喷漆废气和废漆渣的估算及处理措施

喷漆废气和废漆渣的估算及处理措施

张禾

（中国汽车技术研究中心．天津300162 )

摘要：汽车涂装车间涂漆包括喷漆、流平和烘干工序，在这些工序中会产生有机废气、过喷漆雾及漆渣。需要根据年产量、油漆品种和油漆用量、涂装设备和涂装方法确定喷漆室、流平室和烘干室的有机废气产生和排放量，根据GB 16297 一1 996 大气污染物综合排放标准确定排气筒高度。通过采用先进的涂装工艺，中涂、面漆以静电旋转杯喷涂为主，由机器人自动仿形，出漆量及喷涂图形根据车身不同位置调整到最佳状态．使油漆利用率提高到90 ％以上，从而减少有机溶剂对环境的污染。中涂、面漆线若采用水性漆，则可从根本上解决喷漆对环境的污染。

关键词：喷漆；废气：废漆渣；估算

汽车涂装车间要对工件进行漆前处理、电泳和喷漆。涂漆工序包括喷漆、流平和烘干，在这些工序中会产生有机废气及过喷漆雾，在喷漆室处理过喷漆雾装置的循环水系统中要添加絮凝剂，使废气及过喷漆雾与循环水充分接触，形成废漆渣，循环水要进行漆渣处理，还要定期排放循环水。根据GB 16297－1996 大气污染物综合排放标准，对喷漆中产生的甲苯、二甲苯和非甲烷总烃及颗粒物（TSP ）等有排放限值要求，现以某种车型的轿车为例对其喷漆、流平和烘干工序产生的废气及废漆渣进行估算并简要说明处理措施。

1 估算条件

年生产某型轿车5 万辆。根据JBJ/T2 一2000 机械工厂年时基数设计标准规定，全年工作日251 天，2 班制生产，设备年时基数为378Oh 。设备利用率为90 % ，设备生产能力要保证完成14.7 辆/h白车身的涂装能力，现按15辆／h 进行估算。

该种轿车中50 ％的车身面漆采用金属闪光漆，即面漆包括金属底色漆（BC）及罩光漆（CC) ，另50 % 采用本色漆。采用聚醋中涂漆，金属闪光漆为丙烯酸聚醋金属底色漆和丙烯酸罩光漆；本色漆为丙烯酸漆。中涂层膜厚为35μm，BC 15 μm / CC 35μm，本色漆40μm。

中涂和面漆的喷漆、流平和烘干共用一条生产线，因此该线的车身通过能力为30 辆

/h。为满足个性化的需求，还设计了一条多功能喷漆线，可对20% 的车身进行套色和对20 ％的车身进行返修。

中涂／面漆喷漆室及流平室和多功能喷漆室及流平室共设一个排气塔。中涂／面漆烘干室及多功能烘干室各设一个排气筒，根据GB 16297-1996 规定，a ．新污染源的排气筒一般不应低于15m。若某新污染源的排气筒必须低于15m时，其排放速率标准值应该再严格50 ％执行外推法的计算结果。b . 2 个排放相同污染物的排气筒，若距离小于其几何高度之和，应合并视为一个等效排气筒。若有3 个以上的近距离排气筒，且排放同一种污染物时，应以前2 个的等效排气筒依次与第3 、4 个排气筒取等效值。c ．同时本标准还规定排气筒高度除须遵守排放标准外，还应比周围半径为2O0m 范围内的建筑高出5m以上，不能达到该要求的排气筒，应按其高度对应的标准排放速率值严格50 ％执行。本车间中涂／面漆部分建筑物为2 层，局部还有3 层（空调及通风装置），建筑高度近24m，这也是周围半径为2OOm 范围内的最高的建筑，烘干室排气筒最低高度应为29m，考虑2 个烘干室排气筒距离小于其几何高度之和，所以合并视为一个等效排气筒，而等效排气筒排放速率按排放标准附录A 规定应为2 个烘干室排气筒污染物排放浓度之和，所以本次计算将2 个烘干室合并一起计算废气排放速率及浓度；喷漆排气塔与烘干室的距离将不小于其几何高度之和，所以不必按等效排气筒考虑。

车身外表面采用自动静电喷漆，除喷涂第2 道金属底色漆时采用空气枪喷涂外，其余均采用静电旋杯喷涂；车身内表面喷漆及自动喷漆后的检查、补漆工位采用手工喷漆。因此，油漆的平均涂着率按75 ％计算。

采用某油漆厂生产的有机溶剂型中涂漆和面漆（考虑到返修及套色用量），油漆厂提供的原漆由固体分和溶剂等组成，喷漆时所用工作漆中要另外加入稀释剂。其产生有排放限值要求的废气为二甲苯、甲苯、非甲烷总烃及过喷漆雾（颗粒物）。

每辆车各种油漆用量及其工作漆中溶剂、固体分和稀释剂含量见表1 。

表1 每辆车原漆用量和工作漆稀释剂加入的质量百分比

注：为计算方便，每辆车平均用漆量包括返修及部分车套色用量。

各种漆溶剂和稀释剂中各组分的质量百分比含量见表2 。

芳香烃是分子中含有苯环的烃类，其中单环芳烃分子中只含有1 个苯环，如：苯、甲苯、二甲苯等。表2 中各种漆溶剂和稀释剂芳香烃中基本不含苯，甲苯含量不大于20 % ，并将二甲苯单独列出。非甲烷总烃为二甲苯和芳香烃的总和。

2 对喷漆室、流平室及烘干室有机废气产生量的估算

由表1 计算出每辆车所用工作漆中固体分及有机溶剂的含量见表3 。

注：中涂漆中，工作漆加入的稀释剂按原漆质量的30 ％计。

若按均衡生产计算lh 内应有15辆车喷中涂、7 , 5 辆车喷金属闪光漆及罩光漆、7 . 5 辆车喷本色漆。平均每小时所用工作漆中各种有机溶剂的总量见表4 。

根据大气污染物综合排放标准规定，最高允许排放浓度是指处理设施后排气筒中污染物任何lh 浓度平均值不得超过的限值；最高允许排放速率是指一定高度的排气筒任何lh 排放污染物的质量不得超过的限值。而在设计生产线时，车身喷中涂前设有储存线，车身中涂后设有车身颜色编组站，这样可保证中涂／面漆线对车身喷中涂和面漆时，可以相对集中地喷中涂漆或喷一种类型的面漆，这样换漆次数可大为减少、节省用漆、节省清洗喷具用有机溶剂、有利于环保。因此，可能某lh 内30 辆车身全部为喷中涂漆；也可能某lh 内30 辆车身喷涂面漆，a ．可能全部喷涂金属闪光漆，即金属底色漆及罩光漆；b . 也可能某lh 全部喷涂本色漆。上述各种工况下，其每小时所用工作漆中各种有机溶剂的总量见表5 。

由表5 及表2 给出的数据可以估算出各种情况下，每小时所用工作漆中各种有机溶剂的总量，见表6－8 ；若按均衡生产计算每小时所用工作漆中各种有机溶剂的总量，详见表9 。

注：全部喷中涂二甲苯、甲苯及非甲烷总烃的总量分别为5.19 、7.82 和44.30 。

注：全部喷金属闪光漆二甲苯、甲苯及非甲烷总烃分别为10. 94 、16.62 及94.06 。

注：全部喷单色漆二甲苯、甲苯及非甲烷总烃分别为3.70 、5.73 及32.34 kg/h。

注：按平均用漆二甲苯、甲苯及非甲烷总烃分别为6.25 、9.50 及53.76kg/h。

将表6－9 进行比较，可以看出lh 内全部喷金属闪光漆，二甲苯、甲苯及非甲烷总烃的产生量最大，分别为10.94 、16.62 及94.06kg/h ，由表5 可以看出该工况固体分也最大，为72.67kg/h。因此，可由该工况进行计算有机废气在喷漆室、流平室和烘干室的排放量，确定排气筒高度。

本次设计按lh 内喷漆室、流平室及烘干室有机废气产生量比例分别为60 ％、10 ％和30 % （编者按：流平室及烘干室有机废气产生量应分别为25 ％、15％) ，计算出各部分的值见表10 。

由于油漆涂着率为75 % ，即有72.67 x 0.75 = 54.50kg/h的固体分涂着于车身之上，则喷漆室内的过喷漆雾中的固体分（颗粒物）为72.67 x 0.25 = 18.17 kg/h（过喷漆雾中的有机溶剂已经单独计算）。

对喷漆室、流平室及烘干室有机废气排放量的估算

喷漆室废气及过喷漆雾经底部水循环系统絮凝处理后，其中二甲苯、芳香烃及其他类有机溶剂可吸收2 % （被包裹在漆渣中），酯、酮、醚、醇类可吸收13 % （部分溶解在水中，部分被包裹在漆渣中）; 过喷漆雾中的油漆固体分与喷漆室底部水充分接触，其漆雾被加入絮凝剂的水充分吸收形成漆渣，其净化效率在95 ％以上；流平室与喷漆室废气合并成一个排气塔大风量、低浓度高空排放；烘干室采用直接燃烧法处理，净化效率达98 ％以上。

经处理后，喷漆室、流平室及烘干室各自排放的最大有机废气量见表11 。

注：(l）进入喷漆室漆渣处理系统的有机废气，属于无组织排放。

(2）、（3）废气经直接燃烧处理后，约98 ％生成二氧化碳和水与2 ％废气一起排放。

各喷漆室、流平室总排风量约为900000 m3/h，烘干室总排风量约16 000 m3/h，喷漆室和流平室废气排风塔及烘干室排风管二甲苯的排放速率和排放浓度见表12 。

此外，每辆车油漆的平均涂着率按75 % ，即有25 ％的固体分（最大值18.17 kg/h ）以过喷漆雾的形式与喷漆室底部的水充分接触，其漆雾被加入絮凝剂水充分吸收形成漆渣，其净化效率在95 ％以上，所以固体分产生漆渣的每小时最大值（干渣）为18.17 x 0.95 = 17.26 kg/h （实际上漆渣中还包括50-80 ％的水分、少量絮凝剂及被包裹的有机溶剂），废气中固体分最大排放速率为18.17 x 0.05=0.91kg/h，最大排放浓度为1.01 m3/h。本例中，从物料平衡角度进行计算，年生产某型轿车5 万辆，所用漆平均固体分含量为68.98 kg/h（见表4 ) ，从喷漆排气塔排放65.95 / 0.25 / 0.05 = 0.86 kg/h。年漆渣固体分含量（折合成干渣）为68.98 x 0.25 x 0.95 x 50000 / 15=54.6 t/a 。要放入指定地点封存，定期交给环保部门批准的单位进行处理。

水循环系统吸收的有机溶剂和漆渣中的有机溶剂均不断地挥发，固需要采取局部通风措施。

4 确定排气筒高度

要确定排气筒高度，首先要了解GB 1 6297－1996 大气污染物综合排放标准值。

通常新建汽车厂位于一般工业区，环境空气质量功能分类为二类（见GB 3095－1996环境空气质量标准）。按GB 16297－1996 规定：a ．位于二类区的污染源（包括新建、扩建、改建）执行二级标准，即该标准表2 所列标准值，见表13 ; b 一般情况下污染源的设立日期，应以建设项目环境影响报告书（表）批准日期为其设立日期；c ．任何一个排气筒必须同时遵守最高允许排放浓度和最高允许排放速率限值的要求。

由表13 可知烘干室排气筒高度为15m

即可满足标准限值要求，但根据本文第1 节c 的规定，烘干室排气筒高度确定为29m

，而喷漆室和流平室的废气因用大风量稀释，所以排气浓度并不高，主要是二甲苯、甲苯及非甲烷总烃的排速率较高，分别为7.52 、11.43 和64.7 kg/h，影响最大的是二甲苯，排气筒高度要介于表13 中30-4Om 之间，要用GB 1 6297－1996 附录B 规定的内插法进行计算，见计算公式（1 ）。

Q = Qa＋(Qa +l－Qa）( h－ha ) / ( ha＋1－ha）( l )

式中，Q 为某排气筒最高允许排放速率；Qa为比某排气筒低的列表限值中的最大值；Qa +l 为比某排气筒高的列表限值中的最小值．h 为某排气筒的几何高度；ha为比某排气筒低的列表限值中的最大值，ha＋1为比某排气筒高的列表限值中的最小值。由公式（l ）计算本设计项目由二甲苯确定的排气筒高度为：

7.52 = 5.9 + ( 10-5.9 ) ( h-30 )/( 40-30 )

1.62 = 4.1 ( h-30 ) / 10

h = 33.9 ( m )

即排气筒高度为34m

即可满足排放要求。

注：本标准规定的最高允许排放速率，新污染源分为二、三级，按污染源所在的环境质量功能区分类，一般汽车厂区位于二级地区，其污染源应执行二级标准，故本表只列出二级标准。

但考虑到一些不确定的因素，如油漆供应厂家的不同，不同颜色油漆使用量的变化、喷枪定时清洗（应带有溶剂回收装置）和换色清洗、返修量的变化以及可能适当提高生产能力，可能造成废气排气量增加，故排风塔的高度为40m

，不论对二甲苯、甲苯还是对非甲烷总烃和颗粒物的排放都能满足新污染源大气污染物排放限值要求。

如果某排气筒估算排放速率高于列表限值中的最大值，要计算排气筒高度，要用外推法进

行计算，如年产10 万辆轿车喷漆总排气塔高度达70m

以上，70m

时二甲苯的最高允许排放速率为30.625 kg/h，详见计算公式（2 ）。

Q = Qb(h/hb)2

(2）

=10(70/40) 2

=30.625(kg/h)

式中，Q 为某排气筒最高允许排放速率；Qb为列表排气筒最高对应的最高允许排放速率，10 kg/ h , h 为某排气筒的几何高度；ha 为列表排气筒最高高度，40m

。

5 需要说明的问题

a ．采用先进的涂装工艺，中涂、面漆以静电旋杯喷涂为主，由机械人自动仿形，出漆量及喷涂图形根据车身不同位置调整到最佳状态，使油漆利用率提高到90 ％以上，因此可大大减少油漆用量，从而减少有机溶剂对环境的污染。

中涂、面漆线要考虑到以后有采用水性漆的可能性，这是从根本解决喷漆对环境污染的有效措施。

b ．在进行喷漆过程中有机溶剂排放量的估算时，白车身涂漆面积、涂层厚度、用漆品种、涂装工艺方法都会对排放数据造成影响，但对于轿车，一般涂漆面积为15-25m2，中涂漆的干膜厚度为35μm，本色面漆为35-40μm，底色漆为15μm ＋罩光漆为35 μm 。关键是涂装工艺方法，这直接影响油漆利用率，影响有机溶剂排放量，因此实现规模化生产，才能提高喷漆的自动化程度，涂料利用率可达95 % ，减少有机溶剂排放量。在产量较低时，可采用手工静电喷漆。采用自动控温的集中供漆系统及尽量减少换漆次数等都是行之有效的措施。

c．在设计时，最好面漆全部按金属闪光漆考虑，同时能喷涂本色漆，这样估算的值更可靠。而且采用金属闪光漆是汽车的流行趋势，涂装要满足市场的需求。

d ．在喷漆排放的有机溶剂中，由于是采用大风量稀释，所以排放浓度不会超标，关键是排放速率，而对汽车涂装所用漆中各种溶剂的量，二甲苯相对较多，而且其限值要求是最严格的，一般可以二甲苯计算排气筒高度。

e ．水循环系统及漆渣处理装置会有少量的有机溶剂外溢，这属于无组织排放，本例中二甲苯、甲苯和非甲烷总烃分别为0.13 、0.2 和1.1 3kg/h（见表11 ）。要采取局部通风措施，使无组织排放的废气浓度分别不超过1.2 、2.4 和4.0 mg/m3 的限值要求。