分析涂裝生產線的節能減排技術

錢路燕，馬輝，潘國峰

（中國聯合工程有限公司，杭州310051）

1 引言

在“中國制造2025”的時代背景下，資源的過度消耗和環境污染問題已經引起了政府和社會的廣泛關注。作為有機廢氣VOC 排放大戶的涂裝行業，其粗放型建設模式對能源等資源消耗巨大，環境污染甚為嚴重。據有關資料記載，我國的VOC 產量和CO2的排放量成倍的高于發達國家水平[1]。涂裝車間作為汽車整車工廠的4 大車間之一，其能源消耗占到總能耗的55%[2]，廢氣、廢水排放量占到總排量的80%以上。由此可見，作為工業發展重要環節的涂裝行業必將成為節能減排的排頭兵，走“綠色涂裝車間”的發展轉型之路。

2 涂裝車間的能耗情況及VOC 排放標準

一般整車生產主要包括沖壓、焊接、涂裝和總裝4 大車間。不同整車的涂裝工藝雖各有特點，但大都有前處理、電泳、PVC、底漆、色漆、清漆、烘干強冷等工藝，在這些工藝過程中，需要消耗大量的水、電、天然氣、蒸汽等能源，產生大量的VOC排放。其中，國外對汽車涂裝線的VOC 法規[3]如表1 所示。

表1 國際上汽車涂裝車間VOC 排放量限值

國內在2006 年國家環保總局頒布了HJ/T 293—2006《清潔生產標準汽車制造業（涂裝）》，首次對涂裝行業的VOC 排放設置了限值，各個省份也相繼出臺了一些地方法規，進一步推動了環保措施的落實。為更好地滿足環保標準的要求，本文從工藝、設備角度介紹了部分涂裝節能減排技術，同時，進一步探討關鍵技術的研究方向。

3 涂裝工藝改進

傳統的前處理工藝采用的是磷化技術，但它具有能耗高、磷鎳錳重金屬污染嚴重等缺點，所以，近年來，硅烷化技術、氧化鋯轉化膜技術作為新一代環保型前處理工藝技術迅速發展。氧化鋯轉化膜技術處理主要是在氟鋯酸溶液里，金屬表面凝聚沉積轉化成一種納米氧化鋯陶瓷膜涂層，它具有工藝簡短、成膜快、環保、質量穩定等優點。

硅烷化處理技術[4]是在金屬表面吸附1 層超薄的三維網狀結構的硅烷膜，同時形成Si-O-Me 共價鍵，它具有處理時間短、膜薄、沉渣少、無需表調鈍化工藝等特點。硅烷化技術的廢液無磷無重金屬，可以降低傳統磷化工藝的生產成本。但是，相比于磷化技術，硅烷工藝對工件以及其他設備的要求更加苛刻，例如，工件在硅烷之前必須打磨除銹干凈，否則，會影響處理效果，而磷化則未必；工件在硅烷水洗之后需要盡快烘干，否則，容易產生反銹等情況。

4 涂裝設備改進

4.1 噴漆室方面的節能減排技術

4.1.1 干式噴漆室的應用

干式噴漆室是采用干式漆霧捕集裝置來處理噴漆室的漆霧，它與濕式噴漆室相比，具有無需處理廢水、耗電少、不產生惡臭等優點。奧地利的一家公司開發出了一種經濟、高效、靈活的干式漆霧捕集裝置，如圖1 所示。該裝置具有以下優點：（1）環保節能降低成本；（2）漆霧吸附性能強，二次過濾使用時的吸附率達90%；（3）符合人機工程學要求，使噴漆室區域的噪聲降低15～20dB；（4）柔性化性能好，適用于所有油漆種類及大多數膠水材料；（5）操作簡單，可根據設計需要集成不同尺寸的模塊小車。

圖1 Edrizzi 過濾紙箱

4.1.2 廢氣處理技術的應用

噴漆室廢氣具有風量大、濃度低的特點，若直接采用燃燒處理，成本較高，一般先采用吸附法濃縮成高濃度的氣體，再采用高溫焚燒氧化處理。目前，吸附材料有沸石轉輪和活性炭2 種。

沸石轉輪的工作原理[5]是：噴漆室廢氣經多層過濾到達沸石轉輪濃縮，VOC 被吸附后的氣體可達標直排；經一段時間吸附后，轉輪達到飽和狀態，可由220℃的氣流進行脫附，此時脫附出來的VOC 濃度提至原先的3～20 倍，再將其送到蓄熱式焚燒爐RTO 進行高溫焚燒，最終形成潔凈氣體排放至大氣，如圖2 所示。經沸石轉輪系統后的廢氣VOC 處理效率能達到90%～95%，濃縮后的高濃度VOC 廢氣經蓄熱式焚燒爐RTO處理后，VOC 處理效率能達到98%以上。但是，整套設備的造價比較高，這是沸石轉輪普及受限的一大因素。

圖2 沸石轉輪吸附脫附示意圖

活性炭吸附的工作原理是將噴漆室廢氣經過濾裝置后，達到活性炭裝置的固體顆粒物潔凈要求，然后再進入活性炭裝置，使VOC 與活性炭充分接觸，利用活性炭對有機物質的強吸附性能將廢氣凈化，最后達標排放。吸附一段時間后達到飽和，此時對活性炭進行脫附再生，脫附出來的氣體通過催化燃燒裝置燃燒生成二氧化碳、水和部分的熱量。

4.2 烘干室方面的節能減排技術

烘干室設計合理選用烘干方式（對流、輻射加熱或者2 者混合形式），可以達到事半功倍的效果。比如，采用分段加熱的方式，前部分（約1/3 室體）采用紅外線輻射加熱的形式，后部分采用熱風循環加熱，如此便加快了工件的升溫速度，縮短了室體長度，節約能耗，還解決了因鏈速加快、漆膜固化不良而影響涂層質量的問題。但是，紅外線加熱對工件有一定的要求，例如，叉車的橋箱工件經過80℃紅外加熱后，制動拉線的橡膠材料變軟，因此，并不適合采用紅外線加熱。

4.3 強冷室方面的節能減排技術

強冷室設計按照輸送運行的方向，依次劃分為2 個及以上數量的區域：高溫排風冷卻段、循環風冷卻段（N 段或省略，根據需要設計）、低溫新風冷卻段（冷水制冷），即新風與輸送的方向互逆。這是由于工件剛進入強冷室時溫度比較高，若直接采用冷卻后的新風降溫，工件會有驟冷變形的風險，所以，先將室外的新風經過濾、冷卻降溫，送至強冷室的最后一段冷卻區，對已降溫的工件進行充分冷卻，接著再依次“逆行”進入強冷室中間區段，循環對工件進行降溫，最后達到強冷室的第一段后排出。這種逐級降溫的強冷模式不僅降低了工件的冷熱變形，還可達到節能環保的效果。

5 數字化設計技術的應用

隨著計算機數字化技術的發展，現有涂裝車間的布局與設計可以尋求到更短周期、更低成本、更高質量的解決方案。數字化設計技術可以提供三維可視化規劃平臺、工藝仿真平臺和流程分析平臺，為產品制造提供全套的虛擬制造技術支持。它相比于傳統設計有如下優點：

1）借助Inventor、3ds Max 等軟件的實時可視化功能，可以形象地展示涂裝工藝過程，更好地滿足客戶需求，便于促進決策者更快地做出決定。

2）借助有限元分析功能，可以做到設計的“有理有據”，實現設備的優化設計以及復雜模型的受力分析，充分結合軟件發揮競爭優勢。例如，某項目中吊具的性能優化和輕量化設計，采用傳統方法設計的吊具主梁需要長16.3m 的H 型鋼400mm×300mm，1.7t/掛，通過有限元分析計算[6]，在確保吊具強度和剛度的前提下，將吊具輕量化減至0.9t/掛（見圖3、圖4），結合8min 的節拍，烘干室單位時間內可少加熱6t 的金屬材料，同時也減輕了整個生產線輸送鋼構的負擔，使整個生產線設計實現了高效率、低能耗、降低運行成本的目標。

圖3 吊具輕量化前

圖4 吊具輕量化后

3）數字化設計的“碰撞檢查”技術能夠在設計階段快速準確地查找出有碰撞的管線或設備，及早地發現錯誤，例如，風管、輸送裝置等與原有廠房之間、管路與管路之間的干涉性檢查，可以避免讓錯誤進入現場并造成代價高昂的現場更改返工。

4）數字化設計提供的并行設計工具和平臺，可實現不同專業（輸送、拋丸、前處理、烘干、噴粉、電氣）之間的協同工作和信息交互，利用團隊的整體力量來提高工作效率和質量，縮短設計時間。

5）使用數字化設計技術進行精準建模，借助參數化變更管理，實時確保不同模型之間關聯參數的同時更新，提高了協調一致性及設計效率，實現了智能設計。

6）使用數字化技術可以便捷地統計設備材料、外購件等的工程量以及對供應商相關信息的管理，避免了人工統計既費時又出現錯誤等問題。

6 結語

涂裝車間系整車制造過程中的能耗大戶。本文針對涂裝車間的工藝、設備等方面的關鍵性節能減排技術進行了分析與研究，為涂裝車間的節能減排問題提出了一種更快、更準確、更低成本、高質量的解決方案——數字化設計技術，它是涂裝車間設計較有前景的發展方向。