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工程机械涂装中挥发性有机化合物的治理形势与对策

时间:2019-04-17   访问量:43

    概述了国内VOCs治理政策形势,对工程机械行业涂装生产过程产生VOCs的环节进行了识别。讨论了源头控制、工艺控制和末端治理的VOCs减排效果及优缺点,对工程机械涂装VOCs减排途径的选择进行了分析。


    VOCs是挥发性有机化合物(volatile organic compounds)的英文缩写,主要包括烃类、氮烃、卤代烃、硫烃、含氧烃及低沸点的多环芳烃等,目前存在多种定义。VOCs 具有相对强的活性,是性质比较活泼的气体,在大气中既能以一次挥发物的气态存在,又能在紫外线照射下,在PM10颗粒物中变化而再次生成为固态、液态或二者并存的二次颗粒物。参与反应的这些化合物寿命较长,可以随着风吹雨淋等天气变化,或飘移扩散,或进入水和土壤,造成污染环境。VOCs成分复杂,目前已鉴定出的VOCs有300 多种,主要来自建筑装饰、有机化工、石油化工、包装印刷、表面涂装等行业。VOCs是主要的大气污染物之一,能够损害人体神经系统、血液成分和心血管系统,对人体健康和生态环境影响极大。


涂装作为汽车、船舶、轨道交通、集装箱、工程机械等行业生产制造中的一道重要工序,对产品的外观质量、防腐蚀性能有着重要的影响,但也成为了VOCs的重要来源。据相关研究统计,1999 年北京的VOCs固定源中,涂料行业占比48% 。另据2013 年相关报道,北京的汽车喷漆等工业喷涂污染占PM2.5的16.3%,在机动车尾气排放和煤炭燃烧排放之后位列第三;在济南的PM2.5构成中,二次污染转化占20.9%,而二次污染主要是使用工业涂料所致。为此,国家及地方政府都加大了对涂装VOCs的控制,引导企业采用低VOCs涂料,采用高效喷涂技术,并要求采取废气处理设施对涂装废气进行处理,达标后才能排放。目前各省市都将涂装VOCs作为治理的主要对象,不仅制定了针对性的排放标准,而且在相关治理方案中明确了具体措施。工程机械涂装也不例外,在许多省份的大气污染治理方案中被单列出来,并对其提出了针对性的治理措施及减排目标。


1 VOCs治理政策形势


1997年1月1日,根据《中华人民共和国环境保护法》颁布了GB 16297–1996《大气污染物综合排放标准》,对VOCs排放规定了限值。2010年6月1日发布的强制性国家标准GB 24409–2009《汽车涂料中有害物质限量》对汽车涂料中VOCs的含量进行了限制。2013年9月,国务院印发《大气污染防治行动计划》(国发[2013]37 号),明确“在石化、有机化学、表面涂装、包装印刷等行业实施挥发性有机物综合整治,“完善涂料、胶粘剂产品挥发性有机物限值标准,推广使用水性涂料”。


2015年6月8日,财政部、国家发展改革委、原环境保护部下发了关于印发《挥发性有机物排污收费试点办法》的通知(财税[2015]71 号),对部分行业开始征收VOCs排污费


2016年10月8日,由国家发展改革委、原环境保护部、工业和信息化部联合修编的《涂装行业清洁生产评价指标体系》在国家发展和改革委员会官网上公布,并于2016年11月1日起实行。该评价体系适用于汽车及其零部件、机电、家具(铁质)、工程机械等行业的有序涂装生产


2018年7月3日,国务院再次下发《打赢蓝天保卫战三年行动计划》(国发[2018]22 号),要求“挥发性有机物(VOCs)全面执行大气污染物特别排放限值”,其中第二十五条专门提出“实施VOCs专项整治方案”的要求,强调“重点区域禁止建设生产和使用高VOCs含量的溶剂型涂料”。


在生态环境部、发展改革委、工业和信息化部、公安部、财政部等多个部门与上海、江苏等省市联合下发的《长三角地区2018−2019年秋冬季大气污染综合治理攻坚行动方案》(环大气[2018]140号)中,区域内各地市都将工业涂装废气列为治理重点。


《广东省环境保护厅关于重点行业挥发性有机物综合整治的实施方案(2014−2017年)》(粤环[2014]130 号)要求:表面涂装行业提高低挥发性有机物含量的涂料使用比例,鼓励企业使用符合环保要求的水基型、高固分、粉末、紫外光固化等低VOCs含量的涂料;推动涉及工业涂装工艺的工业企业逐步采用新型和环保型涂装材料,使用先进可靠的涂装工艺技术及装备,降低单位产品的挥发性有机物排放量;各类表面涂装、烘干等产生VOCs废气的生产工艺应尽可能设置于密闭工作间内,集中排风并导入VOCs污染控制设备进行处理,无法设置密闭工作间的生产线应在VOCs 排放工段尽可能设置由集气罩、排风管道组成的排气系统;使用溶剂型涂料的汽车涂装工艺线、流平室、烘干室的VOCs废气收集率应不低于95%,其他使用溶剂型涂料的涂装工艺线的VOCs废气收集率应达到90%以上;VOCs污染控制装置应与工艺设施同步运转,宜采用吸附法、吸附浓缩−(催化)燃烧法、蓄热式直接焚烧法(RTO)、蓄热式催化焚烧法(RCO)等净化处理后达标排放,使用溶剂型涂料涂装工艺的VOCs去除率应达到90%以上。2018年4月10日,广东省印发了《广东省挥发性有机物(VOCs)整治与减排工作方案(2018−2020年)》(粤环发[2018]6号),工程机械被列在工业涂装VOCs 综合整治名单中,要求工程机械制造行业推广使用高固体分和粉末涂料,使用比例在2020年年底前达到30%以上,并试点推行水性涂料,积极采用自动喷涂、静电喷涂等先进涂装技术,加强有机废气的收集与治理,有机废气收集率不低于80%,建设吸附燃烧等高效治理设施,实现达标排放。


2018年1月22日,江苏省人民政府印发《江苏省挥发性有机物污染防治管理办法》(江苏省人民政府令第119号),其中第十五条要求:排放挥发性有机物的生产经营者应当履行防治挥发性有机物污染的义务,根据国家和省相关标准以及防治技术指南,采用挥发性有机物污染控制技术,规范操作规程,组织生产经营管理,确保挥发性有机物的排放符合相应的排放标准。第十七条又要求:挥发性有机物排放单位应当按照有关规定和监测规范自行或者委托有关监测机构对其排放的挥发性有机物进行监测,记录、保存监测数据,并按照规定向社会公开;监测数据应当真实、可靠,保存时间不得少于3 年。


2016年5月24日,山东省物价局、财政厅、环保厅联合下发《关于挥发性有机物排污收费等有关问题的通知》(鲁价费发[2016]47 号)。但是随着《关于停征排污费等行政事业性收费有关事项的通知》(财税[2018]4 号)的下发,《挥发性有机物排污收费试点办法》(财税[2015]71号)被宣布废止,山东省下发的《山东省物价局关于公布保留、废止和宣布失效的规范性文件目录的通知》(鲁价综发[2018]99号)中宣布“鲁价费发[2016]47 号”文件失效。其他省份出台的相关VOCs排放收费文件也都废止。下一步政策尚不明朗。


山东省涉及汽车行业的DB 37/ 2801.1–2016《挥发性有机物排放标准 第1 部分:汽车制造业》于2017年1 月1日开始执行。而2017年12月29日,山东省环境保护厅、山东省发展和改革委员会、山东省财政厅、山东省交通运输厅、山东省农业厅、山东省质量技术监督局联合下发《山东省“十三五”挥发性有机物污染防治工作方案》(鲁环发[2017]331号),明确要求工程机械行业“推广使用高固体分、粉末涂料,到2020年底前使用比例达到30%以上;试点推行水性涂料。积极采用自动喷涂、静电喷涂等先进涂装技术。加强有机废气收集与治理,有机废气收集率不低于80%,建设吸附燃烧等高效治理设施,实现达标排放”。2018年4月23日,涉及到工程机械行业的DB 37/2801.5–2018《挥发性有机物排放标准第5 部分:表面涂装行业》颁布,2018年10月23日开始实施。该地方标准较国家标准GB 16297–1996更加严格,见表1。



2018年8月3日,《山东省人民政府关于印发山东省打赢蓝天保卫战作战方案暨2013−2020年大气污染防治规划三期行动计划(2018−2020年)的通知》(鲁政发[2018]17 号)下发,要求“挥发性有机物(VOCs)全面执行大气污染物特别排放限值”,“加强环境质量和污染源排放VOCs 自动监测工作,强化VOCs执法能力建设,全面提升VOCs环保监管能力”。


《上海市挥发性有机物深化防治工作方案(2018−2020 年)》(沪环保防[2018]324 号)提出:工业行业全面推进低(无)VOCs含量原辅材料和产品源头替代,加快淘汰高挥发性溶剂生产使用;到2020年,汽车制造、包装印刷、家具、集装箱制造等重点行业推广低挥发性产品;到2020 年,全市工业涂装VOCs排放量比2015年减少50%以上。另外还要求工程机械制造行业:推广使用高固体分、粉末涂料;试点推行水性涂料,到2019 年低VOCs含量涂料使用比例达30%以上;积极采用自动喷涂、静电喷涂等先进涂装技术;加强有机废气收集与治理,有机废气收集率不低于80%;建设吸附燃烧等高效治理设施,实现达标排放。


除了下发打赢蓝天保卫战作战方案,各省市还陆续颁布了地方有机废气排放标准,有的专门针对工业涂装制定了地方标准,表2是部分已经颁布的涉及到工程机械涂装的地方废气排放标准。




一些省市虽然没有颁布涉及工程机械涂装的地方标准,但在下发的文件中对排放限制作了规定。如河南省污染防治攻坚战领导小组办公室在2018年11月9日印发的《全省大气污染防治重点项目和秋冬季错峰生产情况调研方案》的附件中公布了工业企业挥发性有机物排放建议值和重点行业超低排放限值,对表面涂装业有机废气排放口排放的苯、非甲烷总烃(NMHC)等浓度作了规定。


2 工程机械涂装的工艺流程及VOCs产生环节


传统的工程机械涂装分为零部件涂装和整机涂装,即零部件先进行底漆喷涂,装配后再进行整机面漆喷涂,如图1 所示。2000年以来,部分企业开始推行零部件面漆化装配,即零部件喷涂底漆和面漆后装配,整机不再整体喷涂面漆,只进行局部的找补,如图2所示。目前,不同企业、不同产品的面漆化水平不同,有的企业部分产品全部实现了零部件面漆化,有的仅仅是局部面漆化,也有的仍然采用传统的整机整体面漆工艺。



不论是采用底漆装配工艺流程还是采用面漆装配工艺流程,只要使用溶剂型涂料,在涂料施工及干燥过程中就会释放出VOCs。湖南、江苏、山东是国内工程机械产业高度集中的3 个省,但是目前这3个省的地方标准在表面涂装行业VOCs的排放指标上有一定差异。山东省颁布了涵盖工程机械行业的DB37/2801.5–2018,而湖南和江苏在已颁布的地方标准中没有具体包含工程机械的,只有专门针对汽车行业的DB 43/1356–2017《表面涂装(汽车制造及维修)挥发性有机物、镍排放标准》和DB32/ 2862–2016《表面涂装(汽车制造业)挥发性有机物排放标准》。


3 应对措施


机械涂装VOCs减排可分为源头减排(源头控制)、过程减排(工艺控制)和末端治理减排,主要方法如图3所示。



源头减排即采用低VOCs含量的涂料,如电泳涂料、粉末涂料、水性涂料、高固体分涂料等。从源头上不产生或少产生VOCs,是减排效果最好的途径,而且对涂装操作人员危害小。


过程减排是在涂料使用过程中采用高效的涂装工艺,如静电喷涂、浸涂等,提高涂料利用率,在施工过程中采用密闭容器存储涂料和溶剂,减少VOCs无效挥发。过程减排有一定效果,但变化范围大,作用很有限。


末端治理减排实际上是先产生,后治理,即对涂装生产过程产生的VOCs 进行收集处理,降低其浓度后进行排放。VOCs治理技术有两大类──回收和销毁涂装产生的VOCs一般浓度较低,回收难度大,回收价值低,因此以销毁为主。常见的销毁方法有燃烧、等离子体、光催化降解、生物降解等。


3.1 源头控制


采用不含VOCs或低VOCs涂料,就不产生或少产生VOCs,从而实现零排放或少排放。具体而言,粉末涂料和电泳涂料是目前涂料利用率最高、VOCs排放最低的两种涂料,因此是VOCs减排最好的选择。但是,电泳涂层和粉末涂层的烘干温度较高,仅适用于板材比较薄的工件,否则能耗过大。工程机械产品零部件只有少量的薄板件,大多数是中厚板件。对于驾驶室、发动机罩等薄板件,若采用电泳底漆+粉末面漆,可基本实现VOCs 的零排放。对于机架、工作装置等厚板件,采用水性底漆+水性面漆,也可实现VOCs 的源头减排。


需要指出的是,水性涂料虽然已经在汽车行业应用近10年,涂层性能指标也已不亚于溶剂型涂料涂层,但是其施工条件要求比较苛刻。汽车涂装生产线建设等级高,对温度、湿度等工艺条件控制严格,因此涂装质量稳定。而工程机械涂装线相对简单,对温度、湿度等工艺条件控制不十分严格,因此无法套用汽车水性涂料工艺。不过近年来轨道交通、集装箱、农机等行业也大范围采用水性涂料,这为工程机械中推广水性涂料提供了较好的借鉴。特别是自2013 年大气环境污染治理政策趋严以来,许多涂料厂家也开始加大水性涂料的研发,推出了面向工程机械的水性涂料产品,工艺窗口宽,推动了工程机械水性涂料的应用。目前,国内部分知名工程机械企业已经大范围使用水性涂料或开展水性涂料应用研究。


但是,水性涂料目前在工艺性上与溶剂型涂料相比还有很多差距。首先,水性涂料对被涂工件表面温度有要求,一般需要在15°C 以上,一些涂料厂家提供的涂料已经能在10°C 条件下施工。因此,采用水性涂料需要对已有涂装生产线进行改造,增设工件预热室,在冬季低温时对工件进行预热后才能进行喷涂。其次是水性涂料的漆膜干燥较慢。在同样的烘烤条件下,油漆漆膜已达到半硬干,而水性漆漆膜只能是指触表干。因此,将油漆切换为水性漆需进行设备改造及大量的工艺试验。


另外,水性漆仍然含有少量溶剂,根据各省市的排放标准,有的可能达标直接排放,有的有可能在排放速率上超标,还需要对废气进行收集处理。按照每小时使用30kg调配好的溶剂型涂料和水性涂料,以某品牌水性漆对VOCs排放速率及达标情况进行测算,结果见表3。如果排放速率要求在3.0kg/h及以上,每小时使用30kg调配好的水性涂料的话,VOCs排放速率不会超标,但如果排放速率的限值是2.4kg/h 及以下,就会超标。



从政策来看,水性涂料将是未来VOCs减排的主要方向。很多政策文件中都明确提出推广使用水性涂料。2015年1月26日,财政部与税务总局联合发布《关于对电池、涂料征收消费税的通知》(财税[2015]16号),对施工状态下挥发性有机物含量高于420 g/L的涂料征收消费税。2015年6月1日起,3项水性工业涂料产品行业标准──《水性聚氨酯涂料》(HG/T 4761–2014)、《水性环氧树脂防腐涂料》(HG/T4759–2014)和《水性丙烯酸树脂涂料》(HG/T 4758–2014)正式实施,这是我国水性工业涂料发展过程中又一个重要的里程碑。2016年6月21日,新的《国家危险废物目录》(原环境保护部令第39 号)由原环境保护部联合国家发展改革委员会、公安部发布,自2016年8月1日起执行,水性漆不再列入其中。另外,水性漆由于以水作为溶剂,对职业健康和安全生产而言都是最好的选择。而且,水性涂料的VOCs减排效果明显。据报道,12m的普通公交车更换为水性涂料后,每台车涂装产生的VOCs从4.10kg降至0.51kg,降幅达87.56%。2018年11月6日,福建省人民政府印发《福建省打赢蓝天保卫战三年行动计划实施方案》(闽政[2018]25号),鼓励重点行业企业开展生产工艺和设备水性化改造,加大水性涂料、粉末涂料等绿色、低挥发性涂料产品的使用,加快涂料水性化进程,从生产源头减少挥发性有机物排放。在《长三角地区2018−2019年秋冬季大气污染综合治理攻坚行动方案》中,上海将整车制造行业、汽车零部件以及涂料和油墨生产行业的低VOCs含量产品源头替代列为VOCs专项整治的主要任务,并在措施中明确禁止生产高VOCs含量有机溶剂型涂料、油墨和胶黏剂的新、改、扩建项目。


因此,对工程机械而言,采用水性漆虽然目前仍然存在工艺难点和能耗增加问题,但是其适应性比电泳涂装、粉末涂装要强,VOCs含量比高固体分涂料低得多,而且国家及各地政府也在倡导,因此是一种主流趋势。此外,天冬聚脲涂料作为一种新型涂料,在VOCs含量、涂层质量、综合成本、能量消耗、投资费用等综合评价方面优势明显,开始受到关注,但是在工程机械行业应用仍处于试验阶段。


3.2 工艺控制


工艺上控制主要是减少涂料浪费,提高利用率。普通空气喷涂的涂料利用率只有25% ~ 40%,大量涂料被浪费,同时消耗大量的溶剂,产生大量的VOCs。如果采用高效的喷涂工具,将涂料利用率提高,涂料消耗及VOCs排放也会减少。如图4所示,理论上(即利用率100%的情况下)需要使用1kg涂料的工件,如果利用率只有20%,那么实际需要5 kg涂料;如果利用率为30%,那么需要3.33kg 涂料;如果利用率提高至40%,那么需要2.5 kg涂料;如果利用率达到50%,那么2kg涂料即可。将涂料利用率从30%提高到40%,涂料消耗量减少0.83kg,相对减少25%;如果涂料利用率能从30%提高到70%,那么涂料消耗量将从3.33kg减少到1.43kg,相对减少57%。因此从理论上来看,通过提高涂料利用率来实现减排的空间很大。



不同涂装方式的涂料利用率见表4。虽然不同喷涂方式的涂料利用率差别很大,但受工件结构、外形喷涂尺寸等影响,想将空气喷涂都更换成无气喷涂或混气静电喷涂也不现实。比如,对于外形尺寸较小的零件,更换成无气喷涂后利用率不一定能提高,反而可能会更低。一般而言,喷涂尺寸较小的零件时,涂料利用率肯定会比喷涂大平面尺寸工件时低。对于小工件,除了可以通过吊具的设计优化,增加悬挂数量来提高涂料利用率,还可以采用浸涂方式,避免喷涂造成的浪费。通过喷涂顺序的优化也可以提高涂料利用率。另外,在涂料使用的过程中,应保持涂料及稀释剂容器的密闭,以减少溶剂的挥发。



3.3 末端治理


在溶剂型涂料仍然广泛应用的情况下,末端治理依然是一种有效的减排途径。末端治理的工艺方法很多,它们的处理效率差距大,适用的废气不同,处理成本也存在较大差异。因此在选择废气处理方法和装备时要充分调研,根据喷漆线排风量、用漆量、当地排放标准等来选择,并且应考虑处理成本高低、是否存在危废、运行是否安全等因素。一般来说,单一的废气处理工艺难以达到要求,因此需要采用组合处理工艺。表5 是部分有机废气处理工艺的比较,可供参考。



过去为了大气治理,许多地方采取了一刀切的方式。近年来,一些地方的环保部门开始区别对待,给予一些环保设施齐全、运行良好的企业一定的豁免政策,比如黄色预警时可以不停产而限产,但是对环保设施有特别要求,如要求涂装废气处理采用复合工艺才能获得豁免权。


对于VOCs减排计算,一些地方出台了具体的计算方法或标准。《浙江省工业涂装工序挥发性有机物排放量计算暂行方法》(浙环发[2017]30号)对不同涂装废气处理技术规定了不同的调整系数(见表6)。如果最终排放量与税费挂钩,那么企业应结合当地计算标准或方法,既要确保达标排放,又要考虑降低税费。


各地除了对涂装行业VOCs治理有总体要求之外,还对工程机械行业提出了专门的要求。比如《浙江省挥发性有机物深化治理与减排工作方案(2017−2020年)》、《山东省“十三五”挥发性有机物污染防治工作方案》和《广东省挥发性有机物(VOCs)整治与减排工作方案(2018−2020 年)》都要求工程机械推广使用高固体分和粉末涂料,到2020年年底前使用比例达到30%以上,试点推行水性涂料,积极采用自动喷涂、静电喷涂等先进涂装技术,加强有机废气收集与治理,有机废气收集率不低于80%,对采用溶剂型涂料的有机废气建设吸附燃烧等高效治理设施。



末端治理只能说是现阶段的一种补救措施,从长远来看,还得从源头控制着手。福建省人民政府印发的《福建省打赢蓝天保卫战三年行动计划实施方案》、生态环境部印发的《长三角地区2018−2019年秋冬季大气污染综合治理攻坚行动方案》、山西省人民政府办公厅印发的《关于开展2018−2019年秋冬季大气污染综合治理攻坚行动促进空气质量进一步改善的通知》(晋政办发电[2018]67号)、天津印发的《天津市2018−2019年秋冬季大气污染综合治理攻坚行动方案》(津政办发[2018]44 号)、浙江省发布的《浙江省打赢蓝天保卫战三年行动计划》(浙政发[2018]35 号)和江苏省印发的《江苏省打赢蓝天保卫战三年行动计划实施方案》(苏政发[2018]122号)都明确禁止建设生产和使用高VOCs含量的溶剂型涂料的项目。因此,不仅溶剂型涂料VOCs处理需要成本,而且溶剂型涂料的来源也会变窄。随着水性涂料的应用范围扩大,产能扩充,技术进步,以及工艺性能改善,其优势会不断加大。


4 结语


大气污染治理是一个长期的过程,短期内各项政策、标准不会放松。涂装工序VOCs作为大气处理的一个专项,标准、措施不断细化。打好蓝天保卫战,工程机械涂装责无旁贷,否则不仅仅是大气环境污染问题,还是企业正常生产经营问题。因此,工程机械涂装应积极主动地采取VOCs减排措施,将VOCs排放降低到符合国家、地方的标准要求,为打赢蓝天保卫战做出应有贡献。


源头控制是VOCs减排的最佳选择途径。但是,工件外形尺寸、质量、板材厚度等因素限制了电泳涂装、粉末涂装的应用,局限在驾驶室、油箱、机罩等薄板件上。因此,水性喷涂必然是工程机械涂装源头减排的发展方向,而且推广应用速度在加快。虽然目前水性涂料的成本与溶剂型涂料相比还较高,但许多地方已经在打赢蓝天保卫战三年行动计划或相关文件中明确禁止建设生产和使用高VOCs含量的溶剂型涂料的项目。因此,今后溶剂型涂料的成本优势会减弱,甚至消失。由此看来,即使采用了末端治理的企业,也需要将“油改水”纳入规划。


对于目前仍采用溶剂型涂料的企业,一定要参照地方相关标准,做好溶剂型涂料的使用记录和废气设备的运行记录并存档。


(来源:《电镀与涂饰》



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