汽車涂裝噴漆室循環(huán)風系統(tǒng)節(jié)能減排分析

王品懿　楊新院

摘? 要：隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，節(jié)能環(huán)保問題得到越來越多國家的關注和重視。在汽車涂裝行業(yè)中，噴漆室能耗占很大比重，所以噴漆室的節(jié)能減排一直是涂裝節(jié)能環(huán)節(jié)的重中之重。基于此，本文重點探討了汽車涂裝噴漆室循環(huán)風系統(tǒng)的節(jié)能減排問題。

關鍵詞：汽車涂裝;噴漆室循環(huán)風;節(jié)能減排

涂裝行業(yè)是汽車制造領域的主要能耗戶及排廢戶，噴漆室是汽車涂裝車間能耗最大的設備，約占涂裝車間總能耗的50%，其中空調能耗占40%。在滿足漆膜質量、安全生產(chǎn)、衛(wèi)生條件前提下，在噴漆室中采用循環(huán)風系統(tǒng)，能有效降低噴漆室能耗。

一、噴漆室概述

噴漆室是涂裝室之一，涂裝室是指裝備有涂裝機具且進行涂裝作業(yè)的房間。它是提供涂裝作業(yè)專用環(huán)境的設備，在噴漆室中制造的人工環(huán)境，能滿足涂裝作業(yè)對環(huán)境的溫度、濕度、照度、潔凈度等需求;為操作人員創(chuàng)造相對舒適、安全的工作環(huán)境;能處理涂裝作業(yè)產(chǎn)生的漆霧，保護噴涂物免遭二次污染，從而保證噴涂質量。

二、噴漆室循環(huán)風系統(tǒng)

1、構成。噴漆室循環(huán)風系統(tǒng)由送風空調系統(tǒng)、排風系統(tǒng)、噴漆室文丘里構成。送風空調系統(tǒng)由進風段、初效過濾段、中效過濾段、表冷段、加熱段和風機段構成。排風系統(tǒng)由混風箱、回風管、排風管、地下風道、排風機構成。噴漆室文丘里按設備布置，從上至下大致分為三部分：上部為均壓室，包括動壓室、靜壓室等送風裝置;中部噴漆室作業(yè)區(qū)，包括作業(yè)室體、照明、格柵操作平臺等;下部為漆霧處理設施，包括漆霧捕捉裝置、漆渣處理裝置、通風裝置、供水裝置等。

2、原理。來自新風噴涂段的排風通過循環(huán)風空調系統(tǒng)設備過濾、表冷、加熱，達到噴漆工藝要求后由風管送入噴漆室上方動壓室，經(jīng)動壓室按風量要求送入下方的靜壓室，由靜壓室向下均勻地送到噴漆室自動噴涂段，通過作業(yè)區(qū)后由排風機抽出，攜帶漆霧的空氣被送入漆霧捕捉裝置，經(jīng)漆霧分離后，經(jīng)風道排向環(huán)保設備。

三、工程案例

1、工程概況。本案例以我國某整車廠實際應用為例，其基礎工藝設計參數(shù)為：生產(chǎn)綱領：20萬臺/a;年時基數(shù)：200d/a;生產(chǎn)有效時間：3200h/a（雙班16h制）;涂裝工藝：3C2B溶劑型漆;定義循環(huán)率：=噴漆室排風循環(huán)風量/噴漆室總風量。

2、循環(huán)風方案設計。若不采用循環(huán)風工藝，噴漆室采用全新風上送風下排風的方式，則排風風量等于送風風量141.4m³/h。若采用循環(huán)風，理論上來講噴漆室排風的循環(huán)利用率越高，則節(jié)能效果越顯著，但循環(huán)比的選取還受如下因素制約。

1）必須確保噴漆作業(yè)的人身、消防安全，必須嚴控噴漆作業(yè)工位空氣中的VOC含量，可理解為：有人操作的作業(yè)區(qū)VOC含量應維持在衛(wèi)生許可濃度內，自動作業(yè)區(qū)（無人區(qū)）VOC含量應維持在消防濃度以下（即可燃氣體爆炸下限濃度的25%以下）。結合本案例涂料及溶劑實際情況，無人區(qū)VOC含量應小于20g/m³，人工操作區(qū)衛(wèi)生許可濃度小于200mg/m³。

2）在不改變生產(chǎn)綱領（車身噴涂總量）前提下提高循環(huán)比，相當于濃縮揮發(fā)性氣體，會增大噴漆室排風VOC濃度，且濃縮比r與循環(huán)比關系如下式所示。

根據(jù)DB 50/577《汽車整車制造表面涂裝大氣污染物排放標準》規(guī)定Ⅱ時段的排放標準。循環(huán)風改造前煙氣VOC排放濃度實測為200mg/m³，若轉輪的吸附效率按95%計算（一般低于95%），可計算出噴漆室VOC排放濃度最大值為：20/（1-95%）=400mg/m³。因而濃縮比最大為：400/200=2，則根據(jù)上式計算可得最大循環(huán)比為50%。

為保證人工操作區(qū)空氣滿足衛(wèi)生許可要求，本方案循環(huán)原理基本原則為將手工噴漆室的排風作為自動噴漆室供風使用，以色漆1線送排風原理為例，如圖1所示。按此原理分別設計中涂線、色漆1、2線及清漆1、2線循環(huán)風方案。其中中涂及面漆人工擦凈室循環(huán)風不作為噴漆線循環(huán)風循環(huán)比計算范圍（擦凈段不產(chǎn)生VOC）。經(jīng)計算，本案例“PC（中涂）+BC（色漆）+CC（清漆）”總供風量為125.73m³/h，其中循環(huán)風供風量為49.47m³/h，根據(jù)公式可得本項目循環(huán)比為39.3%。

四、循環(huán)風節(jié)能效果

1、循環(huán)風能耗。本案例采用溶劑型漆噴涂，全年溫濕度控制為：溫度（25±1）℃，相對濕度（65±15）%。根據(jù)當?shù)貧庀蟛块T公布的近十年氣象統(tǒng)計平均數(shù)據(jù)顯示，平均環(huán)境溫濕度為：冬季環(huán)境溫度為8.9℃，濕度為80%;夏季環(huán)境溫度為29.1℃，濕度為70%;春秋季環(huán)境溫度為18.4℃，濕度為75%。

由全年恒定溫濕度控制、環(huán)境狀態(tài)，計算出空調制冷、加熱、加濕量需求，其中濕空氣焓（kJ/kg（干空氣））值可由下式計算得出。

I=Cgt+（ro+Cvt）H=roH+（Cg+CvH）t

式中：ro為0℃時水蒸氣汽化潛熱，其值為2492 kJ/kg;Cg為干空氣平均定壓比熱容，kJ/（kg·K）;Cv為水蒸氣平均定壓比熱容，kJ/（kg·K）;H為空氣的含濕量，kg/k（干空氣）。

本文主要對比分析噴漆線全新風模式與循環(huán)風模式各類能源耗量的差異，并通過對全年不同外界環(huán)境空調溫濕度控制的能耗計算，分析全年循環(huán)風節(jié)能效果差異。其中新風空調功能段分布為：進風段-初效段-表冷段-加熱段-加濕段（噴淋）-風機段-消聲段-中效段-送風段;循環(huán)風空調功能段分布為：進風段-初效段-中效段-表冷段-加熱段（熱水）-亞高效段-送風段。工廠實際生產(chǎn)過程中，空調冷熱能源耗量通常以一次能源天然氣作為衡量標準，由此可見空調主要能耗種類為天然氣、電、水。由于本案例春秋季及夏季基本無需加濕，且冬季平均氣溫較高，氣候較為濕潤，加濕量不大，與寒冷干燥地區(qū)相比，循環(huán)風節(jié)水效果較顯著。

由公式計算可得空調加熱制冷量，并可進一步換算為天然氣耗量，如表1所列，其中工業(yè)用天然氣熱值取8500 kcal/m³。由于循環(huán)風減少噴漆室排風量49.47萬m³/h，因而噴漆室排風機可減少或降頻使用，從而能節(jié)約電能約324kW·h。

由表1分析數(shù)據(jù)可得：

1）春秋季節(jié)能比最低，這是由于外界環(huán)境溫濕度與空調控制目標點溫濕度差距較小。

2）加熱制冷能耗越大，則循環(huán)風節(jié)能效果越顯著。

3）冬季新風空調無需制冷，循環(huán)風空調需制冷，導致制冷節(jié)能量為負值。這是由于噴漆室排風進入循環(huán)風空調循環(huán)再用前，需經(jīng)文丘里（濕式）漆霧捕集裝置，循環(huán)風經(jīng)近似等焓加濕過程導致絕對含濕量增大，進而必須經(jīng)循環(huán)風空調表冷除濕段及加熱段處理才能滿足噴漆室送風溫濕度需求。

為了便于對各種類型能源的計算、對比和分析，先要選定某種統(tǒng)一標準的燃料作為計算依據(jù);然后用能源折算系數(shù)（即各種能源實際熱值與標準燃料熱值的比值），計算出各種能源折算成標準燃料的數(shù)量。由于我國能源結構以煤為主，煤炭在全國的使用較普遍和廣泛，標準燃料通常取標準煤，常用單位有噸標煤（tce）和千克標煤（kgce）。

因此，在計算能源消耗總量時，應取實際消耗的各種能源實物量按規(guī)定的計算方法和單位分別折算為標準煤后的總和。按綜合能耗計算通則進行折標計算，其中電力的等價折標煤系數(shù)為3.34 tec/（10⁴·kW·h），天然氣折標系數(shù)為1.214 tec/（10³·m³）。根據(jù)生產(chǎn)年時基數(shù)200d/a及雙班生產(chǎn)16h/d可計算出全年折標節(jié)約能源總量。標煤的CO₂排放因子為2.8t/tce。計算可得循環(huán)風年節(jié)能折標量及降低碳排放量，一次能源（天然氣）全年節(jié)約實物量為7.348*10⁵m³，折合標煤892.1t·a^-1，降低碳排放2497.9t;二次能源（電）全年節(jié)約實物量為1.037*10⁶kW·h，折合標煤346.3t·a^-1，降低碳排放969.6t。由此可見，綜合節(jié)能量折合標煤為1238.4t·a^-1，降低碳排放3467.5t。

工業(yè)用電及用氣的全年拉通平均價格為電力0.62元/kW·h，天然氣1.90元/m³，計算可得每年減少生產(chǎn)成本203.90萬元/a，經(jīng)濟效益較可觀。

2、循環(huán)風對廢氣處理的影響。隨著排放法規(guī)越來越嚴格，噴漆室排風VOC濃度已無法達到DB 50/577《汽車整車制造表面涂裝大氣污染物排放標準》規(guī)定要求，越來越多的企業(yè)開始增加各種類型的廢氣后處理裝置。以本案例為例，廢氣處理采用“轉輪濃縮+TNV廢氣焚燒”方式進行，降低噴漆室排風量可降低轉輪及轉輪風機數(shù)量，減小TNV尺寸，減少風管及各種管道材料投入、減小過濾器尺寸及耗材安裝數(shù)量等，保守估計節(jié)約600萬元設備建設成本。由于處理廢氣風量的減少，風機運行能耗降低500kW，全年運行節(jié)約電力約160萬kW·h/a，降低運行成本99.2萬元/a。同時，由于濾材數(shù)量的減少，濾材更換的人工成本及材料成本都會降低。

五、推廣應用循環(huán)風噴漆室的現(xiàn)實價值

汽車涂裝噴漆廢氣的特征是流量大、濃度低，按《大氣污染物綜合排放標準》，涂裝噴涂廢氣經(jīng)漆霧分離處理后可高空排放。以往由于此類大流量、低濃度廢氣的處理技術不成熟、處理成本高，汽車企業(yè)涂裝噴涂廢氣多數(shù)采用高空排放處理。汽車涂裝噴漆廢氣高空排放，只是應對法規(guī)做合規(guī)處理，雖然濃度低，但絕對排放總量巨大，對大氣環(huán)境造成的影響不容忽視。隨著大氣環(huán)境壓力日益嚴峻，同時涂裝噴漆廢氣處理技術不斷進步，趨于成熟，2016年國家工信部、財政部聯(lián)合發(fā)布《重點行業(yè)揮發(fā)性有機物削減行動計劃》，京、津、翼等重點省市紛紛出臺相應的“擁抱藍天行動計劃”，其中明確要求汽車涂裝中溶劑型涂料的噴涂廢氣需采用深度處理措施。根據(jù)各省市地方法規(guī)要求，汽車涂裝企業(yè)若簡單應對法規(guī)，對溶劑型涂料的噴涂廢氣采用深度處理措施，由于目前多數(shù)汽車涂裝企業(yè)仍采用全新風噴漆室，噴涂廢氣風量巨大，處理設備的投資高，高昂的能耗等運行成本亦難以接受。因此，當前汽車企業(yè)應對法規(guī)做涂裝廢氣深度處理改造，一定要結合循環(huán)風噴漆室改造，最大限度降低廢氣處理風量，在節(jié)省噴漆室空調能耗的同時，節(jié)省廢氣處理設備投資與廢氣處理運行成本。

六、結語

為建設“環(huán)境友好型、資源節(jié)約型”工廠，噴漆室排風循環(huán)利用是節(jié)能減排重要措施，并且隨著水性漆噴涂的普及，相同噴涂量的水性漆比溶劑型漆VOC揮發(fā)量大幅降低，循環(huán)比得以大幅提高，具有更好的節(jié)能減排效果。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫濕度工況點與空調控制點工況差異越大，循環(huán)風系統(tǒng)節(jié)能效果越顯著。循環(huán)風系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟、社會效益。對年產(chǎn)20萬輛的企業(yè)而言，保守估計年節(jié)約運行成本200萬～300萬元以上，減少碳排放3500t。

因此，新建汽車涂裝生產(chǎn)線應根據(jù)各自實際情況選擇盡可能大的循環(huán)比，一方面可降低噴漆室送排風設備運行能耗，另一方面可為后期廢氣處理設備的建設降低成本。對于老廠溶劑型漆節(jié)能減排改造，可采取“水性漆+廢氣處理”或“循環(huán)風+廢氣處理”2種方案，二者均可達到目前排放法規(guī)要求，但“水性漆+廢氣處理”改造投入成本大、運行成本高且改造施工周期長，因而越來越多的企業(yè)傾向于“循環(huán)風+廢氣處理”來滿足排放法規(guī)的要求。

參考文獻：

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