汽車生產制造環節揮發性有機物減排探究

文_王宗明 盛挺松 曹軼 上汽大眾汽車有限公司

1 汽車制造業現狀

近年來中國汽車產量和涂料行業規模如圖1、圖2所示，根據中國涂料協會統計數據，2017年中國涂料產量達到2041萬t，至2020年中國涂料產量達到2459萬t。2020年受貿易戰及疫情影響，中國汽車產銷2522.5萬輛和2531.1萬輛，同比下降2.0%和1.9%，其中汽車整車制造廠涂料用量約65萬t，其中揮發性有機物排放量在14萬t左右。

圖1 2015～2020年中國涂料行業產量規模及增長情況

圖2 2015～2020年中國汽車行業產量規模及增長情況

生命周期評價（LCA）是一種對產品或工藝過程在整個生命周期內的直接和間接環境影響的技術方法，已經成為國際環境管理和產品設計的一項重要支持工具。生命周期評價已經開始用于評價汽車的環境兼容性，對汽車生產、汽車燃料生產、汽車使用和報廢處理全過程中資源消耗和引起的環境負擔進行評價。我國汽車領域的生命周期評價應用雖然起步較晚，研究體系的完整性較發達國家尚有一定的差距，近年來，許多學者從社會生命周期(S-LCA)及環境生命周期(E-LCA)等不同方向開展研究。在汽車整車生產制造過程中，涂裝車間的能耗占60%、VOCs排放占95%、CO2排放占60%。車輛制造生產階段環境的影響隨著近年來國家對環保的重視越發受到關注，本文從汽車全生命周期VOCs排放舉足輕重的生產制造環節進行研究，推動汽車工業生產制造污染防治和減碳環保。

2 汽車生產制造環節VOCs產生源

汽車整車制造工藝主要包含沖壓、動力總成（發動機或電池）、車身、涂裝和總裝等五大工藝，VOCs主要產生于噴涂、流平和烘干過程；此外電泳區排風、空腔發泡、調漆、溶劑擦洗、注蠟、漆膜修補、漆渣處理及干化、格柵及工裝載具清洗、噴漆室清潔維護、整車出廠檢測和產品研發發動機熱態試驗等過程產生少量的VOCs，注射、涂膠過程、部件組裝及產品裝配過程與黏合劑使用過程產生微量的VOCs。

近年來，汽車涂裝水性化技術已經越來越成熟，低甚至無VOCs排放的材料應用越來越普及。某公司汽車涂裝車間采用的是2010V水性漆工藝，整車內外表機器人自動噴涂。涂裝車間VOCs排放來源主要有：電泳和PVC烘房、面涂噴涂、面漆烘房、點修補等，表1所示為汽車制造過程中廢氣源。

表1 汽車生產工序VOCs廢氣源及收集方式

降低汽車制造過程中VOCs排放是綠色發展的基本方針，體現人與自然和諧共生。對汽車制造每個工藝流程進行環境影響分析，通過源頭控制，從源頭消除避免使用VOCs高排放的材料或尋找替代品，降低VOCs排放；過程減排，制造環節提高材料利用率，減少返工率；末端治理，提高VOCs收集效率，提高治理效率，降低制造過程中VOCs排放使其全生命周期的生態足跡最小化。

3 汽車生產制造環節VOCs減排

3.1 源頭控制

3.1.1 水性漆噴涂工藝

涂料類型直接影響到噴涂過程中VOCs排放水平，傳統溶劑型涂料溶劑成分高達75%～80%，VOCs質量占比含量高。水性漆稀釋劑主要成分是水，水性色漆VOCs質量占比為10%～15%，VOCs僅為傳統溶劑型涂料15%左右。圖3所示為溶劑和水性色漆主要成分對比。使用水性色漆替代溶劑型色漆，可使VOCs排放顯著下降，可從45g/m2降至7g/m2。高固體分涂料固體成分可達到為50%～60%，與傳統溶劑型涂料對比，VOCs削減量為 50%～60%。

圖3 色漆成分對比

3.1.2 高固體分水性漆

為進一步降低VOCs排放，選用更環保的涂料，在已有的水性雙組分色漆和水性單組分色漆基礎上引入水性高固體分色漆，高固體分色漆基本特點是高固含、低VOCs含量，低單耗，可有效減少單車VOCs排放，表2中的極地白色漆高固體分VOCs含量比雙組分低53%。

表2 水性極地白色漆主要參數對比

3.1.3 清洗溶劑減量及替代技術

壓縮空氣混合水性色漆清洗溶劑，通過壓縮空氣氣泡破裂瞬間產生的極大沖擊力，提高清洗效果。同時溶劑的清洗能力與溫度有關，在一定溶劑濃度下，搭建實驗模型擬合生產實際評價溶劑清洗能力，圖4的實驗結果可以看出溫度越高清洗能力越強，清洗越徹底。

圖4 不同溫度清洗溶劑清洗效果

為更進一步降低色漆清洗溶劑的VOCs排放，通過色漆材料成分分析，找出不易被清洗溶劑溶解的成分，并相應的改進水性漆清洗溶劑材料組分，將原色漆清洗溶劑中低沸點成分（正丁醇、乙二醇丁醚、二甲基丁醇胺等）改為高沸點的有機溶劑，使改進后的色漆清洗溶劑VOCs含量降為零，改進后的清洗力提升約5倍，不僅減少VOCs排放，同時減少單耗和節約成本。

3.2 過程控制

3.2.1 仿真技術在噴涂中應用

在質量優化需對噴涂軌跡/參數調整前，通過軟件仿真技術對噴涂軌跡/參數進行優化，找出原因并采取相應較優方案解決。在實際涂層建模中，通常將涂層看做一個拋物曲面，那么它的橫截面可以近似看成一條型如扇面的二次拋物曲線。扇面中部漆膜較厚邊緣較薄，為使漆膜厚度均勻一致，噴涂疊槍距離的把控就顯得尤為重要。設定幾種不同的疊槍距離值（20cm、30cm、40cm）得到不同的模擬結果，如圖5所示。

圖5 不同疊槍距離值模擬結果

從仿真結果重疊距離為30cm時涂層的均勻性最好，與實際噴板和調試車噴涂驗證，模擬結果與實際噴涂結果吻合，通過仿真技術的應用，縮減在線試噴調整的次數和噴涂材料耗費，極大減少VOCs排放。

3.2.2 噴涂工藝優化

降低涂料VOCs含量通常是向水性漆或高固體分兩個技術路線發展，傳統的涂裝工藝為“三涂層兩烘干”（3C2B）工藝，即“中涂-烘干-色漆-清漆-烘干”工藝，多次噴涂和烘干工序增加了涂料的使用量及VOCs排放量，目前國內外推廣使用一些新工藝，以期降低VOCs排放量。涂裝由不同類型中涂、底色漆、罩光清漆配套成的各種工藝體系的VOC排出量參見表3。

表3 不同涂裝工藝體系VOCs排放量對比

“2010V"工藝在“3C2B”工藝基礎上直接取消了中涂噴涂和中涂烘干兩個工序，水性色漆兼具中涂和色漆功能的組分，該工藝成膜總厚度一般比“3C2B”工藝成膜厚度更薄，因此進一步削減了能耗、涂裝成本及VOCs排放量。

3.2.3 選用高上漆率噴涂方式

噴槍噴涂效率高低直接影響涂料的單耗，繼而影響到VOCs排放量，高上漆率的噴槍可以有效減少過噴漆霧問題。表4列出了不同噴涂方式對應的上漆率，涂裝過程中應根據產品的形狀及材質，在滿足生產工況和工藝要求的前提下盡可能選擇高上漆率的噴涂方式。

表4 不同噴涂方式對應的上漆率

隨著噴涂技術不斷發展，無過噴技術Eco-Jet SE已成功批量應用于PVC產線，新的面漆噴涂技術Eco-Paint Jet在噴涂銳利的油漆線條時達到前所未有的噴涂精度，有效避免過噴漆霧，能有效解決汽車套色噴漆的高成本、高耗時、大量浪費的問題。Eco-Paint Jet技術目前正在測試，相信不久無過噴漆霧批量應用將成為現實。

3.2.4 生產組織管理

加強涂裝現場生產管理，如提高同色連噴率，改進換色裝置和按色編組集中生產，減少換色單次排漆量和換色次數。加強涂裝環境清潔度管理，有效采取防塵措施，提升一次報交合格率，降低整車返工率和點修補率，降低涂料單耗。加強材料管理，容器密封減少溶劑揮發。清洗溶劑通過超濾技術回收再利用。通過減少PVC及密封膠桶內材料殘膠量，優化工藝排膠程序，有效降低單車損耗量，減少生產制造環節的VOCs排放。結合生產工藝排布和廢氣性質等綜合因素，采用集風罩加強無組織廢氣收集處理。

3.3 末端治理

目前某廠采用的廢氣治理方法主要有兩種：一是活性炭吸附，二是沸石濃縮轉輪吸附+高溫燃燒法（KPR/TNV），前者適用于小風量（小于10萬m3/h），后者適用于大風量（大于10萬m3/h）。

3.3.1 活性炭吸附法

活性炭作為涂裝車間的廢氣吸附劑已經有很多年的應用，一般用于點修補、發動機、整車出廠檢測及黏合劑使用等工序產生的微少量VOCs的治理。

3.3.2 沸石濃縮轉輪及TNV燃燒技術

該技術適用于工況相對連續穩定的噴涂過程中產生的低濃度、大風量的廢氣治理，通過VOCs 濃縮裝置可以將低濃度、大風量的廢氣濃縮到高濃度、小風量，通過旋轉式吸附和熱回收燃燒技術，實現VOCs高效率處理，濃縮轉輪分成三個區域，為吸附區、解脫附區和冷卻區。高風量低濃度VOCs的廢氣吸人沸石轉輪濃縮系統，經過吸附和脫附區形成兩部分氣體，一部分高風量的潔凈氣體直接排入大氣中；另一部分低風量高濃度的VOCs廢氣進入TNV系統進行氧化焚燒處理轉化為CO2和水等煙氣達標排放，并通過熱交換器，將自身高溫煙氣的熱量回收用于加熱廢氣，還可通過配套的多級換熱裝置充分回收廢氣熱能，降低整個系統能耗。

4 結語

現代汽車制造行業技術不斷更新發展，新材料新技術推陳出新，推廣更加環保型涂料技術，如高固體分涂料、本色面漆更大范圍開發應用。追求精細化噴涂技術，提高原材料利用率，從原料替代、噴涂技術改善、生產組織管理和VOCs治理方式方減少VOCs排放。堅持把綠色可持續發展作為建設制造強國的重要著力點，加強節能環保技術、材料、工藝、裝備推廣應用，發展循環經濟，全面推行清潔生產，構建綠色環保的汽車生產制造體系。