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表1 溶剂型汽车涂料涂装中VOC的排出比

注: (1) 采用水性涂料前, 车身涂装线各工序的VOC排出比。 (2) 汽车涂装线的溶剂使用比率。
 

    涂料所含的有机溶剂是涂装VOC排放的主要源头, 需要调查清楚我国涂料工业的年产量、有机溶剂耗用量、进出口涂料量;以及其中汽车工业用涂料的年产量;汽车工业 (各汽车公司) 采购涂料和有机溶剂量 (耗用量) 。统计计算出涂料·涂装行业的VOC排放总量, 汽车涂装行业的VOC排放总量。

3.汽车涂装清洁生产——VOC排放标准

    早在20世纪90年代汽车工业发达国家就制定了汽车涂装VOC排放法规。较著名的VOC排放限值法规有德国的TA-Lult (1998年) , 原有涂装线1995年45 g/m2 (2000年35 g/m2) , 新建涂装线35 g/m2;美国CAA (1990年) 大气净化法VOC排放限值:原有涂装线50 g/m2, 新建涂装线35 g/m2。《德国工程师协会规范》 (VDI 3455) :尘埃 (漆粒) 3 mg/m3;VOC排放限值:轿车车身35 g/m2, 商用车卡车驾驶室或厢式车身45 g/m2 (不包括车身总装后修补和喷防护蜡挥发的有机溶剂) 。
    各国的VOC排放限值列于图1中。
 

图1 各国的VOC限制值

    图1中EU、美国3个限值为:RACT现有污染源, VOC排放≥10 t/a, VOC排放限值为50 g/m2;BACT适用于VOC排放量≥100 t/a的新污染源, VOC排放限值为42 g/m2;LAER为最严的限值, 适用于VOC排放量≥100 t/a的新污染源, 且包括NOx、SO2、CO、VOC、PM共5种物质, VOC排放限值为35 g/m2。
    国内环保法规:GB 6297—1996《大气污染物综合排放标准》仅对苯、甲苯和二甲苯等的限制。2006年8月15日, 国家环保总局颁布的HJ/T 293—2006《清洁生产标准汽车制造业 (涂装) 》, 首次法定汽车涂装VOC排放限值, 它是按涂层类别 (2C2B、3C3B、4C4B、5C5B) 和3个水平对VOC排放规定了12个限值, 按先进水平 (国际、国内) VOC排放限值在30~80 g/m2。
    在近5年中环保要求严的省市制定了地区清洁生产法规, 所规定的VOC排放限值 (原有/新建) :轿车车身涂装, 北京≤20 g/m2, 天津40 g/m2 (原有) /≤20 g/m2 (新建) , 上海35 g/m2 (原有) /≤20 g/m2 (新建) , 广东省≤20 g/m2, 重庆≤35 g/m2 (原有) /20 g/m2 (新建) 。
    国内外汽车涂料·涂装行业清洁生产法规的涂装VOC排放限值, 通常都以单位涂装面积许可排放VOC量为标准, 单位为g/m2。

4.涂装面积、涂料耗用量和VOC排放量的计算

    监控涂装VOC排放状况是否达标, 一般是以每平方米涂装面积排出的VOC量和某时间段 (日、月或年) 内排出的VOC总量为基准。在涂装工程设计和建设过程中进行环保评估时都要精确计算涂装面积、涂料和有机溶剂的耗用量, 算出上两个监控目标值。它们的计算方法介绍如下。

4.1涂装面积的计算

    涂装面积一般是按实物或图纸实测, 可是有些被涂物 (如汽车车身) 的结构和形状复杂, 实测表面积较难, 再加上多层涂装体系, 且各涂层涂装不同就更难了。通常汽车车身的涂装面积以电泳涂装面积计算。汽车车身涂装的各涂层涂装面积不同 (如3涂层体系:阴极电泳底漆涂装面积是车身的总面积, 而中涂、面漆的喷涂面积约分别占车身总面积的25%和20%左右) 。因此当按汽车车身总面积作为涂装面积计算VOC限值时, 可不考虑3~5层的多涂层, 仅视作为2涂层即可。
    德国工程师协会规范VDI 3455是从被涂物 (车身) 质量、钢板的厚度和钢材的密度按式 (1) 计算表面面积:
 

    式中:F——汽车车身总面积, m2*;
    δ0——钢板的厚度, mm;
    M——汽车车身质量, kg;
    ρ——钢板的密度, g/cm3。
    注:*下列因素可忽略不计:钣金件在冲压时表面积的增大值, 在焊接部位双层板搭接面积和在车身制造过程中其他表面积的变化。
    当缺少汽车车身净重和钢板厚度的场合, 可按车种级别估算出车体的表面积, 如图2所示。

4.2涂料耗量和VOC排放量的计算

    在涂装工程设计和建设过程中进行环保评估时, 可按式 (2) ~ (4) 计算涂料的耗量和VOC的排放量。
 

图2 各级别轿车车身表面积
 

表2 不同涂装工艺体系的VOC排放量对比

图3 阴极电泳涂料 (CED) 、水性中涂、水性底色漆材料配套
 

    我国采用CED涂装工艺已有30多年, 技术成熟普及, 95%以上汽车车身打底涂装采用CED涂装。车身用CED涂料已发展到第三代 (薄膜超高泳透力型CED涂料) , 替代第二代 (高泳透力型CED涂料) , 因泳透力高不仅提高车身内腔涂装质量, 还提高车身外表面电泳涂膜的均匀性, 消除超值膜厚, 单台车身CED涂料耗用量下降20%左右 (见表3) 。
    中涂和底色漆的VOC排放量是汽车车身涂装工艺中最高的工序, 尤其底色漆产生的VOC量占50%以上 (请参见表1) , 它们实现水性化是汽车涂装VOC减排的关键节点。
 

表3 两代CED涂料的单车耗用量

注:该电泳涂膜厚度的工艺基准:外表面16~18μm、内表面13~15μm和隐蔽腔内表面8~14μm。

    近20年来汽车用水性涂料的技术进步很大, 当初遇到的问题 (如施工性能、涂膜质量、能耗、性价比等) 得到解决, 达到轿车涂装技术要求。国内已有20多条汽车车身涂装线的中涂、底色漆实现水性化, 这证明“三湿” (3C1B或免中涂) 水性涂装体系已是汽车涂装VOC减排方面最先进、成熟的典型工艺。国家有关部门颁布法规要求新建涂装线必须采用水性涂料的决策是正确的。
    水性罩光清漆因其涂膜的丰满度、装饰性和耐候性等性能较溶剂型罩光清漆稍差, 仅有个别厂家采用, 未普及。
    现今国内有些汽车厂按水性涂装体系设计建成的新涂装线, 在投产时仍用有机溶剂型涂料, 理由是水性涂装成本高, 实际上是环保意识差, 对VOC污染危害缺乏认识, 环保执法不严, 另外对水性涂装体系的认识不到位 (还停留在15年前) , 或攻关下功夫不够, 不敢实践, 强调“不成熟” (如参考文献[4]、[5]的观点) 。
    水性中涂和底色漆的价格偏高, 是否因暂耗用量大, 产量小, 或是洋品牌, 有的还需进口造成。希望中国涂料工业协会调查研究, 协调统筹供应物美价格合适的水性涂料, 为涂装VOC减排, 保卫蓝天做贡献。
注:*底色漆 (Basic coat, 缩写为BC) 是20世纪80年代为提高金属闪光色面漆的装饰性开发的双涂层面漆涂装工艺, 底色涂层+罩光涂层 (BC+CC) , 产生的涂料品种, 它属于色漆的一种。涂料划分为清漆和色漆两大类, 色漆是涂膜有色不透明 (含颜料) 的涂料的总称, 清漆是涂膜无色或有色透明涂料的总称。底色漆一般不能单独使用, 需与罩光清漆配套使用。现今汽车行业的金属闪光色面漆和水性面漆涂装工艺都采用双涂层涂装工艺, 本色面漆一般采用单涂层涂装, 也有采用双涂层涂装工艺。
    底色漆尚可细分为:BC0、BC1和BC2。BC0是预涂层, 具有中涂功能, BC1为第一道用, BC2为第二道用, BC1和BC2一般为同一漆种, 有时采用不同品种。

2.2其他低VOC型汽车涂料

2.2.1高固体分溶剂型涂料 (HSSB)

    高固体分涂料的施工性能、性价比与传统的溶剂型涂料 (中、低NV型) 相仿, 老涂装线采用HSSB, 不需要大的改造是其优势。优化配套好的HSSB涂装能达到≤35 g/m2VOC排放限值, 因其涂装施工清洗仍需用有机溶剂, 其耗用量还不小, 占轿车涂装VOC排放总量的20%~30% (参见表1) , 因此使HSSB涂装体系的VOC排放限量降到20 g/m2以下就困难了。
    笔者认为现有的溶剂型涂料的喷涂线采用HSSB涂料替换现用的中、低固体分溶剂型涂料是VOC减排的有效可行途径, 新建涂装线选用水性中涂和水性底色漆是上策。

2.2.2无溶剂涂料

    无溶剂涂料即不含有机溶剂的涂料, 如PVC涂料, 呈糊状, 采用高压无气喷涂或挤涂。在汽车工业中作为防声阻尼、抗石击涂层和焊缝密封胶用。

2.2.3粉末涂料

    粉末涂料在汽车车身涂装中用作中涂和罩光清漆, 德国宝马汽车公司曾建了两条车身粉末罩光涂装线, 据说已下马。在汽车金属零部件涂装领域采用粉末涂装, 是较彻底削减VOC的有效措施, 有普及应用的趋向。

3.机器人全自动静电喷涂技术替代手工空气喷涂和半自动静电喷涂

    无人化机器人全自动静电喷涂技术已在国内多条桥车车身喷涂线上采用。机器人自动静电喷涂能较大幅度地提高涂着效率 (20%~40%) , 降低涂料的耗用量 (提高涂料利用率) 和提高涂装一次合格率, 降低涂装返修量和修补涂装的涂料耗用量。因此机器人自动静电喷涂是中涂和面漆 (BC+CC) 喷涂线VOC减排的最有效的主要技术措施之一。

4.加强涂装现场生产管理, 降低有机溶剂耗用量

    如加强溶剂管理, 容器加盖, 减少溶剂挥发;改进换色装置和按色编组, 减少换色次数, 减少换色的涂料损失和清洗溶剂和耗用量;清洗溶剂的回收利用。加强涂装环境清洁度管理, 采用防尘措施, 提高涂装一次合格率;开展涂装无缺陷活动等。

5.末端治理

    汽车涂装废气 (VOC) 的末端治理主要是燃烧处理法。烘干室废气采用RTO (四元体) 或TAR (三元体) 焚烧设备直接燃烧处理;晾干室废气可作为“新鲜空气”补充入烘干室处理。喷漆室排风处理:排风循环使用, 排出15%~20%, 在喷涂水性涂料场合, 因VOC含量低一般就直接排放;在喷涂溶剂型涂料场合, 喷漆室排风在自动喷涂区段循环利用后, 经吸附浓缩 (如KPR废气净化处理装置) 后, 再燃烧处理 (RTO) 。

五、制定涂装V O C减排规划及目标值的建议

    可参照世界气候会议评价节能减排, 考核CO2温室气体排放量和清洁生产涂装VOC排放限值逐年减少方法, 制定涂装VOC减排规划及目标值。
    笔者建议:以2017年的涂料·涂装行业排放VOC的总量、汽车涂装排放VOC的总量和单位涂装面积排放VOC限值为基准, 制定适应国情的渐进式、分时段的评价指标值 (见表4) 。
 

表4 涂装VOC减排分时段规划

注: (1) 时段划分2018-2020年12月30日;2021-2025年;2026-2030年3个时段。 (2) 表中数据是推荐值, 可根据实情修改审定, 仅供参考。 (3) VOC排放总量可按日、月或年统计企业的涂料耗用量 (或采购量) 和有机溶剂耗用量, 按涂料耗用量×有机溶剂含有量 (%) +溶剂耗用量=VOC排放总量公式计算而得。单位涂装面积的VOC排放量 (g/m3) =VOC排放总量/单件被涂物涂装面积×涂装合格件产量。

六、结语

    涂装VOC减排规划应落实到省市和涂料涂装企业, 作为涂装工程环保评估和验收的依据, 平时环保监控是否达标的基准。
    环保部门和企业都应制定VOC减排的奖惩制度, 严格执法, 才能获得蓝天保卫战的胜利。

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