汽車制造廢氣環保性控制技術及應用研究

王立勝 王 嘉 李劍琦

（北京奔馳汽車有限公司 北京 100176）

引言

近年來，全國各地惡劣天氣較為常見，霧霾天氣時有發生，城市空氣污染形勢依然嚴峻。同時，隨著經濟的發展和生活水平的提高，對汽車的需求將顯著增加。汽車市場的進入蓬勃發展時代，許多人發現汽車制造過程中會產生VOCs 和氮氧化物，并提出污染控制的新思路。揮發性有機化合物（VOCs）和氮氧化物是我國空氣污染物PM2.5 和O3的一些重要組成成分。VOCs 排放控制可以降低ρ（O3）和ρ（PM2.5），能夠對當地的環境改善帶來幫助。VOCs 主要分為烴類、醛類、酯類、醇類等，氮氧化物以熱力型為主，這些成分組成的化合物在空氣中的反應性也不同。噴漆是汽車行業最重要的VOCs 和氮氧化物排放環節，也是新一輪減排工作的重要目標。

了解VOCs 和氮氧化物廢氣排放特征不僅有助于防治空氣污染工作有用，而且對評估減少排放的效果也很有用，對選擇VOCs 和氮氧化物防治工藝具有一定的指導意義[1]。

1 汽車制造行業廢氣

1.1 揮發性有機物基本概念

揮發性有機化合物研究，李樹文[2]在他的研究中解釋說，世界衛生組織將VOCs 物理性質定義為在正常大氣壓環境下VOCs 的熔點小于正常的室溫、正常大氣壓環境下沸點要低于50-260°C 的有機化合物。在美國環境保護協會和其他組織中公布的VOCs 如、HCO 其他它能夠參與發生光化學反應的碳化合物。根據揮發性有機化合物的來源不同，可分天然地和和人造的。天然的排放物如植物代謝反應中釋放出天然來源的揮發性有機化合物，它是一種無法控制的排放物[3]。

表1 世界衛生組織（WHO）對VOCs的分類

1.2 汽車制造行業廢氣排放特征

汽車制造過程中的噴漆是汽車行業高能耗和高污染之間的紐帶。汽車涂裝工藝的一個典型步驟是預處理→陰極電泳→烘干→PVC→烘干→面漆（含中涂）→烘干。

面漆過去以溶劑型為主，隨著技術進步，進入了水性漆的時代，水性漆涂裝的工藝如下：

（1）水性3C2B 工藝，一般指的是中涂-烘干-色漆-清漆-烘干，也就是噴涂3 次（中涂，色漆，罩光漆），烘干2 次。

流程：水性中涂→中涂閃干→中涂烘干→水性色漆→色漆閃干→噴涂罩光漆→烘干。

（2）水性3C1B 工藝，一般指的是中涂和色漆濕碰濕噴涂，省去中涂烘干環節，工藝如下：中涂-色漆-罩光-烘干，也就是噴涂3 次（中涂，色漆，罩光漆），烘干1 次。

流程：水性中涂→中涂閃干→水性色漆→色漆閃干→噴涂罩光漆→烘干。

（3）B1B2（IP2）面中涂工藝，色漆噴涂兩次，B1 起到中涂功能，B2 起到色漆功能，濕碰濕噴涂，B1 和B2 之間，無閃干環節，并省去中涂烘干環節，工藝如下：B1-B2-罩光-烘干，也就是噴涂3 次（B1,B2,罩光漆），烘干1 次。

流程：B1→B2→色漆閃干→噴涂罩光漆→烘干。

汽車制造主要使用傳統的陰極電泳底漆+面漆。其中，陰極電泳底漆是不含鉛、錫等重金屬的環保涂料，水性漆主要含醇、醚、酯等水性溶劑、而溶劑型涂料則含有二甲苯、醇、酯等有機溶劑。因此，在電泳和面漆環節產生VOCs 污染物。根據國內外汽車制造商的經驗數據分析，在汽車的噴涂工藝中，大約有60%～75%的汽車制造產生的廢氣會在噴漆室揮發，比如，漆霧顆粒、VOCs 等；約25%～40%的VOCs 廢氣在烘干室里面產生，主要是醇、醚、酯、二甲苯等揮發性有機溶劑成分以及涂層交聯固化時熱分解產物[4]。

同時，汽車制造過程中，冬季廠房供熱、噴漆預處理供熱、噴漆室溫度調節空調以及各涂層烘干供熱，以燃燒天然氣為主，天然氣燃燒時不可避免產生熱力型氮氧化物，是氮氧化物排放的主要來源。

2 基礎防治措施

2.1 汽車噴漆VOCs源頭防治

汽車在使用環節，從南至北，面臨濕熱及嚴寒等考驗，因此，在汽車制造過程中，主要使用涂料等對車身金屬進行防腐和表面裝飾。

涂料是汽車行業VOCs 排放的源頭，在確保涂層性能前提下，進一步減少涂料的VOCs 含量有重要的意義[5]。

起到主要防腐作用的電泳漆，由單組分的溶劑型發展至雙組分的水性涂料，減少了VOCs 的使用和排放，涂料中起催化作用的重金屬鉛、錫等將逐步被替代。

起到表面防腐和裝飾作用的面漆涂層，已由低固含量的溶劑型，逐步發展成高固含溶劑型涂料和水性涂料。

目前，《車輛涂料中有害物質限量》GB24409-2020 發布，2020 年12 月1 日實施，低VOCs 涂料和PVC 膠的選用成為了企業必須的選擇，從國家層面推進汽車噴漆VOCs 源頭管控，更進一步減少VOCs排放[6]。

2.2 汽車噴漆VOCs 過程防治

過程防治，主要過程為提高涂料上漆率、選用合適的工藝處理過噴漆霧以及噴漆換色時廢溶劑的回收等。

傳統的手工噴漆，車身上漆率約20-35%，機器人靜電噴涂等可將上漆率提升至60-80%，噴漆全自動機器人噴涂成為主要的防治技術，提升涂料的利用率。

在過噴漆霧治理方面，2010 年前主流的漆霧治理技術為濕式文丘里處理技術，2010 年以后，干式噴漆工藝+循環風治理技術不斷涌現，如紙盒式和石灰石式干式噴漆。干式噴漆較濕式噴漆工藝，噴漆室密閉性能更好，漆霧濃縮效率高，漆渣等危廢更少，同時，循環風的使用，進一步降低噴漆室能耗。因此，干式噴漆成為首選的噴漆室工藝[7]。

同時，噴漆換色時，為避免顏色間污染，需使用溶劑沖洗噴漆管路，產生的廢溶劑需排放。若安裝廢溶劑回收系統，可以實現廢溶劑收集≥30%，將廢有機溶劑收集后當成危廢進行處置，減少了溶劑揮發進入到噴漆室廢氣中。是噴漆VOCs 過程防治的手段之一。

3 汽車噴漆VOCs 末端治理

汽車制造過程中，噴漆室排放的廢氣，含有大量VOCs，進口濃度約80-200mg/m3，同時，噴房的風量≥10 萬m3/h，屬于典型的大風量低濃度類型。烘干室排放的廢氣，VOCs 進口濃度約500-3000mg/m3，風量1 萬-6 萬m3/h，可直接焚燒治理。

3.1 噴漆室廢氣治理

適用于汽車噴漆室廢氣治理的主要技術為沸石轉輪吸附濃縮+天然氣焚燒爐。

沸石轉輪的特性為常溫吸附，高溫脫附。含VOCs的有機廢氣,進入到轉輪，在常溫狀態下，VOCs 分子被吸附在轉輪中，凈化后氣體進入排放煙囪排放。吸附有大量VOCs 的沸石轉輪緩慢轉動進入高溫脫附區，利用高溫廢氣將沸石轉輪上的VOCs 分子脫附出來，風機將脫附的廢氣送入焚燒爐，在高溫中，有機污染物分解成CO2和H2O。凈化后的廢氣，經過熱量回收系統后，并入煙囪排放[8]。該工藝可實現非甲烷總烴穩定≤25 mg/m3。

3.2 烘干室廢氣治理

烘干室廢氣濃度高，適用于焚燒爐直接焚燒，常用的有TAR 和RTO。通過燃燒將VOCs 分解為二氧化碳和水。這種方法治理效率高，操作方便，占地面積小，價格昂貴，用于處理高溫、高濃度的廢氣。

以RTO 工藝為例，蓄熱式燃燒系統由一個燃燒室、三組相同設計的再生層和三個三通換向閥組3RTO 系統結構及工藝流程。

蓄熱層填充蜂窩陶瓷蓄熱材料，廢氣進入蓄熱層預熱至一定的溫度。而后進入燃燒室進行熱氧化，氧化后的氣體溫度升高，有機物基本上轉化成二氧化碳和水。

凈化后的氣體，經過另一蓄熱體，溫度下降，達到排放標準后可以進行排放。不同蓄熱體通過切換閥或者旋轉裝置，隨時間進行轉換，分別進行吸熱和放熱。

在這個循環中，當氣體濃度較高時，產生的熱量足以滿足預熱下一次冷廢氣的要求，所以直接預熱下一次廢氣，滿足凈化要求。在此期間，系統不需要打開燃燒器進行額外加熱，凈化有機廢氣就能達到熱平衡。

4 點補室廢氣防治措施

汽車噴漆烘干完成后，漆膜固化起到裝飾和防腐作用。但不可避免出現小范圍的質量問題，經統計，約5%-15%的面漆車身，存在漆面缺陷，以及在裝配過程中可能導致漆膜損傷，因此在噴漆車間及總裝車間，設置點補間，對漆膜進行小范圍點補。點補在密閉的空間進行，且使用涂料，因此，也需要進行污染防治。

針對點補室涂料用量小，風量大，防治措施主要在排風系統上安裝漆霧氈和活性炭過濾，吸收漆霧顆粒的同時,通過活性碳吸附VOCs。

活性炭用于吸附劑的特點主要如下：孔徑分布量大，有著發達的微孔結構，表面積更大，故而表明能以及表面張力變得更大；疏水性能夠讓其在適度比較大的情況下依舊能夠活力滿滿；化學穩定性、熱穩定性較強。

整個吸附裝置與核心工具是內裝活性炭固定床，并且還有多類氣流分布器。修補室活性炭吸附裝置運用的是蜂窩狀活性炭磚砌堆放式裝填。作為一種全新的環保吸附材料，蜂窩把優質活性炭、輔助材料做成蜂窩狀方孔的過濾柱，以使產品具有較小的體積密度和較大的比表面積，在氣體動力學性能以及吸附性能方面都頗具優勢。

5 氮氧化物廢氣防治措施

上文中已闡述了汽車制造行業氮氧化物排放來源，防治措施如下。

冬季廠房供熱和噴漆預處理供熱，主要熱源來自于天然氣鍋爐，選用低氮燃燒技術的鍋爐或對已有鍋爐進行低氮燃燒改造，并增加煙氣循環，可將氮氧化物控制在≤30mg/m3以下，實現超低排放。

噴漆室溫度調節空調，風量≥10 萬m3/h，通過優化火焰形狀及優化噴漆室溫濕度控制邏輯，可節約天然氣并降低熱力型氮氧化物。

噴漆烘干環節使用天然氣加熱產生的氮氧化物，可對烘干室加熱箱參照鍋爐低氮燃燒技術進行優化，例如控制火焰形狀，降低火焰表面溫度，增加煙氣循環降低燃燒氧含量等。可將烘干室加熱的產生的氮氧化物排放由200 mg/m3下降至≤80mg/m3以下，實現氮氧化物減排。

在使用天然氣凈化VOCs 凈化環節（RTO 或焚燒爐等），處理風量在1-6 萬m3/h 之間，為確保達到VOCs 凈化溫度，天然氣在富氧環境下充分燃燒，氮氧化物控制較難。

凈化VOCs 的同時減少氮氧化排放的可行技術是目前研究的重點，某公司推出的無火焰蓄熱式氧化爐,可以實現電加熱，已在制藥等行業廣泛應用，未來可在汽車制造行業進行推廣，實現氮氧化物排放降低[9]。

結語

隨著汽車工業的發展，汽車工業產生的有機廢物的污染受到重視，其處理也是環境保護的主要領域之一。通過使用低VOCs 涂料、加強過程管控及末端治理，可降低VOCs 和氮氧化物排放，可以有效地控制汽車制造廢氣對環境的影響。