汽车涂装节能减排的新技术

,2013,年,8,月1,7,日,中程新技（北京）,工程技术有限公司,汽车涂装节能减排的新工艺技术,2013,年,8,月,17,日,2,目录,1,、前言,2,、汽车涂装能耗现状、国内外的差距,3,、新的节能减排工艺技术（,21,项,）,前处理,5,阴极电泳（,CED,）,5,中涂,面漆喷涂工艺,2,喷漆室,4,烘干（涂膜固化）,5,5,个方面,4,、涂装工艺及设备和管理的精益优化设计（,5,项,）,5,、结语,3,一、前言,2009,年我国汽车产量为,1379.10,万辆，成为世界第一汽车生产大国，,2010,年为,1800,多万辆，今年按,5,10,增长，预计年产汽车近,2000,万辆。,涂装成为汽车制造的四大专业之一。汽车涂装是汽车制造业中的耗能大户，又是最大的污染源。环保、原材料涨价和市场竞争激烈，促使汽车涂装要革新。,21,世纪汽车涂装的主题：,“,环保清洁生产、节能减排、降成本、创建绿色涂装,”,具体目标：,1,、工艺流程精益化，紧凑化、经济规模化、低投入、低运行成本、高产出。,2,、质量稳定可靠，管理上水平，一次合格率高。,3,、资源利用率高、高能效、,CO,2,排出量少。,4,、环保达标（低,VOC,化、低碳化、无害化）。,5,、绿色涂装：“优质高产、低成本、少公害”（或“节能、降耗、减污、增效”清洁生产。,汽车涂装的目标要兼顾,高品质、商业价值、经济性、环境友好性,等四个方面（参见图,1,）。,4,汽车涂装的关键要因,商业价值,经济性,高品质,环境的友好性,汽车涂装工艺技术的发展趋向,材料及工艺成本的最优化,图,1,汽车涂装目标,5,按生命周期分析法：,工业涂层的耗能和,CO,2,发生量主要在涂装过程中（参见表,1,）。,表,1,各工业涂装系统的,CO,2,发生比例,原材料,涂料制造,涂装,废弃,工业涂装,40,3,55,2,汽车涂装,25,3,70,2,建筑涂装,90,2,5,3,汽车涂装耗能大，在生命周期中涂装排出,CO,2,比率大（,70,），其原因：,多涂层体系、环境条件（空调）要求高，烘干次数多。,长期以来，人们不把,CO,2,当作有害气体，现今它是温室气体要限排。为保护人类的生存环境和可持续发展，联合国会议要求各国制定节能减排（削减,CO,2,排放量）的目标值。,本文主题就是介绍汽车涂装能耗现状及差距，和推荐成熟的，已获得工业应用的节能减排新工艺技术。,6,二、汽车涂装耗能现状、国内外的差距,汽车涂装车间是汽车制造业的耗能大户,德国杜尔公司：汽车涂装能耗占汽车生产总能耗的,70,，零部件制造,占,19,，装配占,11,。,意大利,GEICO,公司：涂装车间的能耗占整个汽车生产,70,电能和,80,的热能。每辆汽车涂装产生,CO,2,235,kg/,台。,日本大气社：,2000,年报导年产,24,万台轿车车身的涂装车间，年排出,CO,2,4,万多吨，每台车身涂装产生,CO,2,169.6,kg/,台（参见图,2,、表,2,）。,图,2,涂装车间及各种设备的,CO,2,排出量细分（）,7,表,2,汽车涂装设备的能耗表和,CO,2,排出量的试算,设备,电能,加热能,冷却能,合计,额定,CO,2,排出量,年平均消耗量,CO,2,排出量,年平均,消耗量,CO,2,排出量,tCO,2,/,年,KgCO,2,/,台,Kw,tCO,2,/,年,KgCO,2,/,台,MJ/h,tCO,2,/,年,KgCO,2,/,台,MJ/h,tCO,2,/,年,KgCO,2,/,台,前处理,278,578,2.4,2491,891,3.7,1469,6.3,电泳,989,2194,9.1,2194,9.1,烘干室,756,1204,5.0,22871,6309,26.3,7510,31.3,喷漆室（空调）,3972,7393,30.8,47988,11226,46.8,1076,242,1.0,18861,78.6,工位,（空调）,885,1518,6.3,13316,2705,11.3,144,28,0.1,4251,17.7,其他,788,4736,19.7,7051,1645,6.8,166,32,0.1,6413,26.6,合计,7668,17623,73.3,93717,22773,94.9,1386,302,1.2,40698,169.5,丰田汽车公司：发展规划,2010,年后的单台车身涂装,CO,2,排出量为,45KgCO,2,/,台。,一汽大众公司：,1,和,2,轿车车身车间,2009,年度能耗和,CO,2,排出量列于表,3,中。,CO,2,排放量,1,车间为,192.0,kgCO,2,/,台，,2,车间为,232.2,kgCO,2,/,台。,注：,CO,2,排出量换算系数：电力,0.555KgCO,2,/,（,Kw,h,），天然气,0.0513KgCO,2,/MJ,（其发热量为基准）,8,表,3,一汽大众,1,、,2,轿车车身涂装车间的能耗和,CO,2,排出量一览表,涂装车间名称（车间概况）,一涂,（,1995,年投产，,2009,年生产,37,万台,二涂,（,2004,年投产，,2009,年生产,30,万台）,备注,年耗量及,CO2,排出量,能源名称,年消耗量,（,2009,年）,CO,2,排出量,年消耗量,（,2009,年）,CO,2,排出量,换算,CO2,排出系数：电,0.555KgCO2/,（,Kw,h,）；,采暖、高温水：,0.07kg,CO,2,/MJ,；天然气：,2.12895kg,CO,2,/M,3,一涂是超负荷生产，二涂是满负荷生产。,tCO,2,/,年,KG,CO,2,/,台,tCO,2,/,年,KG,CO,2,/,台,用电（兆瓦时）,63504,35244.72,95.256,58123,32258.26,107.53,采暖（吉焦）,48545,3398.15,9.184,43096,3016.72,10.06,高温水（吉焦）,163735,11461.45,30.977,152569,10674.83,35.60,天然气,（千立方米）,9843,20955.254,56.636,11275,24003.91,80.01,合计,71059.57,192.053,69953.72,233.2,广州本田公司：,2007,年介绍单台车身涂装能耗为电,150KW,h/,台。,LGP,：,15Kg/,台，换算成,CO,2,排出量为,128.55,Kg,CO,2,/,台。,上海临港涂装线：,2009,年一季度单台车身涂装能耗为电,285.6KW,h/,台,；热水,2.3510,6,KJ,；天然气,32.7m,3,（,N,）；换算成,CO,2,排出量为,392.628,Kg,CO,2,/,台。,9,据日本期刊最新报导：日本汽车涂装在节能减排方面又取得较大进步，,2012,年后的中期目标为,100kg,CO,2,/,台,（见图,3,）,图,3,日本汽车涂装工程,CO2,排出量的变迁,（摘自日刊,“,涂装技术,”,2011,年,5,月号,P.50,）,10,按,HJ/T293,2006,汽车制造业涂装清洁生产标准一级：,3C3B,耗电量,20Kw,h/m,2,，,换算成,CO,2,排出量为,11.1kgCO,2,/m,2,，,按车身面积,80m,2,/,台计，,则,CO,2,排出量,11.1,80,888kg,CO,2,/,台。,我国已向世界承诺至,2020,年将单位,GDPCO,2,排放量在,2005,年基础上减少,45,。目前单位,GDP,的耗能量，我国是日本的,5.5,倍，美国的,2.35,倍。,综上所述：汽车车身涂装,CO,2,产生量（,kg,CO,2,/,台）也是日本的,2,5,倍，这也说明我们节能减排潜力巨大。,换句话说：我国现已是世界第一的汽车生产大国，,2010,年产,1800,万辆，涂装所耗能量在日本可涂装,3600,4000,万辆汽车，也就是说我国汽车工业大而不强的原因之一。,11,三、新的节能减排工艺技术（,21,项）,针对工业涂装能耗（电能和热能）的特点，节能减排的技术措施可归纳为：,（,1,）削减能耗技术，提高能源的有效利用率,（,2,）回收再生，综合利用未被利用的热能和废热,（,3,）选用单位发生热量的,CO2,排出量小（即,COP,高的）能源和技术（如热泵技术，参见图,4,）。,图,4,利用,1KWh,的热时的,CO,2,排出量比较,*,COP,（,coefficient of performance,）,成绩系数,12,为节能增效，缩小能耗差距，必须从节能减排，环保清洁,生产的角度，解放思想转变观念，再认识和审核现行涂装工艺,及涂装设备，必须依靠技术进步，走创新之路，开发研究，采,用更节能、更环保、成本更低的新涂装材料、涂装工艺和涂装,设备。例如，喷漆室排风可否循环再利用；如何减少烘干工,序，开发采用：,“,湿碰工艺，能量仅供给涂膜而工件本身在涂膜,固化时不升温（如采用光固化材料及工艺，靠化学能固化的双,组分涂料），如何选用工艺性更好的涂装材料、涂装设备、和输,送设备等。,总之，如何用同数量的原材料和能源，能加工出更多更好,的产品，创造出更高的产值，其排污（,VOC,、,CO2,、污水等）,少，来增强产品和企业的竞争力。,从前处理、阴极电泳、中涂,面漆喷涂工艺、喷漆室和烘干室等五方面推荐、介绍已获得工业应用的新的节能减排工艺技术。,13,3.1,在涂装前处理工艺方面,：磷化低温化、快速化、低渣化、采用新一代环保型涂装前处理工艺、预清洗逆工序补水法和滚浸式输送机等。,（,1,）磷化处理低温化、低渣化。,现用的磷化工艺，一般使用,Zn,、,Mn,、,Ni,三元磷化液，现今改进采用液体表调剂、磷化温度由,50,下降到,43,，现今为,35,，沉渣减少,30%,，处理时间由,180s72s,，可节能和提高资源利用率。,（,2,）采用新一代环保型涂装前处理工艺（氧化锆处理和硅烷处理技术）替代现用的磷化工艺。,新工艺能彻底不用,P,、,Mn,、,Ni,、,NO,2,等有害物质，膜薄（纳米级），少渣或无渣，资源利用率高；可在室温下处理，且处理快速；工艺简化（不需表调和钝化）；其中硅烷处理的发展潜力更大，它无渣，处理时间短（,530s,）；因此其经济技术效果更佳。（参见表,4,）,14,表,4,两代涂装前处理工艺特性及成本对比,15,（,3,）预清洗逆工序补水法,（如图,5,所示）：经,23,次水洗被清洗件的清洁度,1/100,处理液浓度。即洗一次稀释,10,倍以上，排放清洗水的污染度控制为,1/10,处理液浓度；并可作为各处理液槽的补加水。与各槽都补水相比，可成倍地削减用水量（参见图,6,）。,图,5,四室喷射式清洗机预喷洗的流程,图,6,水洗的多段水洗化,（,4,）采用热泵技术，替代燃气锅炉或电加热,16,（,5,）前处理、阴极电泳涂装线选用先进的滚浸式输送机,。滚浸式输送机的长处是：工艺性好，能使车身在浸渍处理过程中旋转,360,（或,180,），车身外表朝下，处理面积达,100%,，外表水平面的颗粒大幅度减少，带液量减少,90%,左右，设备长度较短，槽容积较小（参见表,5,和图,7,）。,表,5,前处理,电泳涂装线常用四种输送方式的工艺槽大小对比,工艺槽名称（工艺时间）,推杆悬链,摆杆链,滚浸式,（,Rodip-3,）,多功能穿梭机,脱脂槽（浸,3min,）,磷化槽（浸,3min,）,浸洗水槽（浸入即出）,喷洗水槽（喷,0.5min,）,电泳槽（电泳,4min,）,浸洗槽（浸入即出）,喷洗槽（喷,0.5min,）,183m,3,193.3m,3,（底部漏斗状）,83.4m,3,5.5m,3,261m,3,77m,3,7.3m,3,125m,3,125m,3,(,平底,),65m,3,9m,3,224m,3,65m,3,9m,3,95m,3,95m,3,（平底）,39m,3,12m,3,184m,3,39m,3,9m,3,134m,3,134m,3,（平底）,50m,3,10m,3,220m,3,57m,3,8m,3,注：轿车车身涂装线的规模：,JPH35,台,/h,，挂距,6m,，链速,V=3.5m/min,17,随外观质量提高，打磨作业量减少；耗水量减少，材料利用率提高，随工艺槽容量的减少，投槽费用和运行费用也将大幅度减少。,Ro-Dip,运输机,Vario-shuttle,运输机,倒挂升降运输机,RO-Dip,E-Dip,E-Shuttle,J-Jump,图,7,滚浸式输送机的照片,18,3.2.,在阴极电泳涂装方面：,开发采用高和超高泳透力,CED,涂料，省搅拌型,CED,涂料、,ED-RO,清洗水再生法。,（,1,）高和超高泳透力,CED,涂料。,第,1,、,2,代,CED,涂料的泳透力较低，要保证车身内腔表面的泳涂膜厚,10,m,，外表面涂膜厚往往达,2530,m,（按标准一般只需,1822,m,），有的部位因泳涂时间长则更厚。这种超值膜厚，虽不是质量问题，但,CED,涂料耗量增大，涂装成本增高。采用新开发的第三代高或超高泳透力,CED,涂料后，可削减,CED,涂料耗量,20%,左右（降低成本,10%,）。与延长电泳时间（,3min,延长至,4,5min,）来提高泳透力工艺措施相比，在节能减排和降低运行成本方面，采用高泳透力,CED,涂料占明显的优势。,（,2,）省搅拌型,CED,涂料。,为防止沉淀和凝聚，电泳槽液无论作业时，还是停产时一般都需连续搅拌，还需配置备用电源。采用新开发的省搅拌型,CED,涂料，停产时和节假日可不搅拌或间歇式搅拌（最长可停搅拌,10,天），在生产前搅拌即可。可削减循环搅拌槽液的能耗，（在实际生产线上年耗电量削减,85,）不需配置备用电源。,（,3,）,ED-RO,清洗水再生法。,最初用,ED-RO,装置由,UF,液制,RO,再生水，现今用来再生,UF,液清洗后的循环纯水洗液（电导,50,s,），,RO,水代替新鲜纯水（电导,5,s,），浓缩液逆工序补给,UF,液洗工序。实现无排放的、闭合的电泳后清洗体系（参见图,8,）。,19,图,8,闭合式阴极电泳及后冲洗工艺流程示意图,（,4,）精益优化,CED,工艺及设备设计（如电泳槽大小、极距、泳透力、后清洗工艺等方面,（,5,）采用热泵技术替代制冷机组，回收热能（参见图,18,）,。,20,3.3,中涂,面漆喷涂工艺的精益优化设计,（,1,）在保证质量的前提下，简化工艺（减少烘干工序）扩大,“,湿碰湿,”,（,wet in wet,）工艺技术的应用。,PVC,车底涂料密封胶不单独烘干，与中涂或面漆一起烘干。,开发、选用新型中涂,底色漆（溶剂型或水性），推广采用,“,三湿（,3,wet,）,”,喷涂工艺：如,3C1B,和双底色（,2010,）工艺，免中涂工艺（参见图,9,、,10,）,图,9,混溶效果的断面显微镜照片,21,图,10,涂层结构及各涂层涂膜厚度,注：,a.,水性金属底色漆空气喷涂,b.,水性金属底色漆静电喷涂,22,图,11,Robot,和,ESTA,两种静电自动杯式静电喷涂机,的喷涂轨迹涂和涂装效率,（,2,）静电喷涂技术,进入,21,世纪以来，随机器人和电控技术的进步，智能化程度的提高，小型轻量化的杯式静电喷枪开发成功，机器人（,Robot,）静电喷涂机已淘汰了往复式自动静电喷涂机,(ESTA),。两者相比，机器人喷涂机的优点是：涂装效率高，,34,台机器人就能承担由侧喷机和顶喷涂机组成的车身用,9,杯,ESTA,的喷涂任务；适用于多品种的柔性化生产；压缩空气和清洗溶剂，维修工作量仅为,9,杯的,ESTA,的,35%,左右，涂装效率高（参见图,11,），运行成本低。,机器人静电喷涂的喷涂质量优，且稳定，可在线外按最佳的喷涂程序及参数示教，能克服人的因素带来的喷涂质量问题，实现喷涂全自动化（无人化）。,23,3.4,在喷漆室方面,：干式漆雾捕集装置替代湿式漆雾捕集装置，喷漆室排风再生循环利用，精心设计控制供排风量和温,湿度；选用节能型配套件等。为适应节能减排，降低喷漆室的运行成本，近年来喷漆室有着革命性的大变革。,（,1,）干式漆雾捕集装置替代湿式漆雾捕雾捕集装置。,汽车车身喷涂线几十年一直采用水洗式漆雾捕集装置，它虽具有优良的捕集效率，但其致命的不足之处是耗水、耗化学药品，使漆雾成为危险物，且成倍地增量；污水及废弃物处理费用大增；在欧美汽车工业已有被干式漆雾捕集装置取代之势。,24,德国杜尔和艾斯曼公司近年分别推出干式漆雾捕集装置（,Eco Dry Scrubber,）和半干式静电漆雾捕集装置（,ESCRUB),，（参见图,12,、,13,）。,图,12 Eco Dry Scrubber,图,13 ESCRUB,25,（,2,）喷漆室排风循环再利用。,现今汽车车身用的大型喷漆室一般都是一次性供,/,排风，不循环再利用或少量（,20%,左右）循环利用，因而在夏季（冷却）、冬季（加热升温）耗能很大。为节能减排，已有喷涂水性涂料,+,干式漆雾捕集技术,+,喷漆室排风循环再利用等配套技术（参见图,14,、,15,）。采用后节能和降成本效果显著（可降低单车涂装成本,10%,左右）。,文丘里湿式喷漆室,静电漆雾净化喷漆室,图,14,湿式和静电漆雾捕集（净化）装置的供,/,排风运行状况,26,图,15,喷漆室供风的再循环流程,27,图,16,再循环空调器的原来方式,和采用热泵后的方式,（,3,）精心设计，尽力减少喷漆室的供、排风量,。在工艺和设备设计中严控喷漆室的长度和宽度，以及风速。它们是决定喷漆室供、排风两的三要素，还有对喷漆室空调的温,湿度和气流控制应充分探讨。,选用节能型的配套件。,选用高效率电机，灵活应用变频技术，随工况自动调节供、排风量。,（,4,）在图,15,循环风空调器中采用热泵技术,（加热、冷却同时使用），则削减,CO2,效果特别显著（,68,）。（参见图,16,、,17,）,图,17,再循环空调器采用热泵的,CO,2,削减效果,28,3.5,在干燥（固化）设备方面：,工业涂装用干燥（烘干）设备可分干燥水份和涂膜固化两种用途。,（,1,）改进涂料的固化特性，实现涂膜固化低温化、快速化，如：双组份涂料，可实现低温、快速固化；光固化涂料可实现光（可见光或紫外线）固化或,UV,与热双固化，并可使工件不升温。,（,2,）烘干能源混合化和加热方式复合化。,（,3,）精益优化设计。如加强隔热保温措施，烘干室紧凑化（尽量缩小烘干室容积，循环风管布置在烘干室内等）；减少换热器（如,CED,底漆、中涂烘干采用燃气的烟道气直接加热）等。,（,4,）开发采用热泵技术，提高能效，回收低温热能，削减,CO,2,排放量。,日本的第一台,CO2,热风热泵应用于变压器外壳的电泳、面漆涂装线上，供烘干室补充新鲜空气的预热（,80,120,），冷水供电泳槽液调温，经使用显示：,CO2,排放量削减,13,液化气（,LPG,）使用量削减,24,降低运行成本,12, （参见图,18,）。,29,图,18,采用热风热泵系统图和效果,30,图,19,晾干装置的原来方式与采用热泵方式,（,5,）采用低温低湿空气干燥水份。,如水性底色漆喷涂后罩光前干燥，使涂膜的,NV,达,85,以上，常规采用吹热风（,80,、,15g/kg,）,3min,，随后吹冷风（,20,）,，,1min,冷却到,35,。,又如塑料件在前处理后的水份干燥（升温慢，冷却也慢）。采用热泵技术吹低温（,50,）低湿（,8g/kg,）空气替代现水份干燥工艺，取消冷却工序，能大幅度削减,CO,2,排放量（参见图,19,、,20,）。,图,20,晾干装置采用热泵的,CO,2,削减效果,31,四、涂装工艺及设备和管理的精益优化设计,在设计采用节能减排硬件的同时，软件（管理）也要跟上。,4.1,涂装工艺和设备设计应有涂装清洁生产的目标值,（参见表,6,）。设计要精益化（如削减或消除无效益作业和超值功能），工序紧凑化、快速化、经济规模等。,项目指标,指标,（,1,）,备注,一级国际水平（接轨级）,二级国内基本水平,资源能源 利用指标,耗新鲜水量（,L/m,2,）,8,10,水循环利用率（）,80,70,循环、重复利用和再生利用用之注意待定,耗电量（,KWh/m,2,）,1.5,2,以总能耗量,（,2,）,换算成,CO,2,产生量来考评,耗燃气（油）量（,kg/m,2,）,0.4,0.5,污染物产生指标,VOC,产生量（,g/m,2,）,35,60,CO,2,产生量（,kg,CO,2,/m,2,）,1.5,2.5,废水产生量（,L/m,2,）,5,6,产业废弃物产生量,(g/m,2,),100,150,禁用有毒物质,应符合国家法规要求,如,Hg,、,Gr,、,Cu,、,As,、,Pb,、,Ni,等一类金属污染物,注：,1,、表中的指标是作者根据收集到的资料,2007,年南京汽车涂装技术交流会上作出的推荐值，供参考。,2,、总能源消耗量含电和燃气（燃油）等，它们之间的用量之比可任意调整。,表,6,汽车涂装清洁生产目标值,32,4.2,开展全员管理活动，创建零涂装缺陷涂装线，提高一次合格率（高水平的由,90,98,）和设备开动率（高水平的有效利用率,93,95,）。,4.3,涂装工艺、设备管理自动化、智能化。如杜尔公司的,ECO EMOS Energy,软件。,4.4,加强人员培训，提高企业的管理水平,通过培训，提高全员（管理人员、技术人员、操作人员）的素质、树立经济观念，环保节能意识，参与管理意识；提高技术水平及操作熟练程度、职业道德和竞争意识等。,4.5,健全规章制度，加强考核。由粗放经营转为精益生产管理，如材料和能耗和工时等有统计有考核、有分析，考核与奖惩制度挂钩。,33,五、结语,经,“,十一,五,”,期间汽车工业飞跃发展，尤其轿车工业,“,井喷式,”,的大发展。我国已成为世界生产汽车的第一大国和第一大汽车销售市场，已成为我国国民经济的支柱产业。新建和扩建改造汽车涂装线上百条，我国汽车涂装工艺技术产生了质的飞跃，工艺水平和涂装质量已与国际接轨，其装备水平可称世界一流。可是在环保、节能减排和资源利用率方面与国外先进水平相比尚存在较大的差距，且发展不平衡，有的涂装线在,VOC,排放量、能耗（,CO,2,排放量）、耗水量等方面为先进水平的好几倍。,应总结经验教训，不能再走,“,先生产、先污染、再治理,”,的路子，要破,“,只要把,GDP,搞上去，什么都好,”,的观念，树立有质量的（,低碳、绿化和环保,）的,GDP,增长的观念。为国民经济可持续发展和保护人类的生存环境，望国家早日出台强制性的涂装清洁生产法规；加强环保清洁生产宣传教育力度和执法力度，使企业领导和全民成为清洁生产的促进派，负起社会责任，人人都能自觉地遵守法规、去扶植和完善环保、节能减排技术的发展，不当保守派*。,希望我们涂装、涂料相关的专业人员和企业领导响应国家创建环境友好型、低碳经济型社会的号召，坚持科学发展观，依靠技术进步，为创新实现,绿色涂装,多作贡献！,谢 谢 大 家 ！,