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涂装生产中VOCs综合减排简述

2020-09-16 13:49:03 东莞市中仁环保科技有限公司 阅读

涂层为金属等材料提供装饰和保护功能,涂装是制造业核心生产工艺之一。传统涂料在生产和施工中大量使用有机溶剂,溶剂最终挥发到大气中。随着我国大气污染整治工作持续推进,NOx、SOx、PM等污染物浓度持续降低,臭氧已经成为上海等地区首要污染物。VOC(挥发性有机物)是生成臭氧,和SOA(二次有机气溶胶)的关键前体物,SOA也将加剧PM2.5等微颗粒物浓度,以有机溶剂为代表的VOC排放控制日趋严格。

随着生态环境部《重点行业挥发性有机物综合治理方案》等相关法规条例的颁布,各省市也相继制定挥发性有机物治理工作条例或措施,其中工业涂装都是重点整治行业。中国中车公司为实现环保生产,贯彻实施《中周中车生态保护污染防治三年行动方案》等文件要求,在涂装VOC减排方面进行了大量的研究和实践,效果显著。

目前VOC减排主要分为源头消减、过程控制、末端治理3个方向。对于工业涂装领域,三类措施需要综合考虑,灵活运用;单独从某一方面去实现达标排放,其经济效益和环保效益均很难取得满意的结果,不利于企业长期竞争力和绿色发展。

一、源头消减

源头消减是目前最受关注的方向,被认为是最有效的手段之一。源头消减严格限制涂料中VOC含量,且使用污染更小的有机溶剂,许多省市纷纷出台推进源头减排政策。VOC含量降低能直接减少排放总量和排放浓度,但如果单一追求极小VOC含量,将导致涂料成本显著上升,施工难度增加以及涂膜综合性能下降的风险,最终不利于低VOC产品逐步推进。涂料中VOC限值应充分考虑当前技术水平和成本承受能力。源头消减选用的低VOC含量涂料主要包括:水性涂料、粉末涂料、高固体分(无溶剂)涂料及辐射固化涂料等。

1.1水性涂料

水性涂料采用水为分散介质,替代有机溶剂,其涂装施工配套设备与溶剂型涂料基本通用,施工技能要求基本相同,产品外观接近,V0c降幅明显,是目前最受关注的源头消减方案。一般工业领域中使用的优质水性涂料,其VOC比传统溶剂型产品下降80%甚至更多。水性涂料中的有机溶剂主要作为助溶剂,改善涂层成膜及施工性能,其对臭氧反应活性增量小于二甲苯等传统溶剂,光化学反应水平较低。

对于轨道交通车辆等集中连续生产车间,水性涂料涂装中产生的废气直接排放难度较大,但后处理要求大幅降低。目前中车浦镇公司城轨车辆涂装已全部使用水性涂料,多年运行实践表明:水性涂料施工稳定、性能可靠。水性涂料在某些细节上与溶剂型涂料差异明显,切换后需要重点关注表面污染物、施工和干燥过程中的温湿度、流挂及痱子等涂膜弊病、涂料运输和存储时的环境温度、修补表面处理要求等。

1.2粉末涂料

粉末涂料是以固体粉末状态施工到被涂物表面,整个过程不需要溶剂等作为分散介质,涂装工序接近0VOC排放。应用较多的热固性粉末涂料其成膜过程主要包括喷涂施工、加热熔融、流平及固化等。粉末涂装涂膜外观优异、性能卓越且绿色环保。

粉末涂料在小型零部件涂装领域发展迅速,部分大型简单结构件也有应用。轨道车辆车体涂装中,粉末涂装目前还有较大难度。粉末涂料固化温度一般高达160~200℃,同时地铁等车体涂层多达3~4层,导致粉末固化工序需要大量的能源和较大的烘烤车间投资。如果能提高车体表面质量,涂装前少量腻子修补就能达到表面平整度要求,最终实现两层粉末甚至多层粉末一次烘烤成膜,这样能极大降低能耗成本,提高效率。粉末涂料多使用静电喷涂施工,法拉第笼屏蔽效应导致局部复杂结构内部无法成膜,也限制了其推广应用。

总之,粉末涂料是环保高效的产品,目前在车体的部分金属板材及内饰件已有成熟应用。随着低温固化及2C1B等技术的成熟,粉末涂料的应用范围将进一步扩大。

1.3高固体分(或无溶剂)涂料

高固体涂料一般指固体分高达80%甚至更高的涂料产品,而无溶剂型涂料其固体分则可能高达96%以上。从单位涂装面积VOC排放比较,部分高固体分涂料排放量甚至低于水性涂料。高固体分涂料由于其涂料分散体系及配方构成接近传统溶剂型产品,所以在涂料成本、施工性能、涂层理化指标等方面均有显著优势。

目前高固体分涂料产品黏度总体偏高,不添加稀释剂施工,其涂膜外观与传统溶剂型产品及水性涂料尚有较大差距,对产品外观有较高要求的轨道交通装备等产品暂不适用。未来随着高固低黏技术的发展,以及使用低污染豁免溶剂,高固体分涂料也将成为轨道交通装备绿色涂料的一个重要组成。

1.4辐射固化(UV)涂料

辐射固化涂料一般是指利用紫外光或电子束实现涂层固化的产品,湿膜中含有大量的稀释剂,但大部分为不易挥发的活性单体,其固化后成为涂膜的重要组成部分,所以施工过程中VOC挥发量很少。

辐射固化涂料环保、高效、节能,在木材、家具、地板、电子等行业应用广泛。德国有使用UV涂料整车涂装的报道,但国内目前还在探索阶段,对于轨道交通装备有以下难点:

1)涂层厚度。光固化涂料需要在紫外光等照射下才能使涂层完成反应,对深层固化和有色涂层固化有一定限制。地铁用涂料中的颜填料比例较高,光线的穿透能力限制单层涂膜厚度,目前和轨道车辆单层膜厚50~60um的要求有较大的差距。

2)辐射强度。紫外光的辐射强度与被涂装工件的距离和角度密切相关,而辐射强度又决定产品的固化时间和效果,各个部位获得均匀的辐射,实现车体复杂部位均匀固化较困难。

二、过程管控

不论水性涂料还是溶剂型涂料,施工时均有VOC释放,过程管控极为重要。广泛意义的过程管控包括两个方面,一方面控制VOC散逸,另一方面降低VOC排放总量。

涂料从开桶混合搅拌就开始不断向大气中挥发有机溶剂,而目前大部分单位废气处理限于喷涂车间和烘烤车间。调漆间涂料搅拌混合、混合后涂料转运、露天小面积修补、施工工具清洗、废弃物残留VOC等过程的挥发需要纳入相关管理规范中。更加重要的是,部分涂装车间考虑洁净度等原因,喷房和烘烤房为微正压设计,即送风风量略大于排风风量。当室体密封不良时,风机运行过程中不断有含有机溶剂的气体散逸到周边空气中。加强对生产相关区域内各个位置的VOC监控,不断改进和完善收集措施,能有效降低有机溶剂的实际排放量。

通过设计合理的涂膜配套,选用传递效率更高的喷涂设备、更科学的施工工艺方案、更环保的清清除油体系,降低调配及洗枪过程中涂料和溶剂浪费,降低由于涂膜弊病等返工产生的涂料使用量,最终也将减低后续排放压力,同时也降低了生产成本。

三、末端治理

涂装行业废气处理技术路线较多,主要包括活性炭吸附、分子筛吸附、沸石吸附等吸附法,直接燃烧(TO)、催化剂燃烧(CO)、蓄热式催化燃烧(RCO)、蓄热式热氧化燃烧(RTO)等燃烧方案,以及光催化降解法、等离子处理等。每一种处理方法对于废气浓度要求、能源消耗、处理效率等有显著差异,需要根据实际排放要求、废气特点、需要处理总量及成本投资预算等综合考虑选用。

吸附法:利用活性炭、沸石、分子筛和氧化铝等多孔性固体材料吸附并且分离有机溶剂的方法。当吸附达到一定浓度后脱附处理获得高浓度的废气,废气通过燃烧等方式处理实现达标排放,脱附的多孔材料又可以重新利用。此方法初始投资成本相对较低,但对于VOC处理量较大的涂装车间适用性差,吸附材料再生需要结合其他处理方式,且运行维护成本高。

燃烧法:包括热力燃烧和催化燃烧,由于VOC去除效率高、稳定性好等,被广泛推荐应用。

TO直接燃烧:是指利用燃料产生高热量,把有机溶剂直接燃烧而发生降解的处理方法,反应温度一般超过900℃。

CO催化燃烧:废气被加热至可分解温度,经过催化床被分解为CO2和H2O,温度低于TO方案。

RTO蓄热式热氧化燃烧:将含有VOC的废气加热到750℃以上,有机溶剂被分解为CO2和H2O,同时陶瓷蓄热部件回收分解过程中释放出的热量,降低能源消耗。其分解效率高达99%以上。一般适用于处理大风量、VOC浓度范围在2~8g/m3的有机废气。与沸石转轮浓缩等装置联用,能处理浓度更低的废气。

RCO蓄热式催化燃烧:相比RTO,增加了催化剂装置,能处理浓度更低的有机溶剂废气。设备首先通过吸附提高VOC浓度,催化剂同时降低反应活化能,提高反应速率,其反应温度可降低到400℃以下,大幅减少设备运行过程中的能源消耗,且当废气浓度足够高时,设备运行甚至不需要额外燃料。

光催化法:催化剂表面吸附有机溶剂,在紫外光的作用下,分解为CO2和H2O,此类方法的处理效率与VOC的种类及环境条件关联较大。对于排放速度高、VOC含量大的工业有机废气,光催化法去除效率较低。某些光催化后最终产物中还包含了臭氧。

等离子处理:利用射频放电产生高能量处理有机溶剂,有机溶剂被分解为原子、无毒分子或者自由基,最终全部转化为无害产物的一种处理方法。

四、结语

当前VOC减排依然是我国大气环境治理的重要内容之一,减排压力依旧严峻,治理过程中,源头消减、过程控制、末端治理缺一不可。根据各个工厂的实际排放特点及减排目标制定策略,是实现可持续发展和绿色发展的必然要求。VOC治理也只有通过系统性考虑、全流程分析以及认真落实才能实现有效减排和经济减排。

来源: VOCs治理减排技术



标签:   涂装VOCs综合减排 涂装废气处理