固體吸附/熱脫附-氣相色譜法，用填充聚2,6-二苯基對(duì)苯醚（Tenax）采樣管，在常溫條件下，富集環(huán)境空氣或室內(nèi)空氣中的揮發(fā)性有機(jī)物，對(duì)于溫度較高的排氣筒采樣管連入熱脫附儀，加熱后將吸附成分導(dǎo)入帶有氫火焰離子化檢測(cè)器（FID）的氣相色譜儀進(jìn)行分析。

表1VOCs采樣企業(yè)情況

2、結(jié)果分析與討論

一

2.1涂裝工藝與排污環(huán)節(jié)

轎車生產(chǎn)企業(yè)大部分采用電泳底漆、中涂、面漆傳統(tǒng)3層涂層體系，其底漆采用水性環(huán)氧樹脂陰極電泳底漆，基本不含有機(jī)溶劑，中涂和面漆主要使用氨酯漆、丙烯酸漆和聚酯漆等涂料，有機(jī)溶劑含量較高，使用量占50%以上。為減低VOCs排放，已有企業(yè)率先采用了水性免中涂工藝，使單位涂裝面積的VOCs排放量從50-90g/m2降至小于25g/m2，對(duì)于削減VOCs排放量效果顯著?？蛙嚭臀?、輕型貨車表面涂裝對(duì)銹蝕防護(hù)、抗石擊、耐候性和紫外線隔離性能的要求相對(duì)較低，故其普遍采用2C2B涂層體系省略了中涂層。目前，省內(nèi)客車和微、輕型貨車生產(chǎn)企業(yè)在底漆噴涂上基本實(shí)現(xiàn)了電泳噴涂，而面漆噴涂主要依據(jù)客戶需求，利用人工噴涂的方式進(jìn)行。根據(jù)典型企業(yè)調(diào)查結(jié)果，涂料中含VOCs組分主要包括甲乙酮、間，對(duì)-二甲苯、乙苯、甲苯、異丙醇、乙酸乙酯、丙酮、鄰-二甲苯、甲基異丁基酮、1，2，4-三甲苯、1，3，5-三甲苯、苯、苯乙烯以及正丁醇、異丁醇和乙酸丁酯。

汽車涂裝工藝過(guò)程中VOCs主要產(chǎn)生于：中涂和面漆的噴涂及烘干過(guò)程和塑料件加工的涂漆工序。車身密封和噴防護(hù)蠟兩個(gè)步驟中由于PVC和防護(hù)蠟中的VOCs含量相對(duì)較少，不是主要的排污環(huán)節(jié)。車身涂裝產(chǎn)生的有機(jī)廢氣具有大風(fēng)量、中低濃度的特點(diǎn)。（1）噴漆室：噴漆室排放廢氣中主要有害成分為噴漆過(guò)程中揮發(fā)的有機(jī)溶劑。噴漆室的排風(fēng)量很大，排放廢氣中的有機(jī)物總濃度很低，通常在100mg/m3以下。另外，噴漆室的排氣中經(jīng)常還含有少量未處理完全的漆霧。特別是干式漆霧捕集噴漆室，排氣中漆霧較多。（2）烘干室：烘干廢氣的成分比較復(fù)雜，除有機(jī)溶劑本身的成分外，還包含熱分解生成物和反應(yīng)生成物。電泳涂料雖然屬于水性涂料，但其烘干氣中仍含有較多的有機(jī)成分。除電泳涂料本身含有少量的醇醚類有機(jī)物外，還包含烘干過(guò)程中的熱分解生成物（如醛酮類小分子）。電泳烘干廢氣中的總有機(jī)物濃度一般在500-1000mg/m3，比溶劑型涂料的烘干廢氣低一些。（3）固廢儲(chǔ)存地：廢油漆桶以及漆霧收集后產(chǎn)生的漆渣如不能及時(shí)處理，常產(chǎn)生有機(jī)廢氣。

2.2單位涂裝面積排放總量

通過(guò)物料衡算法計(jì)算的單位面積VOCs排放總量結(jié)果如表2所示，不同車型的單位涂裝面積VOCs排放情況有較大差異，小轎車由于涂裝車間密閉設(shè)施好，涂料用量相對(duì)較低，單位涂裝面積的VOCs排放量低，在40-60g/m2之間，而客貨車特別是大客車采用人工噴涂，車間密閉等污染控制措施較為薄弱，排放量達(dá)到300g/m2以上。

表2典型汽車涂裝企業(yè)單位涂裝面積VOC排放總量

2.3VOCs排放濃度與組分特征

3家典型企業(yè)VOCs排放的主要物種組成如表3，苯系物是汽車涂裝企業(yè)VOCs排放的重要組分，各企業(yè)排放最高占比在33.2%-64.6%之間。苯系物中最主要的物種是二甲苯，噴涂車間占比10.3%-22.9%。乙酸丁酯、異丙醇、丁醇等醇酯類物質(zhì)占比也相對(duì)較高，各企業(yè)排放最高占比在29.6%-61.2%之間。隨著溶劑行業(yè)的污染控制逐步加嚴(yán)，排放成分產(chǎn)生了顯著的變化。酯類和醇類等物質(zhì)在近年來(lái)作為苯系物溶劑的代替成分，它們的使用量大大增加，特別是一些稀釋劑和清洗劑。總體來(lái)看，各家企業(yè)的排放物種大類有相似性，但具體物種組成與濃度貢獻(xiàn)仍存在較大的差異，一是由于使用涂料成分不同，稀釋比例也不一樣；二是由于使用不同的末端處理技術(shù)對(duì)尾氣排放組分產(chǎn)生影響，很難用統(tǒng)一的源譜代表整個(gè)汽車噴涂行業(yè)的排放特征。

表3典型企業(yè)特征VOCs組分濃度

2.4最佳適用技術(shù)

根據(jù)污染排放特征研究結(jié)果，汽車涂裝行業(yè)VOCs排放集中在噴涂與烘干環(huán)節(jié)，主要來(lái)源于使用的涂料，排放組分基本與使用涂料中組分一致。污染控制措施可分為源頭控制和末端治理兩大類。

采用粉末涂料、水性涂料和高固體成分涂料等代替溶劑型涂料，能有效降低VOCs排放量。國(guó)內(nèi)轎車涂裝絕大多數(shù)采用陰極電泳+溶劑型中涂+溶劑型色漆+單組分罩光清漆工藝體系。轎車底漆已實(shí)現(xiàn)了全面的更新?lián)Q代，但是中涂、面漆還是以溶劑型為主，VOCs排放量高于發(fā)達(dá)國(guó)家（地區(qū)）的排放水平，距環(huán)保型（低VOCs化、水性化）涂料的應(yīng)用發(fā)展仍有一定的距離。目前，國(guó)內(nèi)少數(shù)大型汽車企業(yè)新建生產(chǎn)線采用了水性涂裝工藝，大大降低了汽車表面涂裝VOCs排放水平，接近或達(dá)到歐洲汽車涂裝VOCs排放標(biāo)準(zhǔn)。

表4不同車身涂裝配套體系VOCs排放量水平

采用先進(jìn)的涂裝工藝，可減少涂料使用量，配合使用低VOCs含量的涂料，可大幅度削減VOCs排放。目前先進(jìn)的涂裝工藝包括3C1B技術(shù)和水性免中涂工藝。3C1B涂裝工藝取消了3C2B工藝的中涂烘烤和打磨工序，待中涂、色漆、罩光漆三層涂裝后一起進(jìn)行烘干固化處理，可節(jié)省涂料使用量。水性免中涂工藝將經(jīng)濟(jì)型轎車和商用車車身由3涂層體系簡(jiǎn)化為2涂層體系，與3C2B涂裝工藝相比，簡(jiǎn)化了車身涂裝工藝，能減少20%的VOCs排放。

汽車噴涂行業(yè)的末端處理措施包括噴漆室漆霧收集措施、VOCs廢氣收集與治理措施。噴漆室內(nèi)的漆霧收集是汽車涂裝行業(yè)重要的廢氣前處理措施，對(duì)VOCs的末端治理效果起關(guān)鍵作用。漆霧處理方法主要有過(guò)濾法、冷凝法和液體吸收法等，其中過(guò)濾法（干式）和液體吸收法（濕式）適用性較廣，由于濕式（水洗）漆霧分離技術(shù)會(huì)產(chǎn)生漆渣等危險(xiǎn)廢棄物，美國(guó)和歐洲已限制其使用，并逐漸采用干式漆霧分離技術(shù)，有效降低能耗，且基本不產(chǎn)生化學(xué)凝結(jié)物。

經(jīng)漆霧處理后的噴漆廢氣和流平、烘干廢氣主要含有VOCs有機(jī)廢氣，普遍采取吸附、燃燒和一些組合方式進(jìn)行降解處理。采用直接燃燒法處理廢氣時(shí)，為提高廢氣處理的溫度、減少燃料的消耗，通常使燃燒后的廢氣與燃燒前的廢氣進(jìn)行熱交換，根據(jù)熱交換與廢熱利用形式的不同，常見的直接燃燒形式有RTO(蓄熱式熱力燃燒系統(tǒng))和TAR（回收式熱力燃燒系統(tǒng)），國(guó)內(nèi)大型汽車企業(yè)涂裝多采用RTO進(jìn)行VOCs廢氣末端治理。對(duì)于新建的汽車涂裝生產(chǎn)線，歐美汽車企業(yè)首選TAR來(lái)進(jìn)行烘干室末端VOCs廢氣處理，處理效率可達(dá)到99%以上。采用吸附法-脫附再生技術(shù)如設(shè)備維護(hù)長(zhǎng)長(zhǎng)也可達(dá)到90%以上處理效率。由于噴漆室風(fēng)量大、濃度低，往往不能直接采用焚燒法處理，轉(zhuǎn)輪濃縮吸附-蓄熱式焚燒技術(shù)是目前噴涂廢氣治理效果最好的技術(shù)之一，采用吸附－脫附－濃縮焚燒等三項(xiàng)連續(xù)程序，將低濃度廢氣吸附濃縮，而后脫附采用焚燒技術(shù)處理，處理效率達(dá)到99%以上。

3、結(jié)論

一

（1）汽車涂裝行業(yè)VOCs排放主要來(lái)自中涂和面漆噴涂、烘干過(guò)程，排放量主要受使用涂料、涂裝工藝、廢氣收集與處理措施影響。

（2）苯系物是汽車涂裝企業(yè)的重要組分，典型企業(yè)排放最高占比在33.2%-64.6%之間，其中最主要的成分是二甲苯，占噴涂車間占比10.3%-22.9%。近年來(lái)乙酸丁酯、異丙醇、丁醇等醇酯類等物質(zhì)廣泛用來(lái)代替苯系物溶劑，典型企業(yè)排放最高占比在29.6%-61.2%之間。

（3）大客車面漆普遍采用人工噴涂，車間密閉等污染控制措施較為薄弱，單位涂裝面積VOCs排放量達(dá)到300g/m2以上，而小轎車在40-60g/m2間。

（4）采用3C1B技術(shù)、水性免中涂等先進(jìn)涂裝工藝，并使用粉末涂料、水性涂料和高固體成分涂料等代替溶劑型涂料，能有效從源頭控制VOCs排放。采用干式漆霧分離技術(shù)、轉(zhuǎn)輪濃縮吸附-蓄熱式焚燒技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)VOCs去除率可達(dá)到99%以上。