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    涂裝生產中VOC綜合減排簡述

    日期:2020-09-18 信息來源:lm

    引言:涂層為金屬等材料提供裝飾和保護功能,涂裝是制造業核心生產工藝之一。傳統涂料在生產和施工中大量使用有機溶劑,溶劑最終揮發到大氣中。隨著我國大氣污染整治工作持續推進,NOx、SOx、PM等污染物濃度持續降低,臭氧已經成為上海等地區首要污染物。VOC(揮發性有機物)是生成臭氧,和SOA(二次有機氣溶膠)的關鍵前體物,SOA也將加劇PM2.5等微顆粒物濃度,以有機溶劑為代表的VOC排放控制日趨嚴格。

    隨著生態環境部《重點行業揮發性有機物綜合治理方案》等相關法規條例的頒布,各省市也相繼制定揮發性有機物治理工作條例或措施,其中工業涂裝都是重點整治行業。中國中車公司為實現環保生產,貫徹實施《中周中車生態保護污染防治三年行動方案》等文件要求,在涂裝VOC減排方面進行了大量的研究和實踐,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個方向。對于工業涂裝領域,三類措施需要綜合考慮,靈活運用;單獨從某一方面去實現達標排放,其經濟效益和環保效益均很難取得滿意的結果,不利于企業長期競爭力和綠色發展。

    1、源頭消減

    源頭消減是目前最受關注的方向,被認為是最有效的手段之一。源頭消減嚴格限制涂料中VOC含量,且使用污染更小的有機溶劑,許多省市紛紛出臺推進源頭減排政策。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險,最終不利于低VOC產品逐步推進。涂料中VOC限值應充分考慮當前技術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,替代有機溶劑,其涂裝施工配套設備與溶劑型涂料基本通用,施工技能要求基本相同,產品外觀接近,V0c降幅明顯,是目前最受關注的源頭消減方案。一般工業領域中使用的優質水性涂料,其VOC比傳統溶劑型產品下降80%甚至更多。水性涂料中的有機溶劑主要作為助溶劑,改善涂層成膜及施工性能,其對臭氧反應活性增量小于二甲苯等傳統溶劑,光化學反應水平較低。

    對于軌道交通車輛等集中連續生產車間,水性涂料涂裝中產生的廢氣直接排放難度較大,但后處理要求大幅降低。目前中車浦鎮公司城軌車輛涂裝已全部使用水性涂料,多年運行實踐表明:水性涂料施工穩定、性能可靠。水性涂料在某些細節上與溶劑型涂料差異明顯,切換后需要重點關注表面污染物、施工和干燥過程中的溫濕度、流掛及痱子等涂膜弊病、涂料運輸和存儲時的環境溫度、修補表面處理要求等。

    1.2粉末涂料

    粉末涂料是以固體粉末狀態施工到被涂物表面,整個過程不需要溶劑等作為分散介質,涂裝工序接近0VOC排放。應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異、性能卓越且綠色環保。

    粉末涂料在小型零部件涂裝領域發展迅速,部分大型簡單結構件也有應用。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160~200℃,同時地鐵等車體涂層多達3~4層,導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量,涂裝前少量膩子修補就能達到表面平整度要求,最終實現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,法拉第籠屏蔽效應導致局部復雜結構內部無法成膜,也限制了其推廣應用。

    總之,粉末涂料是環保高效的產品,目前在車體的部分金屬板材及內飾件已有成熟應用。隨著低溫固化及2C1B等技術的成熟,粉末涂料的應用范圍將進一步擴大。

    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80%甚至更高的涂料產品,而無溶劑型涂料其固體分則可能高達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成接近傳統溶劑型產品,所以在涂料成本、施工性能、涂層理化指標等方面均有顯著優勢。

    目前高固體分涂料產品黏度總體偏高,不添加稀釋劑施工,其涂膜外觀與傳統溶劑型產品及水性涂料尚有較大差距,對產品外觀有較高要求的軌道交通裝備等產品暫不適用。未來隨著高固低黏技術的發展,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現涂層固化的產品,濕膜中含有大量的稀釋劑,但大部分為不易揮發的活性單體,其固化后成為涂膜的重要組成部分,所以施工過程中VOC揮發量很少。

    輻射固化涂料環保、高效、節能,在木材、家具、地板、電子等行業應用廣泛。德國有使用UV涂料整車涂裝的報道,但國內目前還在探索階段,對于軌道交通裝備有以下難點:

    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,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)輻射強度。紫外光的輻射強度與被涂裝工件的距離和角度密切相關,而輻射強度又決定產品的固化時間和效果,各個部位獲得均勻的輻射,實現車體復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有機溶劑,而目前大部分單位廢氣處理限于噴涂車間和烘烤車間。調漆間涂料攪拌混合、混合后涂料轉運、露天小面積修補、施工工具清洗、廢棄物殘留VOC等過程的揮發需要納入相關管理規范中。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計,即送風風量略大于排風風量。當室體密封不良時,風機運行過程中不斷有含有機溶劑的氣體散逸到周邊空氣中。加強對生產相關區域內各個位置的VOC監控,不斷改進和完善收集措施,能有效降低有機溶劑的實際排放量。

    通過設計合理的涂膜配套,選用傳遞效率更高的噴涂設備、更科學的施工工藝方案、更環保的清清除油體系,降低調配及洗槍過程中涂料和溶劑浪費,降低由于涂膜弊病等返工產生的涂料使用量,最終也將減低后續排放壓力,同時也降低了生產成本。

    3、末端治理

    涂裝行業廢氣處理技術路線較多,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,需要根據實際排放要求、廢氣特點、需要處理總量及成本投資預算等綜合考慮選用。

    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溶劑的方法。當吸附達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現達標排放,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合其他處理方式,且運行維護成本高。

    燃燒法:包括熱力燃燒和催化燃燒,由于VOC去除效率高、穩定性好等,被廣泛推薦應用。

    TO直接燃燒:是指利用燃料產生高熱量,把有機溶劑直接燃燒而發生降解的處理方法,反應溫度一般超過900℃。

    CO催化燃燒:廢氣被加熱至可分解溫度,經過催化床被分解為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,有機溶劑被分解為CO2和H2O,同時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99%以上。一般適用于處理大風量、VOC濃度范圍在2~8g/m3的有機廢氣。與沸石轉輪濃縮等裝置聯用,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溶劑廢氣。設備首先通過吸附提高VOC濃度,催化劑同時降低反應活化能,提高反應速率,其反應溫度可降低到400℃以下,大幅減少設備運行過程中的能源消耗,且當廢氣濃度足夠高時,設備運行甚至不需要額外燃料。

    光催化法:催化劑表面吸附有機溶劑,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的種類及環境條件關聯較大。對于排放速度高、VOC含量大的工業有機廢氣,光催化法去除效率較低。某些光催化后最終產物中還包含了臭氧。

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

    4、結語

    當前VOC減排依然是我國大氣環境治理的重要內容之一,減排壓力依舊嚴峻,治理過程中,源頭消減、過程控制、末端治理缺一不可。根據各個工廠的實際排放特點及減排目標制定策略,是實現可持續發展和綠色發展的必然要求。VOC治理也只有通過系統性考慮、全流程分析以及認真落實才能實現有效減排和經濟減排。

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