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  • 新聞資訊

    工程機械涂裝中揮發性有機化合物的治理形勢與對策

    時間:2019-04-17   訪問量:91

        概述了國內VOCs治理政策形勢,對工程機械行業涂裝生產過程產生VOCs的環節進行了識別。討論了源頭控制、工藝控制和末端治理的VOCs減排效果及優缺點,對工程機械涂裝VOCs減排途徑的選擇進行了分析。


        VOCs是揮發性有機化合物(volatile organic compounds)的英文縮寫,主要包括烴類、氮烴、鹵代烴、硫烴、含氧烴及低沸點的多環芳烴等,目前存在多種定義。VOCs 具有相對強的活性,是性質比較活潑的氣體,在大氣中既能以一次揮發物的氣態存在,又能在紫外線照射下,在PM10顆粒物中變化而再次生成為固態、液態或二者并存的二次顆粒物。參與反應的這些化合物壽命較長,可以隨著風吹雨淋等天氣變化,或飄移擴散,或進入水和土壤,造成污染環境。VOCs成分復雜,目前已鑒定出的VOCs有300 多種,主要來自建筑裝飾、有機化工、石油化工、包裝印刷、表面涂裝等行業。VOCs是主要的大氣污染物之一,能夠損害人體神經系統、血液成分和心血管系統,對人體健康和生態環境影響極大。


    涂裝作為汽車、船舶、軌道交通、集裝箱、工程機械等行業生產制造中的一道重要工序,對產品的外觀質量、防腐蝕性能有著重要的影響,但也成為了VOCs的重要來源。據相關研究統計,1999 年北京的VOCs固定源中,涂料行業占比48% 。另據2013 年相關報道,北京的汽車噴漆等工業噴涂污染占PM2.5的16.3%,在機動車尾氣排放和煤炭燃燒排放之后位列第三;在濟南的PM2.5構成中,二次污染轉化占20.9%,而二次污染主要是使用工業涂料所致。為此,國家及地方政府都加大了對涂裝VOCs的控制,引導企業采用低VOCs涂料,采用高效噴涂技術,并要求采取廢氣處理設施對涂裝廢氣進行處理,達標后才能排放。目前各省市都將涂裝VOCs作為治理的主要對象,不僅制定了針對性的排放標準,而且在相關治理方案中明確了具體措施。工程機械涂裝也不例外,在許多省份的大氣污染治理方案中被單列出來,并對其提出了針對性的治理措施及減排目標。


    1 VOCs治理政策形勢


    1997年1月1日,根據《中華人民共和國環境保護法》頒布了GB 16297–1996《大氣污染物綜合排放標準》,對VOCs排放規定了限值。2010年6月1日發布的強制性國家標準GB 24409–2009《汽車涂料中有害物質限量》對汽車涂料中VOCs的含量進行了限制。2013年9月,國務院印發《大氣污染防治行動計劃》(國發[2013]37 號),明確“在石化、有機化學、表面涂裝、包裝印刷等行業實施揮發性有機物綜合整治,“完善涂料、膠粘劑產品揮發性有機物限值標準,推廣使用水性涂料”。


    2015年6月8日,財政部、國家發展改革委、原環境保護部下發了關于印發《揮發性有機物排污收費試點辦法》的通知(財稅[2015]71 號),對部分行業開始征收VOCs排污費


    2016年10月8日,由國家發展改革委、原環境保護部、工業和信息化部聯合修編的《涂裝行業清潔生產評價指標體系》在國家發展和改革委員會官網上公布,并于2016年11月1日起實行。該評價體系適用于汽車及其零部件、機電、家具(鐵質)、工程機械等行業的有序涂裝生產


    2018年7月3日,國務院再次下發《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》(國發[2018]22 號),要求“揮發性有機物(VOCs)全面執行大氣污染物特別排放限值”,其中第二十五條專門提出“實施VOCs專項整治方案”的要求,強調“重點區域禁止建設生產和使用高VOCs含量的溶劑型涂料”。


    在生態環境部、發展改革委、工業和信息化部、公安部、財政部等多個部門與上海、江蘇等省市聯合下發的《長三角地區2018?2019年秋冬季大氣污染綜合治理攻堅行動方案》(環大氣[2018]140號)中,區域內各地市都將工業涂裝廢氣列為治理重點。


    《廣東省環境保護廳關于重點行業揮發性有機物綜合整治的實施方案(2014?2017年)》(粵環[2014]130 號)要求:表面涂裝行業提高低揮發性有機物含量的涂料使用比例,鼓勵企業使用符合環保要求的水基型、高固分、粉末、紫外光固化等低VOCs含量的涂料;推動涉及工業涂裝工藝的工業企業逐步采用新型和環保型涂裝材料,使用先進可靠的涂裝工藝技術及裝備,降低單位產品的揮發性有機物排放量;各類表面涂裝、烘干等產生VOCs廢氣的生產工藝應盡可能設置于密閉工作間內,集中排風并導入VOCs污染控制設備進行處理,無法設置密閉工作間的生產線應在VOCs 排放工段盡可能設置由集氣罩、排風管道組成的排氣系統;使用溶劑型涂料的汽車涂裝工藝線、流平室、烘干室的VOCs廢氣收集率應不低于95%,其他使用溶劑型涂料的涂裝工藝線的VOCs廢氣收集率應達到90%以上;VOCs污染控制裝置應與工藝設施同步運轉,宜采用吸附法、吸附濃縮?(催化)燃燒法、蓄熱式直接焚燒法(RTO)、蓄熱式催化焚燒法(RCO)等凈化處理后達標排放,使用溶劑型涂料涂裝工藝的VOCs去除率應達到90%以上。2018年4月10日,廣東省印發了《廣東省揮發性有機物(VOCs)整治與減排工作方案(2018?2020年)》(粵環發[2018]6號),工程機械被列在工業涂裝VOCs 綜合整治名單中,要求工程機械制造行業推廣使用高固體分和粉末涂料,使用比例在2020年年底前達到30%以上,并試點推行水性涂料,積極采用自動噴涂、靜電噴涂等先進涂裝技術,加強有機廢氣的收集與治理,有機廢氣收集率不低于80%,建設吸附燃燒等高效治理設施,實現達標排放。


    2018年1月22日,江蘇省人民政府印發《江蘇省揮發性有機物污染防治管理辦法》(江蘇省人民政府令第119號),其中第十五條要求:排放揮發性有機物的生產經營者應當履行防治揮發性有機物污染的義務,根據國家和省相關標準以及防治技術指南,采用揮發性有機物污染控制技術,規范操作規程,組織生產經營管理,確保揮發性有機物的排放符合相應的排放標準。第十七條又要求:揮發性有機物排放單位應當按照有關規定和監測規范自行或者委托有關監測機構對其排放的揮發性有機物進行監測,記錄、保存監測數據,并按照規定向社會公開;監測數據應當真實、可靠,保存時間不得少于3 年。


    2016年5月24日,山東省物價局、財政廳、環保廳聯合下發《關于揮發性有機物排污收費等有關問題的通知》(魯價費發[2016]47 號)。但是隨著《關于停征排污費等行政事業性收費有關事項的通知》(財稅[2018]4 號)的下發,《揮發性有機物排污收費試點辦法》(財稅[2015]71號)被宣布廢止,山東省下發的《山東省物價局關于公布保留、廢止和宣布失效的規范性文件目錄的通知》(魯價綜發[2018]99號)中宣布“魯價費發[2016]47 號”文件失效。其他省份出臺的相關VOCs排放收費文件也都廢止。下一步政策尚不明朗。


    山東省涉及汽車行業的DB 37/ 2801.1–2016《揮發性有機物排放標準 第1 部分:汽車制造業》于2017年1 月1日開始執行。而2017年12月29日,山東省環境保護廳、山東省發展和改革委員會、山東省財政廳、山東省交通運輸廳、山東省農業廳、山東省質量技術監督局聯合下發《山東省“十三五”揮發性有機物污染防治工作方案》(魯環發[2017]331號),明確要求工程機械行業“推廣使用高固體分、粉末涂料,到2020年底前使用比例達到30%以上;試點推行水性涂料。積極采用自動噴涂、靜電噴涂等先進涂裝技術。加強有機廢氣收集與治理,有機廢氣收集率不低于80%,建設吸附燃燒等高效治理設施,實現達標排放”。2018年4月23日,涉及到工程機械行業的DB 37/2801.5–2018《揮發性有機物排放標準第5 部分:表面涂裝行業》頒布,2018年10月23日開始實施。該地方標準較國家標準GB 16297–1996更加嚴格,見表1。



    2018年8月3日,《山東省人民政府關于印發山東省打贏藍天保衛戰作戰方案暨2013?2020年大氣污染防治規劃三期行動計劃(2018?2020年)的通知》(魯政發[2018]17 號)下發,要求“揮發性有機物(VOCs)全面執行大氣污染物特別排放限值”,“加強環境質量和污染源排放VOCs 自動監測工作,強化VOCs執法能力建設,全面提升VOCs環保監管能力”。


    《上海市揮發性有機物深化防治工作方案(2018?2020 年)》(滬環保防[2018]324 號)提出:工業行業全面推進低(無)VOCs含量原輔材料和產品源頭替代,加快淘汰高揮發性溶劑生產使用;到2020年,汽車制造、包裝印刷、家具、集裝箱制造等重點行業推廣低揮發性產品;到2020 年,全市工業涂裝VOCs排放量比2015年減少50%以上。另外還要求工程機械制造行業:推廣使用高固體分、粉末涂料;試點推行水性涂料,到2019 年低VOCs含量涂料使用比例達30%以上;積極采用自動噴涂、靜電噴涂等先進涂裝技術;加強有機廢氣收集與治理,有機廢氣收集率不低于80%;建設吸附燃燒等高效治理設施,實現達標排放。


    除了下發打贏藍天保衛戰作戰方案,各省市還陸續頒布了地方有機廢氣排放標準,有的專門針對工業涂裝制定了地方標準,表2是部分已經頒布的涉及到工程機械涂裝的地方廢氣排放標準。




    一些省市雖然沒有頒布涉及工程機械涂裝的地方標準,但在下發的文件中對排放限制作了規定。如河南省污染防治攻堅戰領導小組辦公室在2018年11月9日印發的《全省大氣污染防治重點項目和秋冬季錯峰生產情況調研方案》的附件中公布了工業企業揮發性有機物排放建議值和重點行業超低排放限值,對表面涂裝業有機廢氣排放口排放的苯、非甲烷總烴(NMHC)等濃度作了規定。


    2 工程機械涂裝的工藝流程及VOCs產生環節


    傳統的工程機械涂裝分為零部件涂裝和整機涂裝,即零部件先進行底漆噴涂,裝配后再進行整機面漆噴涂,如圖1 所示。2000年以來,部分企業開始推行零部件面漆化裝配,即零部件噴涂底漆和面漆后裝配,整機不再整體噴涂面漆,只進行局部的找補,如圖2所示。目前,不同企業、不同產品的面漆化水平不同,有的企業部分產品全部實現了零部件面漆化,有的僅僅是局部面漆化,也有的仍然采用傳統的整機整體面漆工藝。



    不論是采用底漆裝配工藝流程還是采用面漆裝配工藝流程,只要使用溶劑型涂料,在涂料施工及干燥過程中就會釋放出VOCs。湖南、江蘇、山東是國內工程機械產業高度集中的3 個省,但是目前這3個省的地方標準在表面涂裝行業VOCs的排放指標上有一定差異。山東省頒布了涵蓋工程機械行業的DB37/2801.5–2018,而湖南和江蘇在已頒布的地方標準中沒有具體包含工程機械的,只有專門針對汽車行業的DB 43/1356–2017《表面涂裝(汽車制造及維修)揮發性有機物、鎳排放標準》和DB32/ 2862–2016《表面涂裝(汽車制造業)揮發性有機物排放標準》。


    3 應對措施


    機械涂裝VOCs減排可分為源頭減排(源頭控制)、過程減排(工藝控制)和末端治理減排,主要方法如圖3所示。



    源頭減排即采用低VOCs含量的涂料,如電泳涂料、粉末涂料、水性涂料、高固體分涂料等。從源頭上不產生或少產生VOCs,是減排效果最好的途徑,而且對涂裝操作人員危害小。


    過程減排是在涂料使用過程中采用高效的涂裝工藝,如靜電噴涂、浸涂等,提高涂料利用率,在施工過程中采用密閉容器存儲涂料和溶劑,減少VOCs無效揮發。過程減排有一定效果,但變化范圍大,作用很有限。


    末端治理減排實際上是先產生,后治理,即對涂裝生產過程產生的VOCs 進行收集處理,降低其濃度后進行排放。VOCs治理技術有兩大類──回收和銷毀涂裝產生的VOCs一般濃度較低,回收難度大,回收價值低,因此以銷毀為主。常見的銷毀方法有燃燒、等離子體、光催化降解、生物降解等。


    3.1 源頭控制


    采用不含VOCs或低VOCs涂料,就不產生或少產生VOCs,從而實現零排放或少排放。具體而言,粉末涂料和電泳涂料是目前涂料利用率最高、VOCs排放最低的兩種涂料,因此是VOCs減排最好的選擇。但是,電泳涂層和粉末涂層的烘干溫度較高,僅適用于板材比較薄的工件,否則能耗過大。工程機械產品零部件只有少量的薄板件,大多數是中厚板件。對于駕駛室、發動機罩等薄板件,若采用電泳底漆+粉末面漆,可基本實現VOCs 的零排放。對于機架、工作裝置等厚板件,采用水性底漆+水性面漆,也可實現VOCs 的源頭減排。


    需要指出的是,水性涂料雖然已經在汽車行業應用近10年,涂層性能指標也已不亞于溶劑型涂料涂層,但是其施工條件要求比較苛刻。汽車涂裝生產線建設等級高,對溫度、濕度等工藝條件控制嚴格,因此涂裝質量穩定。而工程機械涂裝線相對簡單,對溫度、濕度等工藝條件控制不十分嚴格,因此無法套用汽車水性涂料工藝。不過近年來軌道交通、集裝箱、農機等行業也大范圍采用水性涂料,這為工程機械中推廣水性涂料提供了較好的借鑒。特別是自2013 年大氣環境污染治理政策趨嚴以來,許多涂料廠家也開始加大水性涂料的研發,推出了面向工程機械的水性涂料產品,工藝窗口寬,推動了工程機械水性涂料的應用。目前,國內部分知名工程機械企業已經大范圍使用水性涂料或開展水性涂料應用研究。


    但是,水性涂料目前在工藝性上與溶劑型涂料相比還有很多差距。首先,水性涂料對被涂工件表面溫度有要求,一般需要在15°C 以上,一些涂料廠家提供的涂料已經能在10°C 條件下施工。因此,采用水性涂料需要對已有涂裝生產線進行改造,增設工件預熱室,在冬季低溫時對工件進行預熱后才能進行噴涂。其次是水性涂料的漆膜干燥較慢。在同樣的烘烤條件下,油漆漆膜已達到半硬干,而水性漆漆膜只能是指觸表干。因此,將油漆切換為水性漆需進行設備改造及大量的工藝試驗。


    另外,水性漆仍然含有少量溶劑,根據各省市的排放標準,有的可能達標直接排放,有的有可能在排放速率上超標,還需要對廢氣進行收集處理。按照每小時使用30kg調配好的溶劑型涂料和水性涂料,以某品牌水性漆對VOCs排放速率及達標情況進行測算,結果見表3。如果排放速率要求在3.0kg/h及以上,每小時使用30kg調配好的水性涂料的話,VOCs排放速率不會超標,但如果排放速率的限值是2.4kg/h 及以下,就會超標。



    從政策來看,水性涂料將是未來VOCs減排的主要方向。很多政策文件中都明確提出推廣使用水性涂料。2015年1月26日,財政部與稅務總局聯合發布《關于對電池、涂料征收消費稅的通知》(財稅[2015]16號),對施工狀態下揮發性有機物含量高于420 g/L的涂料征收消費稅。2015年6月1日起,3項水性工業涂料產品行業標準──《水性聚氨酯涂料》(HG/T 4761–2014)、《水性環氧樹脂防腐涂料》(HG/T4759–2014)和《水性丙烯酸樹脂涂料》(HG/T 4758–2014)正式實施,這是我國水性工業涂料發展過程中又一個重要的里程碑。2016年6月21日,新的《國家危險廢物目錄》(原環境保護部令第39 號)由原環境保護部聯合國家發展改革委員會、公安部發布,自2016年8月1日起執行,水性漆不再列入其中。另外,水性漆由于以水作為溶劑,對職業健康和安全生產而言都是最好的選擇。而且,水性涂料的VOCs減排效果明顯。據報道,12m的普通公交車更換為水性涂料后,每臺車涂裝產生的VOCs從4.10kg降至0.51kg,降幅達87.56%。2018年11月6日,福建省人民政府印發《福建省打贏藍天保衛戰三年行動計劃實施方案》(閩政[2018]25號),鼓勵重點行業企業開展生產工藝和設備水性化改造,加大水性涂料、粉末涂料等綠色、低揮發性涂料產品的使用,加快涂料水性化進程,從生產源頭減少揮發性有機物排放。在《長三角地區2018?2019年秋冬季大氣污染綜合治理攻堅行動方案》中,上海將整車制造行業、汽車零部件以及涂料和油墨生產行業的低VOCs含量產品源頭替代列為VOCs專項整治的主要任務,并在措施中明確禁止生產高VOCs含量有機溶劑型涂料、油墨和膠黏劑的新、改、擴建項目。


    因此,對工程機械而言,采用水性漆雖然目前仍然存在工藝難點和能耗增加問題,但是其適應性比電泳涂裝、粉末涂裝要強,VOCs含量比高固體分涂料低得多,而且國家及各地政府也在倡導,因此是一種主流趨勢。此外,天冬聚脲涂料作為一種新型涂料,在VOCs含量、涂層質量、綜合成本、能量消耗、投資費用等綜合評價方面優勢明顯,開始受到關注,但是在工程機械行業應用仍處于試驗階段。


    3.2 工藝控制


    工藝上控制主要是減少涂料浪費,提高利用率。普通空氣噴涂的涂料利用率只有25% ~ 40%,大量涂料被浪費,同時消耗大量的溶劑,產生大量的VOCs。如果采用高效的噴涂工具,將涂料利用率提高,涂料消耗及VOCs排放也會減少。如圖4所示,理論上(即利用率100%的情況下)需要使用1kg涂料的工件,如果利用率只有20%,那么實際需要5 kg涂料;如果利用率為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;如果利用率達到50%,那么2kg涂料即可。將涂料利用率從30%提高到40%,涂料消耗量減少0.83kg,相對減少25%;如果涂料利用率能從30%提高到70%,那么涂料消耗量將從3.33kg減少到1.43kg,相對減少57%。因此從理論上來看,通過提高涂料利用率來實現減排的空間很大。



    不同涂裝方式的涂料利用率見表4。雖然不同噴涂方式的涂料利用率差別很大,但受工件結構、外形噴涂尺寸等影響,想將空氣噴涂都更換成無氣噴涂或混氣靜電噴涂也不現實。比如,對于外形尺寸較小的零件,更換成無氣噴涂后利用率不一定能提高,反而可能會更低。一般而言,噴涂尺寸較小的零件時,涂料利用率肯定會比噴涂大平面尺寸工件時低。對于小工件,除了可以通過吊具的設計優化,增加懸掛數量來提高涂料利用率,還可以采用浸涂方式,避免噴涂造成的浪費。通過噴涂順序的優化也可以提高涂料利用率。另外,在涂料使用的過程中,應保持涂料及稀釋劑容器的密閉,以減少溶劑的揮發。



    3.3 末端治理


    在溶劑型涂料仍然廣泛應用的情況下,末端治理依然是一種有效的減排途徑。末端治理的工藝方法很多,它們的處理效率差距大,適用的廢氣不同,處理成本也存在較大差異。因此在選擇廢氣處理方法和裝備時要充分調研,根據噴漆線排風量、用漆量、當地排放標準等來選擇,并且應考慮處理成本高低、是否存在危廢、運行是否安全等因素。一般來說,單一的廢氣處理工藝難以達到要求,因此需要采用組合處理工藝。表5 是部分有機廢氣處理工藝的比較,可供參考。



    過去為了大氣治理,許多地方采取了一刀切的方式。近年來,一些地方的環保部門開始區別對待,給予一些環保設施齊全、運行良好的企業一定的豁免政策,比如黃色預警時可以不停產而限產,但是對環保設施有特別要求,如要求涂裝廢氣處理采用復合工藝才能獲得豁免權。


    對于VOCs減排計算,一些地方出臺了具體的計算方法或標準。《浙江省工業涂裝工序揮發性有機物排放量計算暫行方法》(浙環發[2017]30號)對不同涂裝廢氣處理技術規定了不同的調整系數(見表6)。如果最終排放量與稅費掛鉤,那么企業應結合當地計算標準或方法,既要確保達標排放,又要考慮降低稅費。


    各地除了對涂裝行業VOCs治理有總體要求之外,還對工程機械行業提出了專門的要求。比如《浙江省揮發性有機物深化治理與減排工作方案(2017?2020年)》、《山東省“十三五”揮發性有機物污染防治工作方案》和《廣東省揮發性有機物(VOCs)整治與減排工作方案(2018?2020 年)》都要求工程機械推廣使用高固體分和粉末涂料,到2020年年底前使用比例達到30%以上,試點推行水性涂料,積極采用自動噴涂、靜電噴涂等先進涂裝技術,加強有機廢氣收集與治理,有機廢氣收集率不低于80%,對采用溶劑型涂料的有機廢氣建設吸附燃燒等高效治理設施。



    末端治理只能說是現階段的一種補救措施,從長遠來看,還得從源頭控制著手。福建省人民政府印發的《福建省打贏藍天保衛戰三年行動計劃實施方案》、生態環境部印發的《長三角地區2018?2019年秋冬季大氣污染綜合治理攻堅行動方案》、山西省人民政府辦公廳印發的《關于開展2018?2019年秋冬季大氣污染綜合治理攻堅行動促進空氣質量進一步改善的通知》(晉政辦發電[2018]67號)、天津印發的《天津市2018?2019年秋冬季大氣污染綜合治理攻堅行動方案》(津政辦發[2018]44 號)、浙江省發布的《浙江省打贏藍天保衛戰三年行動計劃》(浙政發[2018]35 號)和江蘇省印發的《江蘇省打贏藍天保衛戰三年行動計劃實施方案》(蘇政發[2018]122號)都明確禁止建設生產和使用高VOCs含量的溶劑型涂料的項目。因此,不僅溶劑型涂料VOCs處理需要成本,而且溶劑型涂料的來源也會變窄。隨著水性涂料的應用范圍擴大,產能擴充,技術進步,以及工藝性能改善,其優勢會不斷加大。


    4 結語


    大氣污染治理是一個長期的過程,短期內各項政策、標準不會放松。涂裝工序VOCs作為大氣處理的一個專項,標準、措施不斷細化。打好藍天保衛戰,工程機械涂裝責無旁貸,否則不僅僅是大氣環境污染問題,還是企業正常生產經營問題。因此,工程機械涂裝應積極主動地采取VOCs減排措施,將VOCs排放降低到符合國家、地方的標準要求,為打贏藍天保衛戰做出應有貢獻。


    源頭控制是VOCs減排的最佳選擇途徑。但是,工件外形尺寸、質量、板材厚度等因素限制了電泳涂裝、粉末涂裝的應用,局限在駕駛室、油箱、機罩等薄板件上。因此,水性噴涂必然是工程機械涂裝源頭減排的發展方向,而且推廣應用速度在加快。雖然目前水性涂料的成本與溶劑型涂料相比還較高,但許多地方已經在打贏藍天保衛戰三年行動計劃或相關文件中明確禁止建設生產和使用高VOCs含量的溶劑型涂料的項目。因此,今后溶劑型涂料的成本優勢會減弱,甚至消失。由此看來,即使采用了末端治理的企業,也需要將“油改水”納入規劃。


    對于目前仍采用溶劑型涂料的企業,一定要參照地方相關標準,做好溶劑型涂料的使用記錄和廢氣設備的運行記錄并存檔。


    (來源:《電鍍與涂飾》



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