涂裝生產(chǎn)中VoC綜合減排簡述

時(shí)間變成水 2020-09-18

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引言

涂層為金屬等材料提供裝飾和保護(hù)功能，涂裝是制造業(yè)核心生產(chǎn)工藝之一。傳統(tǒng)涂料在生產(chǎn)和施工中大量使用有機(jī)溶劑，溶劑最終揮發(fā)到大氣中。隨著我國大氣污染整治工作持續(xù)推進(jìn)，NOx、SOx、PM等污染物濃度持續(xù)降低，臭氧已經(jīng)成為上海等地區(qū)首要污染物。VOC(揮發(fā)性有機(jī)物)是生成臭氧，和SOA(二次有機(jī)氣溶膠)的關(guān)鍵前體物，SOA也將加劇PM2.5等微顆粒物濃度，以有機(jī)溶劑為代表的VOC排放控制日趨嚴(yán)格。

隨著生態(tài)環(huán)境部《重點(diǎn)行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物綜合治理方案》等相關(guān)法規(guī)條例的頒布，各省市也相繼制定揮發(fā)性有機(jī)物治理工作條例或措施，其中工業(yè)涂裝都是重點(diǎn)整治行業(yè)。中國中車公司為實(shí)現(xiàn)環(huán)保生產(chǎn)，貫徹實(shí)施《中周中車生態(tài)保護(hù)污染防治三年行動(dòng)方案》等文件要求，在涂裝VOC減排方面進(jìn)行了大量的研究和實(shí)踐，效果顯著。

目前VOC減排主要分為源頭消減、過程控制、末端治理3個(gè)方向。對于工業(yè)涂裝領(lǐng)域，三類措施需要綜合考慮，靈活運(yùn)用；單獨(dú)從某一方面去實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，其經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益均很難取得滿意的結(jié)果，不利于企業(yè)長期競爭力和綠色發(fā)展。

1、源頭消減

源頭消減是目前最受關(guān)注的方向，被認(rèn)為是最有效的手段之一。源頭消減嚴(yán)格限制涂料中VOC含量，且使用污染更小的有機(jī)溶劑，許多省市紛紛出臺(tái)推進(jìn)源頭減排政策。VOC含量降低能直接減少排放總量和排放濃度，但如果單一追求極小VOC含量，將導(dǎo)致涂料成本顯著上升，施工難度增加以及涂膜綜合性能下降的風(fēng)險(xiǎn)，最終不利于低VOC產(chǎn)品逐步推進(jìn)。涂料中VOC限值應(yīng)充分考慮當(dāng)前技術(shù)水平和成本承受能力。源頭消減選用的低VOC含量涂料主要包括：水性涂料、粉末涂料、高固體分(無溶劑)涂料及輻射固化涂料等。

1.1水性涂料

水性涂料采用水為分散介質(zhì)，替代有機(jī)溶劑，其涂裝施工配套設(shè)備與溶劑型涂料基本通用，施工技能要求基本相同，產(chǎn)品外觀接近，V0c降幅明顯，是目前最受關(guān)注的源頭消減方案。一般工業(yè)領(lǐng)域中使用的優(yōu)質(zhì)水性涂料，其VOC比傳統(tǒng)溶劑型產(chǎn)品下降80％甚至更多。水性涂料中的有機(jī)溶劑主要作為助溶劑，改善涂層成膜及施工性能，其對臭氧反應(yīng)活性增量小于二甲苯等傳統(tǒng)溶劑，光化學(xué)反應(yīng)水平較低。

對于軌道交通車輛等集中連續(xù)生產(chǎn)車間，水性涂料涂裝中產(chǎn)生的廢氣直接排放難度較大，但后處理要求大幅降低。目前中車浦鎮(zhèn)公司城軌車輛涂裝已全部使用水性涂料，多年運(yùn)行實(shí)踐表明：水性涂料施工穩(wěn)定、性能可靠。水性涂料在某些細(xì)節(jié)上與溶劑型涂料差異明顯，切換后需要重點(diǎn)關(guān)注表面污染物、施工和干燥過程中的溫濕度、流掛及痱子等涂膜弊病、涂料運(yùn)輸和存儲(chǔ)時(shí)的環(huán)境溫度、修補(bǔ)表面處理要求等。

1.2粉末涂料

粉末涂料是以固體粉末狀態(tài)施工到被涂物表面，整個(gè)過程不需要溶劑等作為分散介質(zhì)，涂裝工序接近0VOC排放。應(yīng)用較多的熱固性粉末涂料其成膜過程主要包括噴涂施工、加熱熔融、流平及固化等。粉末涂裝涂膜外觀優(yōu)異、性能卓越且綠色環(huán)保。

粉末涂料在小型零部件涂裝領(lǐng)域發(fā)展迅速，部分大型簡單結(jié)構(gòu)件也有應(yīng)用。軌道車輛車體涂裝中，粉末涂裝目前還有較大難度。粉末涂料固化溫度一般高達(dá)160~200℃，同時(shí)地鐵等車體涂層多達(dá)3～4層，導(dǎo)致粉末固化工序需要大量的能源和較大的烘烤車間投資。如果能提高車體表面質(zhì)量，涂裝前少量膩?zhàn)有扪a(bǔ)就能達(dá)到表面平整度要求，最終實(shí)現(xiàn)兩層粉末甚至多層粉末一次烘烤成膜，這樣能極大降低能耗成本，提高效率。粉末涂料多使用靜電噴涂施工，法拉第籠屏蔽效應(yīng)導(dǎo)致局部復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)部無法成膜，也限制了其推廣應(yīng)用。

總之，粉末涂料是環(huán)保高效的產(chǎn)品，目前在車體的部分金屬板材及內(nèi)飾件已有成熟應(yīng)用。隨著低溫固化及2C1B等技術(shù)的成熟，粉末涂料的應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大。

1.3高固體分(或無溶劑)涂料

高固體涂料一般指固體分高達(dá)80％甚至更高的涂料產(chǎn)品，而無溶劑型涂料其固體分則可能高達(dá)96％以上。從單位涂裝面積VOC排放比較，部分高固體分涂料排放量甚至低于水性涂料。高固體分涂料由于其涂料分散體系及配方構(gòu)成接近傳統(tǒng)溶劑型產(chǎn)品，所以在涂料成本、施工性能、涂層理化指標(biāo)等方面均有顯著優(yōu)勢。

目前高固體分涂料產(chǎn)品黏度總體偏高，不添加稀釋劑施工，其涂膜外觀與傳統(tǒng)溶劑型產(chǎn)品及水性涂料尚有較大差距，對產(chǎn)品外觀有較高要求的軌道交通裝備等產(chǎn)品暫不適用。未來隨著高固低黏技術(shù)的發(fā)展，以及使用低污染豁免溶劑，高固體分涂料也將成為軌道交通裝備綠色涂料的一個(gè)重要組成。

1.4輻射固化(UV)涂料

輻射固化涂料一般是指利用紫外光或電子束實(shí)現(xiàn)涂層固化的產(chǎn)品，濕膜中含有大量的稀釋劑，但大部分為不易揮發(fā)的活性單體，其固化后成為涂膜的重要組成部分，所以施工過程中VOC揮發(fā)量很少。

輻射固化涂料環(huán)保、高效、節(jié)能，在木材、家具、地板、電子等行業(yè)應(yīng)用廣泛。德國有使用UV涂料整車涂裝的報(bào)道，但國內(nèi)目前還在探索階段，對于軌道交通裝備有以下難點(diǎn)：

1)涂層厚度。光固化涂料需要在紫外光等照射下才能使涂層完成反應(yīng)，對深層固化和有色涂層固化有一定限制。地鐵用涂料中的顏填料比例較高，光線的穿透能力限制單層涂膜厚度，目前和軌道車輛單層膜厚50～60um的要求有較大的差距。

2)輻射強(qiáng)度。紫外光的輻射強(qiáng)度與被涂裝工件的距離和角度密切相關(guān)，而輻射強(qiáng)度又決定產(chǎn)品的固化時(shí)間和效果，各個(gè)部位獲得均勻的輻射，實(shí)現(xiàn)車體復(fù)雜部位均勻固化較困難。

2過程管控

不論水性涂料還是溶劑型涂料，施工時(shí)均有VOC釋放，過程管控極為重要。廣泛意義的過程管控包括兩個(gè)方面，一方面控制VOC散逸，另一方面降低VOC排放總量。

涂料從開桶混合攪拌就開始不斷向大氣中揮發(fā)有機(jī)溶劑，而目前大部分單位廢氣處理限于噴涂車間和烘烤車間。調(diào)漆間涂料攪拌混合、混合后涂料轉(zhuǎn)運(yùn)、露天小面積修補(bǔ)、施工工具清洗、廢棄物殘留VOC等過程的揮發(fā)需要納入相關(guān)管理規(guī)范中。更加重要的是，部分涂裝車間考慮潔凈度等原因，噴房和烘烤房為微正壓設(shè)計(jì)，即送風(fēng)風(fēng)量略大于排風(fēng)風(fēng)量。當(dāng)室體密封不良時(shí)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中不斷有含有機(jī)溶劑的氣體散逸到周邊空氣中。加強(qiáng)對生產(chǎn)相關(guān)區(qū)域內(nèi)各個(gè)位置的VOC監(jiān)控，不斷改進(jìn)和完善收集措施，能有效降低有機(jī)溶劑的實(shí)際排放量。

通過設(shè)計(jì)合理的涂膜配套，選用傳遞效率更高的噴涂設(shè)備、更科學(xué)的施工工藝方案、更環(huán)保的清清除油體系，降低調(diào)配及洗槍過程中涂料和溶劑浪費(fèi)，降低由于涂膜弊病等返工產(chǎn)生的涂料使用量，最終也將減低后續(xù)排放壓力，同時(shí)也降低了生產(chǎn)成本。

3末端治理

涂裝行業(yè)廢氣處理技術(shù)路線較多，主要包括活性炭吸附、分子篩吸附、沸石吸附等吸附法，直接燃燒(TO)、催化劑燃燒(CO)、蓄熱式催化燃燒(RCO)、蓄熱式熱氧化燃燒(RTO)等燃燒方案，以及光催化降解法、等離子處理等。每一種處理方法對于廢氣濃度要求、能源消耗、處理效率等有顯著差異，需要根據(jù)實(shí)際排放要求、廢氣特點(diǎn)、需要處理總量及成本投資預(yù)算等綜合考慮選用。

吸附法：利用活性炭、沸石、分子篩和氧化鋁等多孔性固體材料吸附并且分離有機(jī)溶劑的方法。當(dāng)吸附達(dá)到一定濃度后脫附處理獲得高濃度的廢氣，廢氣通過燃燒等方式處理實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，脫附的多孔材料又可以重新利用。此方法初始投資成本相對較低，但對于VOC處理量較大的涂裝車間適用性差，吸附材料再生需要結(jié)合其他處理方式，且運(yùn)行維護(hù)成本高。

燃燒法：包括熱力燃燒和催化燃燒，由于VOC去除效率高、穩(wěn)定性好等，被廣泛推薦應(yīng)用。

TO直接燃燒：是指利用燃料產(chǎn)生高熱量，把有機(jī)溶劑直接燃燒而發(fā)生降解的處理方法，反應(yīng)溫度一般超過900℃。

CO催化燃燒：廢氣被加熱至可分解溫度，經(jīng)過催化床被分解為CO2和H2O，溫度低于TO方案。

RTO蓄熱式熱氧化燃燒：將含有VOC的廢氣加熱到750℃以上，有機(jī)溶劑被分解為CO2和H2O，同時(shí)陶瓷蓄熱部件回收分解過程中釋放出的熱量，降低能源消耗。其分解效率高達(dá)99％以上。一般適用于處理大風(fēng)量、VOC濃度范圍在2～8g／m3的有機(jī)廢氣。與沸石轉(zhuǎn)輪濃縮等裝置聯(lián)用，能處理濃度更低的廢氣。

RCO蓄熱式催化燃燒：相比RTO，增加了催化劑裝置，能處理濃度更低的有機(jī)溶劑廢氣。設(shè)備首先通過吸附提高VOC濃度，催化劑同時(shí)降低反應(yīng)活化能，提高反應(yīng)速率，其反應(yīng)溫度可降低到400℃以下，大幅減少設(shè)備運(yùn)行過程中的能源消耗，且當(dāng)廢氣濃度足夠高時(shí)，設(shè)備運(yùn)行甚至不需要額外燃料。

光催化法：催化劑表面吸附有機(jī)溶劑，在紫外光的作用下，分解為CO2和H2O，此類方法的處理效率與VOC的種類及環(huán)境條件關(guān)聯(lián)較大。對于排放速度高、VOC含量大的工業(yè)有機(jī)廢氣，光催化法去除效率較低。某些光催化后最終產(chǎn)物中還包含了臭氧。

等離子處理：利用射頻放電產(chǎn)生高能量處理有機(jī)溶劑，有機(jī)溶劑被分解為原子、無毒分子或者自由基，最終全部轉(zhuǎn)化為無害產(chǎn)物的一種處理方法。

4結(jié)語

當(dāng)前VOC減排依然是我國大氣環(huán)境治理的重要內(nèi)容之一，減排壓力依舊嚴(yán)峻，治理過程中，源頭消減、過程控制、末端治理缺一不可。根據(jù)各個(gè)工廠的實(shí)際排放特點(diǎn)及減排目標(biāo)制定策略，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和綠色發(fā)展的必然要求。VOC治理也只有通過系統(tǒng)性考慮、全流程分析以及認(rèn)真落實(shí)才能實(shí)現(xiàn)有效減排和經(jīng)濟(jì)減排。

來源：VOCs治理減排技術(shù)

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