重点工业涂装行业VOCs减排路径与潜力评估

挥发性有机物(VOCs)是生成近地面臭氧(O3)的重要前体物，已成为包括中国在内的不同地区近地面O3生成的主要驱动因素，据研究，大多数危险的VOCs排放均来自人为源，其中苯、甲苯、乙苯和二甲苯是对人类毒性最大的挥发性有机物之一，主要来自化工行业以及溶剂使用等，鉴于其对环境和人类健康的不利影响，必须减少VOCs人为源排放。 人为源中，工业涂装行业大量使用油墨、稀释剂和油墨清洁剂等溶剂，研究表明，2018年、2019年我国工业涂装行业VOCs排放量分别为349.8×10…^4、331.0×10^4t，其VOCs排放占工业源VOCs排放总量的20%以上，且工业涂装行业VOCs排放量仍呈现持续增长态势。工业涂装行业在生产过程中所使用的涂料，尤其是溶剂型涂料，是造成挥发性有机物排放的重要污染源之一，尤其是部分成分(如甲苯、对二甲苯、丁烯、丁二烯和丙酮等)为中高等光化学活性的VOCs，是近地面大气臭氧形成的主要因素。 工业涂装VOCs排放主要来自汽车、设备制造、家具制造等行业，废气产生量大、成分复杂、浓度波动大，治理较为困难，2019年生态环境部印发的《重点行业挥发性有机物综合治理方案》中明确指出工业涂装行业是需要全面加强VOCs综合治理的重点行业之一。因此，开展工业涂装VOCs减排研究，在行业内实施有效的VOCs控制策略是当前重要的研究方向。 国内外对工业涂装行业的研究主要集中在工业涂装VOCs排放及影响因素、减排技术评价及不同措施的VOCs减排效果及潜力、VOCs排放组分以及对健康的影响等。而针对中国工业涂装行业挥发性有机物无组织排放量大、末端处理成本高、水性等低VOCs涂料能更有效地促进污染减排的状况，尚缺少全过程减排效率评价或个性化措施的评估以及减排潜力测算。该研究选取重点工业涂装行业，开展VOCs治理技术评估，识别VOCs治理的薄弱环节，开展VOCs深度减排策略和减排潜力研究，提出不同工业涂装行业全过程控制技术路线建议，旨在为工业涂装行业VOCs全过程控制提供参考和支持。 一、研究方法和数据 1.1研究对象 当前工业涂装行业主要废气污染物控制方法包括工艺改进和末端治理技术，为评价工业涂装行业各环节技术对废气污染物排放的影响，该研究选取家具、汽车整车、汽车零部件、集装箱、机械制造、船舶、钢结构等行业，针对其源头替代、涂装工艺、技术和设备、无组织排放收集以及末端治理等方面，开展调查实测研究。 1.2样品采集及分析 源头替代方面，该研究收集重点行业不同工序、不同类型涂料样本，测算涂料达标率在40%~92%之间，与其他研究调查结果相近。该研究假设各行业不同涂料中VOCs含量为《低挥发性有机物含量涂料产品技术要求》(GB/T38597—2020)中主要产品类型最高限量值，通过不同类型产品替换，测算源头替代减排潜力。 涂装技术和设备方面，根据2017年北京市家具制造、国内某汽车生产企业使用不同涂装技术设备前后的漆膜干质量、涂料固含量、涂料使用量等测算VOCs减排效果，遵循《涂料固体含量测法》(GB/T—2007)等标准方法。 无组织控制技术方面，对北京市5家、河北省1家、河南省1家木质家具制造企业，采用基于氢火焰离子化检测器（FID）法的便携式VOCs分析仪，按照《环境空气和废气总烃、甲烷和非甲烷总烃便携式监测仪技术要求及检测方法》(HJ1012—2018)要求开展无组织排放浓度实测分析。选取自然通风车间、密闭喷漆房、水帘柜排风等典型的无组织排放收集方式，对改造前涂装工位和改造后涂装车间门口无组织浓度进行对比研究。 末端治理技术评估方面，采用与无组织评估相同的仪器和方法进行实测分析。选取低温等离子体、活性炭吸附、UV光解(光催化氧化还原)+活性炭、催化燃烧、吸附+催化燃烧、沸石转轮+RTO/RCO、RTO等治理设施前后端排放水平进行了实测，获取共计70个进出口非甲烷总烃浓度样本(见表1)，在此基础上开展不同治理技术污染物去除效果评估。 1.3减排潜力测算 该研究从源头、过程、末端等方面提出工业涂装VOCs深度减排路径，采用系数法测算企业层面不同减排路径下的减排潜力。在源头替代方面，综合考虑可能采取的途径及不同途径下涂料VOCs含量差异，测算VOCs产生系数。涂装技术和设备测算方面，主要基于喷件涂料附着率的变化测算VOCs产生系数。无组织排放减排潜力测算方面，根据改造前后涂装工位和涂装车间门口无组织浓度，测算无组织排放收集率。末端治理技术减排潜力测算方面，根据不同治理技术污染物去除效果测算不同末端治理设施下的VOCs去除效率。计算公式如下： 二、结果与讨论 2.1工业涂装行业VOCs排放现状分析 2.1.1低VOCs含量涂料替代现状 涂料类型的使用直接影响喷涂过程VOCs的产生水平，传统溶剂型涂料溶剂成分为65%~80%，VOCs产生量较大，溶剂型涂料废气的VOCs浓度高于水性、粉末涂料废气。经调研及行业专家评估发现，我国工业涂装行业源头替代以粉末涂料、水性涂料为主。其中，集装箱和汽车整车制造水性涂料替代比例较高，分别为90%和60%~70%，其他行业水性涂料、粉末涂料占比较低，仍然以溶剂型涂料为主。我国重点工业涂装行业水性涂料使用占比仍然较低，与发达国家相比仍有较大差距。如我国木质家具、乘用车(中涂和底漆)水性涂料使用占比分别约为12%、50%，与其他研究结果相近。通过对实测数据分析，发现溶剂型涂料替代为水性涂料后，涂料平均VOCs含量会降低40%~75%，相应的VOCs产生量也有所降低。 2.1.2自动化涂装方式现状 工业涂装过程喷枪与待喷件表面的角度、雾化压力及喷枪距离等因素均会影响涂装效率，传统手工喷涂作业多以空气雾化为主，难以做到精准施工，易导致过量喷涂，无形中增大了VOCs排放量。我国重点工业涂装行业的自动化涂装方式占比较低，如木质家具行业很多中小型企业还是用手工喷涂方式，自动化涂装约占20%；汽车整车制造中，客车自动化涂装占比不足10%，乘用车自动化涂装占比相对较高一些。全自动喷涂设备及涂装技术应用对VOCs减排有较好的促进作用。自动化喷涂方式有助于提高涂料附着率，实现VOCs减排，通过对实测数据分析，与手工喷涂相比，高效涂装技术和设备更有利于VOCs的排放控制，木质家具行业手工混气喷涂、往复式喷箱喷涂、静电喷涂涂料的附着率分别为47.1%、74.8%、67.0%，自动喷涂技术比手工混气喷涂涂料附着率提高19.9%~27.7%；汽车整车制造行业静电喷涂技术涂料附着率总体高于其他喷涂技术，溶剂型涂料喷涂相同面积时，加电悬杯相较于不加电悬杯涂料用量可减少15%。 2.1.3无组织排放及减排比例 在废气收集方面，工业涂装行业普遍存在废气收集率低等问题。VOCs的无组织排放控制取决于车间的密闭性和废气收集效率，家具、汽车、机械设备、集装箱等行业易于在车间内施工，控制水平较高；船舶、钢结构等行业多数工序难以在室内完成，无组织控制相对较差。废气收集方式和收集率对无组织排放治理水平有较大的影响，喷涂方式、换风频次、送风速率等均对收集效率有较大的影响。调研结果(见表2)发现，与敞开式环境相比，密闭喷漆工位无组织排放浓度可下降67%~92%之间。 2.1.4末端治理设施现状 工业涂装企业存在治理措施覆盖率低、治理设施处理效率较低、低效治理设施占比大等问题。为评估我国工业涂装行业VOCs末端治理现状，科学提出治理路径，笔者所在课题组2017年开展的工业涂装行业末端治理调研结果显示，木质家具制造、汽车零部件制造、金属结构制造等行业燃烧、吸附燃烧等高效单体或组合治理技术使用占比不足10%。从治理技术看，木质家具企业多采用活性炭、UV光解等末端治理技术，汽车整车制造烘干工序多采用燃烧技术，使用溶剂型涂料的涂装工序多采用沸石转轮+燃烧治理技术，汽车零部件制造多采用活性炭吸附、UV光解、吸附+燃烧等技术，机械设备、集装箱、船舶等有组织排放工序多采用活性炭吸附或吸附+燃烧技术，钢结构制造大多以无组织排放为主，极少数企业试点采用活性炭吸附或UV光解技术。通过对实测数据分析发现，燃烧、吸附燃烧等高效单体活组合技术对工业涂装VOCs排放的去除效果好，RTO、TO、沸石转轮+RTO、沸石转轮+RCO等末端治理技术对挥发性有机物的去除效率普遍较高，平均去除率均在90%左右，而低温等离子、活性炭吸附等末端治理技术VOCs的去除效不足50%。 2.2工业涂装VOCs全过程控制技术减排路径与潜力评估 该研究根据行业特点，从源头替代、涂装工艺和设备、无组织排放收集和末端治理等方面，测算不同减排路径下的VOCs减排潜力。减排潜力测算采用情景分析法，假设基准情景为满足当前标准要求下的最低要求，减排情景设定各环节采用不同的治理技术，根据2.1节测算的不同技术下减排效率，测算不同减排情景下减排潜力。 2.2.1木质家具制造行业 家具制造行业具有排放浓度高、湿度高、风量大的特点，甲苯、二甲苯等为其特征物种。设定基准情景为全部使用溶剂型涂料、手工空气喷涂技术、密闭收集方式、末端治理采用等离子体、光氧催化或活性炭吸附技术(减排效率为10%左右)。减排情景根据可行的VOCs控制技术，从源头替代、涂装方式、废气收集、末端治理等4个方面设定为7类(见表3)，测算不同情景下的减排潜力。结果显示，对于单个木质家具企业而言，采取不同减排路径相对于基准情景的VOCs减排潜力在67%~99%之间，源头替代及涂装工艺改进是其最主要的减排手段，其减排量占总减排量的80.3%左右。 2.2.2汽车整车制造行业 汽车整车制造行业涂装环节风量大，VOCs浓度波动大、产生量高，烘干环节VOCs浓度相对较低、产生量少。采用水性涂料、高固分涂料等环保型涂料可大幅降低涂装过程中VOCs的排放量。该研究以乘用车整车、货车驾驶舱涂装为例，设定基准情景下企业为溶剂型涂料、采取传统3C2B涂装体系、外板采用静电喷涂、内板采用手工混气喷涂方式、密闭喷漆房、涂装废气未安装治理设施、烘干废气采用燃烧技术。减排情景根据可行的VOCs控制技术，从源头替代、涂装方式、废气收集、末端治理等4个方面设定为7类(见表4)，测算不同情景下的VOCs减排潜力。结果显示，与基准情景相比，汽车整车制造企业采取不同的减排路径VOCs减排潜力在54%~86%之间，无组织收集和末端治理是其重点减排环节，该环节减排量占总减排量的80.3%左右。 2.2.3汽车零部件制造行业 对于塑料零部件企业，设定基准情景下企业采用溶剂型涂料、自动空气喷涂技术和密闭喷漆房，末端治理采用UV光氧+活性炭吸附技术；对于金属零部件企业，设定基准情景下企业采用溶剂型涂料、手工空气喷涂技术、密闭喷漆房、末端治理采用UV光氧+活性炭吸附技术。减排情景根据可行的VOCs控制技术，从源头替代、涂装方式、废气收集、末端治理等4个方面设定为7类(见表5)，测算不同情景下的VOCs减排潜力。结果显示，对于塑料零部件制造企业，采取不同减排路径相对于基准情景的VOCs减排潜力在66%~88%之间；对于金属零部件制造企业，VOCs减排潜力在58%~68%之间。 2.2.4集装箱制造行业 对于集装箱制造行业，设定基准情景下企业采用溶剂型涂料、外板采用自动喷涂、内板采用手工喷涂方式、密闭喷漆房、末端治理设施采用活性炭吸脱附/转轮吸脱附+RCO/RTO技术。减排情景根据集装箱制造行业可行的VOCs控制技术，从源头替代、涂装方式、废气收集、末端治理等4个方面设定为3类(见表6)，测算不同情景下的VOCs减排潜力。结果显示，相对于基准情景，集装箱制造企业采取不同减排路径下VOCs减排潜力在15%~31%之间，无组织收集和末端治理是其最主要的减排环节，该环节减排量占总减排量的61.5%。 2.2.5机械制造行业 对于机械制造行业，设定基准情景下企业采用溶剂型涂料、无气喷涂技术、密闭喷漆房、末端治理设施采用UV光氧+活性炭吸附技术。减排情景根据机械制造行业可行的VOCs控制技术，从源头替代、涂装方式、废气收集、末端治理等4个方面设定为2类(见表7)，测算不同情景下的VOCs减排潜力。结果显示，机械制造企业采取不同减排路径，相对于基准情景的VOCs减排潜力在58%~86%之间，无组织收集和末端治理是其重点减排环节，该环节减排量占总减排量的58.6%。 2.2.6船舶制造行业 由于船舶制造行业多数产品体积较大，除防腐底漆和分段涂装工序外，其他工序仍存在涂装废气无组织排放的情况。设定基准情景下企业采用溶剂型涂料、无气/混气喷涂技术、分段涂装密闭喷漆房、活性炭吸附治理技术，合拢及其他涂装无组织排放。减排情景根据船舶制造行业可行VOCs控制技术，从源头替代、涂装方式、废气收集、末端治理等4个方面设定为3类(见表8)，测算不同情景下的VOCs减排潜力。结果显示，相对于基准情景，船舶制造行业采取不同减排路径下VOCs减排潜力在35%~68%之间，源头替代及工艺改进是其主要减排环节，该环节减排量占总减排量的75.5%。 2.2.7钢结构制造行业 由于钢结构行业多数产品体积较大，全国仍存在涂装废气无组织排放的情况。设定基准情景下企业采用溶剂型涂料、无气喷涂技术、涂装废气无组织排放。减排情景根据钢结构制造行业可行VOCs控制技术，从源头替代、涂装方式、废气收集、末端治理等4个方面设定为4类(见表9)，测算不同情景下的VOCs减排潜力。结果显示，对于钢结构制造企业，采取不同减排路径相对于基准情景的VOCs减排潜力在35%~85%之间，源头替代及工艺改进是其最主要的减排环节，减排量占总减排量的68.2%左右。 2.2.8不确定性分析 该研究采用实测法和情景分析法测算工业涂装行业不同措施的VOCs排放量，其涂料中的VOCs含量、无组织排放浓度、末端排放浓度等来自测试及最新的研究成果。VOCs减排潜力主要来自各行业涂料用量、VOCs含量、涂装技术、废气收集方式及治理水平，从单个企业来看可信度较高，但由于现场测试有组织、无组织排放浓度时，与企业当时生产状况密切相关，不同工况下核算的VOCs减排潜力结果可能有较大的不确定性。为避免此类不确定性带来的误差，该研究选取企业正常生产工况下多次测量的方法。 三、结论 a)源头替代及先进工艺应用是工业涂装行业的首要治理方向。在低VOCs含量涂料源头替代方面，家具、汽车、集装箱、机械制造等行业不同环节、不同品种的溶剂型涂料替代为水性涂料后，涂料平均VOCs含量会降低40%~75%，相应的VOCs产生量也有所降低。 b)高效涂装技术和设备的应用能有效提高涂料的附着率，促进VOCs减排。木质家具行业自动喷涂技术比手工混气喷涂涂料附着率提高19.9%~27.7%。汽车制造行业先进涂装技术和设备下，单位面积VOCs减排15%左右。 c)喷漆工位密闭废气的收集效果较好，与敞开式环境相比，密闭喷漆工位无组织排放浓度可下降67%~92%之间。 d)工业涂装行业在末端治理技术选择上，应着重高效治理设施，并做好设施的运行及维护。RTO、TO、沸石转轮+RTO、沸石转轮+RCO等末端治理技术对VOCs的去除效率普遍较高，平均去除率均在90%左右；而低温等离子、活性炭吸附、UV+活性炭、催化燃烧等末端治理技术对VOCs的去除率不足50%。末端治理设施的运行维护对其VOCs治理效率有较大影响。 来源：王丽娟等 相章分享环保技术