分析涂裝生產(chǎn)線的節(jié)能減排技術(shù)

錢路燕，馬輝，潘國峰

（中國聯(lián)合工程有限公司，杭州310051）

1 引言

在“中國制造2025”的時代背景下，資源的過度消耗和環(huán)境污染問題已經(jīng)引起了政府和社會的廣泛關(guān)注。作為有機廢氣VOC 排放大戶的涂裝行業(yè)，其粗放型建設(shè)模式對能源等資源消耗巨大，環(huán)境污染甚為嚴重。據(jù)有關(guān)資料記載，我國的VOC 產(chǎn)量和CO2的排放量成倍的高于發(fā)達國家水平[1]。涂裝車間作為汽車整車工廠的4 大車間之一，其能源消耗占到總能耗的55%[2]，廢氣、廢水排放量占到總排量的80%以上。由此可見，作為工業(yè)發(fā)展重要環(huán)節(jié)的涂裝行業(yè)必將成為節(jié)能減排的排頭兵，走“綠色涂裝車間”的發(fā)展轉(zhuǎn)型之路。

2 涂裝車間的能耗情況及VOC 排放標準

一般整車生產(chǎn)主要包括沖壓、焊接、涂裝和總裝4 大車間。不同整車的涂裝工藝雖各有特點，但大都有前處理、電泳、PVC、底漆、色漆、清漆、烘干強冷等工藝，在這些工藝過程中，需要消耗大量的水、電、天然氣、蒸汽等能源，產(chǎn)生大量的VOC排放。其中，國外對汽車涂裝線的VOC 法規(guī)[3]如表1 所示。

表1 國際上汽車涂裝車間VOC 排放量限值

國內(nèi)在2006 年國家環(huán)?？偩诸C布了HJ/T 293—2006《清潔生產(chǎn)標準汽車制造業(yè)（涂裝）》，首次對涂裝行業(yè)的VOC 排放設(shè)置了限值，各個省份也相繼出臺了一些地方法規(guī)，進一步推動了環(huán)保措施的落實。為更好地滿足環(huán)保標準的要求，本文從工藝、設(shè)備角度介紹了部分涂裝節(jié)能減排技術(shù)，同時，進一步探討關(guān)鍵技術(shù)的研究方向。

3 涂裝工藝改進

傳統(tǒng)的前處理工藝采用的是磷化技術(shù)，但它具有能耗高、磷鎳錳重金屬污染嚴重等缺點，所以，近年來，硅烷化技術(shù)、氧化鋯轉(zhuǎn)化膜技術(shù)作為新一代環(huán)保型前處理工藝技術(shù)迅速發(fā)展。氧化鋯轉(zhuǎn)化膜技術(shù)處理主要是在氟鋯酸溶液里，金屬表面凝聚沉積轉(zhuǎn)化成一種納米氧化鋯陶瓷膜涂層，它具有工藝簡短、成膜快、環(huán)保、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點。

硅烷化處理技術(shù)[4]是在金屬表面吸附1 層超薄的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的硅烷膜，同時形成Si-O-Me 共價鍵，它具有處理時間短、膜薄、沉渣少、無需表調(diào)鈍化工藝等特點。硅烷化技術(shù)的廢液無磷無重金屬，可以降低傳統(tǒng)磷化工藝的生產(chǎn)成本。但是，相比于磷化技術(shù)，硅烷工藝對工件以及其他設(shè)備的要求更加苛刻，例如，工件在硅烷之前必須打磨除銹干凈，否則，會影響處理效果，而磷化則未必；工件在硅烷水洗之后需要盡快烘干，否則，容易產(chǎn)生反銹等情況。

4 涂裝設(shè)備改進

4.1 噴漆室方面的節(jié)能減排技術(shù)

4.1.1 干式噴漆室的應(yīng)用

干式噴漆室是采用干式漆霧捕集裝置來處理噴漆室的漆霧，它與濕式噴漆室相比，具有無需處理廢水、耗電少、不產(chǎn)生惡臭等優(yōu)點。奧地利的一家公司開發(fā)出了一種經(jīng)濟、高效、靈活的干式漆霧捕集裝置，如圖1 所示。該裝置具有以下優(yōu)點：（1）環(huán)保節(jié)能降低成本；（2）漆霧吸附性能強，二次過濾使用時的吸附率達90%；（3）符合人機工程學(xué)要求，使噴漆室區(qū)域的噪聲降低15～20dB；（4）柔性化性能好，適用于所有油漆種類及大多數(shù)膠水材料；（5）操作簡單，可根據(jù)設(shè)計需要集成不同尺寸的模塊小車。

圖1 Edrizzi 過濾紙箱

4.1.2 廢氣處理技術(shù)的應(yīng)用

噴漆室廢氣具有風(fēng)量大、濃度低的特點，若直接采用燃燒處理，成本較高，一般先采用吸附法濃縮成高濃度的氣體，再采用高溫焚燒氧化處理。目前，吸附材料有沸石轉(zhuǎn)輪和活性炭2 種。

沸石轉(zhuǎn)輪的工作原理[5]是：噴漆室廢氣經(jīng)多層過濾到達沸石轉(zhuǎn)輪濃縮，VOC 被吸附后的氣體可達標直排；經(jīng)一段時間吸附后，轉(zhuǎn)輪達到飽和狀態(tài)，可由220℃的氣流進行脫附，此時脫附出來的VOC 濃度提至原先的3～20 倍，再將其送到蓄熱式焚燒爐RTO 進行高溫焚燒，最終形成潔凈氣體排放至大氣，如圖2 所示。經(jīng)沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)后的廢氣VOC 處理效率能達到90%～95%，濃縮后的高濃度VOC 廢氣經(jīng)蓄熱式焚燒爐RTO處理后，VOC 處理效率能達到98%以上。但是，整套設(shè)備的造價比較高，這是沸石轉(zhuǎn)輪普及受限的一大因素。

圖2 沸石轉(zhuǎn)輪吸附脫附示意圖

活性炭吸附的工作原理是將噴漆室廢氣經(jīng)過濾裝置后，達到活性炭裝置的固體顆粒物潔凈要求，然后再進入活性炭裝置，使VOC 與活性炭充分接觸，利用活性炭對有機物質(zhì)的強吸附性能將廢氣凈化，最后達標排放。吸附一段時間后達到飽和，此時對活性炭進行脫附再生，脫附出來的氣體通過催化燃燒裝置燃燒生成二氧化碳、水和部分的熱量。

4.2 烘干室方面的節(jié)能減排技術(shù)

烘干室設(shè)計合理選用烘干方式（對流、輻射加熱或者2 者混合形式），可以達到事半功倍的效果。比如，采用分段加熱的方式，前部分（約1/3 室體）采用紅外線輻射加熱的形式，后部分采用熱風(fēng)循環(huán)加熱，如此便加快了工件的升溫速度，縮短了室體長度，節(jié)約能耗，還解決了因鏈速加快、漆膜固化不良而影響涂層質(zhì)量的問題。但是，紅外線加熱對工件有一定的要求，例如，叉車的橋箱工件經(jīng)過80℃紅外加熱后，制動拉線的橡膠材料變軟，因此，并不適合采用紅外線加熱。

4.3 強冷室方面的節(jié)能減排技術(shù)

強冷室設(shè)計按照輸送運行的方向，依次劃分為2 個及以上數(shù)量的區(qū)域：高溫排風(fēng)冷卻段、循環(huán)風(fēng)冷卻段（N 段或省略，根據(jù)需要設(shè)計）、低溫新風(fēng)冷卻段（冷水制冷），即新風(fēng)與輸送的方向互逆。這是由于工件剛進入強冷室時溫度比較高，若直接采用冷卻后的新風(fēng)降溫，工件會有驟冷變形的風(fēng)險，所以，先將室外的新風(fēng)經(jīng)過濾、冷卻降溫，送至強冷室的最后一段冷卻區(qū)，對已降溫的工件進行充分冷卻，接著再依次“逆行”進入強冷室中間區(qū)段，循環(huán)對工件進行降溫，最后達到強冷室的第一段后排出。這種逐級降溫的強冷模式不僅降低了工件的冷熱變形，還可達到節(jié)能環(huán)保的效果。

5 數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用

隨著計算機數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有涂裝車間的布局與設(shè)計可以尋求到更短周期、更低成本、更高質(zhì)量的解決方案。數(shù)字化設(shè)計技術(shù)可以提供三維可視化規(guī)劃平臺、工藝仿真平臺和流程分析平臺，為產(chǎn)品制造提供全套的虛擬制造技術(shù)支持。它相比于傳統(tǒng)設(shè)計有如下優(yōu)點：

1）借助Inventor、3ds Max 等軟件的實時可視化功能，可以形象地展示涂裝工藝過程，更好地滿足客戶需求，便于促進決策者更快地做出決定。

2）借助有限元分析功能，可以做到設(shè)計的“有理有據(jù)”，實現(xiàn)設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計以及復(fù)雜模型的受力分析，充分結(jié)合軟件發(fā)揮競爭優(yōu)勢。例如，某項目中吊具的性能優(yōu)化和輕量化設(shè)計，采用傳統(tǒng)方法設(shè)計的吊具主梁需要長16.3m 的H 型鋼400mm×300mm，1.7t/掛，通過有限元分析計算[6]，在確保吊具強度和剛度的前提下，將吊具輕量化減至0.9t/掛（見圖3、圖4），結(jié)合8min 的節(jié)拍，烘干室單位時間內(nèi)可少加熱6t 的金屬材料，同時也減輕了整個生產(chǎn)線輸送鋼構(gòu)的負擔(dān)，使整個生產(chǎn)線設(shè)計實現(xiàn)了高效率、低能耗、降低運行成本的目標。

圖3 吊具輕量化前

圖4 吊具輕量化后

3）數(shù)字化設(shè)計的“碰撞檢查”技術(shù)能夠在設(shè)計階段快速準確地查找出有碰撞的管線或設(shè)備，及早地發(fā)現(xiàn)錯誤，例如，風(fēng)管、輸送裝置等與原有廠房之間、管路與管路之間的干涉性檢查，可以避免讓錯誤進入現(xiàn)場并造成代價高昂的現(xiàn)場更改返工。

4）數(shù)字化設(shè)計提供的并行設(shè)計工具和平臺，可實現(xiàn)不同專業(yè)（輸送、拋丸、前處理、烘干、噴粉、電氣）之間的協(xié)同工作和信息交互，利用團隊的整體力量來提高工作效率和質(zhì)量，縮短設(shè)計時間。

5）使用數(shù)字化設(shè)計技術(shù)進行精準建模，借助參數(shù)化變更管理，實時確保不同模型之間關(guān)聯(lián)參數(shù)的同時更新，提高了協(xié)調(diào)一致性及設(shè)計效率，實現(xiàn)了智能設(shè)計。

6）使用數(shù)字化技術(shù)可以便捷地統(tǒng)計設(shè)備材料、外購件等的工程量以及對供應(yīng)商相關(guān)信息的管理，避免了人工統(tǒng)計既費時又出現(xiàn)錯誤等問題。

6 結(jié)語

涂裝車間系整車制造過程中的能耗大戶。本文針對涂裝車間的工藝、設(shè)備等方面的關(guān)鍵性節(jié)能減排技術(shù)進行了分析與研究，為涂裝車間的節(jié)能減排問題提出了一種更快、更準確、更低成本、高質(zhì)量的解決方案——數(shù)字化設(shè)計技術(shù)，它是涂裝車間設(shè)計較有前景的發(fā)展方向。