汽車涂裝車間碳排放量化分析

摘要：以汽車制造車間中的涂裝車間為研究對象，開展車間碳排放量化分析，研究結果對于涂裝車間的綠色發展具有重要的意義。首先，提出了以生產系統為邊界的碳排放量化方法，建立了一種結合碳排放量化及碳效益評估的涂裝車間碳排放分析模型。其次，基于生態效率的概念提出的碳效益的概念，從質量、產量、收益3個維度對碳排放分析進行補充。最后，以具體企業數據為例進行實例分析，得出核算結果，幫助企業改進工藝、提高能源利用效率和減少污染物排放。

關鍵詞：涂裝車間；碳排放；量化；綠色；碳收益

中圖分類號：U461 收稿日期：2024-01-15

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.04.023

1 前言

汽車行業是我國國民經濟支柱行業之一，我國汽車產銷總量已經連續10多年穩居全球第一[1]。然而汽車在使用過程中會排放大量尾氣，是溫室氣體的重要排放源[2]。對于碳排放問題，我國力爭于2030年前二氧化碳排放達到峰值[3]。本文以涂裝車間為研究對象，細化涂裝車間碳排放量化邊界后，整理并建立涂裝車間碳排放量化的基礎數據庫與核算模型。從產量、質量、成本3個角度對碳排放結果進行分析，彌補單純以碳排放量為標準而脫離企業生產實際的缺陷。

2 涂裝車間碳排放量化建模機碳效益評估

2.1 涂裝車間碳排放邊界

對于涂裝車間來說，主要生產系統包括前處理、電泳、密封、中涂、面漆和后處理等工序[4]。輔助生產系統是指其他輔助生產過程和為生產提供服務的部分，如圖1所示。

2.2 碳排放量化的基本方法

針對不同對象的碳排放量化有不同的方法，如表1所示。

2.3 汽車涂裝車間碳排放量化模型

涂裝車間的總碳排放Ctotal即為各階段碳排放的總和：

式中，[Cothers]為輔助生產系統的碳排放；i為主要生產系統各工藝階段；[Cli]為工藝階段i的間接碳排放；[CDi]為工藝階段i的直接碳排放；[CWi]為工藝階段i處理污染物而產生的碳排放。

2.4 涂裝車間碳排放量化方法

2.4.1 各工藝階段簡介碳排放量化方法

計算間接碳排放量，需確定工藝階段i中物料或能源j的消耗量及其碳排放因子，工藝階段i的間接碳排放量可按下式計算：

式中，n為消耗的物料/能源種類數；[Eij]為工藝階段i中物料或能源j一年的消耗量，kg或m3；[CEFij]為第j種物料或能源的當量碳排放因子，kgCO2e/kg或kgCO2e/m3。

2.4.2 各工藝階段直接碳排放量化方法

依據國標GBT2589—2020[5]中提供的綜合能耗量化方法，工藝階段i直接碳排放CDi可由下式計算：

式中，[Qi]為各工藝階段的熱損耗，kJ/h；k為天然氣加熱系統的補償系數，一般取1.1～1.3；[Cn]為天然氣單位熱值的含碳量，tC/Tj；[On]為天然氣燃燒過程中碳的氧化效率。

2.4.3 各工藝階段污染物處理碳排放量化方法

a.廢水處理碳排放量化。

廢水的含碳氣體全部以甲烷的形式排出，各工藝階段的甲烷排放[EiCH4]估算公式：

式中，[Ei]為工藝階段的廢水排放量；[Si]為工藝階段i排放廢水的化學需氧量，mg/L；[Sstd]為地區污水排放標準中的COD值；MCF為甲烷的排放因子，kgCH4/kgCOD。再采用IPCC的核算方法將甲烷排放量轉化為二氧化碳排放當量。

式中，[Cww]為廢水處理過程的碳排放；[GWP]為甲烷的全球暖化潛勢值。

b.廢氣處理碳排放量化。

在計算廢氣處理過程的碳排放時，主要考慮廢氣中的VOC燃燒后產生的碳排放，以及這一過程產生熱量所節約的能源的碳排放當量：

式中，[Cwg]為廢氣處理過程的碳排放；[Ei]為工藝階段i的廢氣排放量；[Vi]為工藝階段i廢氣中VOC的濃度，mg/L；η為VOC去除效率；[CEFi]為處理揮發性有機物的碳排放因子；[er]為重新進入生產系統的熱力碳排放當量。

2.4.4 輔助生產系統碳排放量化方法

輔助生產系統一年的碳排放量Cothers可由下式計算：

式中，[Ee、Eg]為輔助生產系統一年的電力及天然氣消耗量，kW·h、m3；[CEFe]為電力的碳排放因子，kgCO2e/kW·h；[Hg]為天然氣的平均低位發熱值；[Cg]為天然氣單位熱值的含碳量；[Og]為天然氣燃燒過程中碳的氧化效率。

2.5 涂裝車間碳收益評估方法

a.質量碳收益。

質量碳效益的定義是在某一生產周期內汽車涂裝一次合格率與涂裝車間碳排放量的比值。

式中，[CEm]為質量碳效益；[FRR]為涂裝一次合格率；[Ctotal]為某一生產周期內的碳排放量。

b.產量碳收益。

產量碳效益的定義是在某一生產周期內涂裝車間的總產量與碳排放量的比值，具體公式如式所示。

式中，[CEy]為產量碳效益；[Y]為某一生產周期內的車間產量。

c.收益碳收益。

收益碳效益的定義是在某一生產周期內涂裝車間的總收益與碳排放量的比值，具體公式如下。

式中，[CEp]為收益碳效益；[P]為某一生產周期內的車間收益；[Ctotal]為某一生產周期內的碳排放量。

3 案例分析

對所研究的涂裝車間的生產情況、物料及能源消耗和廢棄物產生情況進行調查分析如下：

a.涂裝車間年產20萬輛，凈節拍40JPH（臺/h），全年工作250天，兩班制生產，每天工作時間20 h。

b.涂裝工藝采用3C2B水性涂裝工藝加2 k清漆（原漆：稀釋劑：固化劑=2∶1∶1）。

c.噴漆廢氣通過轉輪+焚燒爐處理后排放，同時對熱量進行回收，熱回收效率達50%。

3.1 涂裝車間碳排放量化

根據上述數據代入式（1）～式（7）可得到該涂裝車間一年的二氧化碳排放量及每輛車的涂裝碳排放當量，如表2所示。

3.2 涂裝車間碳收益評估

在本次涂裝車間碳效益評估時，將生產周期定義為一天，記錄連續5個生產周期的產量、返修量、一次合格率、成本、收益、碳排放量等，產量、返修量及一次合格率來自于當天的車間生產記錄，碳排放量計算按照本文介紹的碳排放量化方法計算，計算得到表3。將數據代入本文建立的涂裝車間碳收益評估方法可得各類型碳效益，結果如表4所示。

為了便于對比分析，需對所有結果進行歸一化處理，故選擇極差化方法。公示如下：

式中，[yi]為處理后的數據；i為第i個生產周期；[xi]為處理前的數據；[X]為不同類型碳效益的結果集。

碳排放量及各類型碳收益分析對比如圖2所示。

4 結語

Cycle Time1的排放最低，但其收益碳效益不如Cycle Time3；Cycle Time4雖然產量較高但合格率低，所以它的質量碳效益及收益碳效益都是最低的；Cycle Time5的產量高、合格率也較高。本文建立的各類型碳效益評估方法可作為涂裝車間減排降碳措施的評估指標，助于解決涂裝車間生產過程中各種生產活動產生的碳排放與經濟效益的綜合考量問題。

參考文獻：

[1]中國汽車工業協會.2022年汽車工業產銷情況[EB/OL].（2023-01-12）[2023-03-15].http：//www.caam.org.cn/chn/4/cate_32/con_5236639.html.

[2]國務院辦公廳.國務院辦公廳關于印發新能源汽車產業發展規劃（2021—2035年）的通知[EB/OL].（2020-11-02）[2023-03-15].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2020-11/02/content_5556716.htm.

[3]習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上發表重要講話[EB/OL].（2020-09-22）[2023-03-15].http：//www.gov.cn/xinwen/2020-09/22/content_5546168.htm.

[4]吳貴根，王宗田，陳良印，等.新車型涂裝制造工藝可行性分析[J].上海涂料，2023，61（5）：67-69.

[5]綜合能耗計算通則[S].

作者簡介：

孫碩，男，2002年生，碩士研究生在讀，研究方向為綠色設計與制造。