自行車涂裝生產線環保與節能設計

戴吉柱

（捷安特(中國)有限公司，江蘇 昆山 215300）

捷安特(中國)有限公司的涂裝生產線于1994 年4 月建成并開始使用，當時以逐步加大投資的方式形成了每棟廠房有2 條涂裝生產線、2 條裝配線的格局，已經不符合現行的消防法規對混用車間涂裝面積比例的要求。同時國家對涂裝噴漆工藝排放廢氣處理方式的要求發生了很大的變化，高空排放與活性炭吸附等處理措施已經不適應當前法規的要求。另外，20 多年的設備使用下來，故障率高，有些部件也不好更換。

公司一貫大力推行綠色產品以及綠色出行的快樂騎行文化，主動承擔社會責任，在10 年前就著手研究綠色環保涂裝，先后研究導入粉末涂料、高固體分涂料、水性涂料，近些年更是加大了自行車用水性涂料及其靜電涂裝工藝的深入研究[1]，于2014 年展開中試，建設了2 座旋碟噴房，以驗證水性底漆的各項性能與工藝參數，經過2 年的改進，積累了一定的水性涂料使用經驗。

基于以上幾點，公司決定對涂裝生產線進行大范圍技改，設計全新的涂裝設備與工藝。

1 確定設計原則

老的涂裝線沒有送風系統，為自然進風、強制排風，雜質成為涂裝不良的最大根源，敞開式的噴房也造成了夏天熱、冬天冷的惡劣作業環境，員工離職率高。一條“四噴五烤”涂裝線的排風量達到15 萬m3/h左右，典型的大風量、低濃度排放，為廢氣治理帶來很大困難。25 年的老設備，線路老化、設備銹蝕等帶來很多的不安定性，設備的控制還都是機械控制或者模擬控制，沒有辦法數字化。所有這些都是在這次技術改造中需要解決與改善的，希望新建成的涂裝生產線能夠在未來10 年的自行車行業中不落后，能符合未來法律法規的要求。經過多輪研討，確定了總的設計原則：安全，品質保證，節能，環保，人文與科技。

由于自行車顏色特別多，常用顏色就有300 多個，無法一次性就全部轉換為水性涂料，只能一個一個逐漸油轉水過渡，因此整條線一開始要水油共用，3 年后全部轉為水性涂料。

2 設計與驗證

2.1 噴房攔截漆霧能力的提升

之前的噴房采用水簾幕+特拉環過濾漆霧的方式，水簾幕底部開口大，只有水簾而沒有水霧與漆霧完全混合的過程，靠風道的特拉環過濾，效果一般。計劃在尾端采取沸石轉輪對涂裝廢氣進行處理。由于其昂貴，一旦堵塞，更換成本特高，因此必須提高沸石轉輪前端的漆霧攔截能力。采用鋸齒水幕板 +漩渦(渦卷)的方式，令漆霧與水霧充分混合而將漆霧洗下來，再用多道擋水板將吸附了水霧的大顆粒漆霧擋下來，漆霧捕捉效果較好，再輔以噴淋、特拉環過濾、棕網過濾、過濾棉過濾等方法，通過不同組合的對比，掌握不同工藝對漆霧攔截的貢獻。

由于工廠沒有顆粒物測試儀精確測量過濾后顆粒物濃度并通過風量計算排放速率，于是采取了不是特別精準的測試方法，在試驗噴房排風管尾端增加多道過濾棉，通過增重法計算其攔截量，粗略地確定不同攔截方法的攔截效果。測試時采用空氣噴槍直接對著噴房連續噴涂(沒有工件)，對油漆固體分進行測定，也對噴涂前后油漆用量做好記錄，風管尾端過濾攔截后的質量完全按照固體分計算，結果見表1。

表1 不同漆霧捕捉方式的效率驗證Table 1 Verification of efficiencies of different paint fog capture methods

通過驗證得知，在采用渦旋式水簾噴房的基礎上，可以通過增加噴淋、棕網過濾、三級過濾棉過濾，以及嚴格密封防漏等方法達到極高的漆霧攔截比例(99.9%以上)，這為后續噴房設計與廢氣處理前道過濾提供了依據。

2.2 水性涂料靜電噴涂設備

水性涂料是這幾年政府重點推介的涂料，其以水作為稀釋劑，在涂料的導電性以及干燥過程中溶劑的揮發速率等方面與傳統的溶劑型涂料完全不同。特別是靜電噴涂，傳統油漆的噴涂設備在噴涂時靜電高壓達到90 kV，當換成水性涂料噴涂時，由于漏電流大，直接超出保護電流而出現跳高壓，對整個噴涂系統(特別是涂料輸送管道)的絕緣提出了極高的要求，使用的安全性也成為新的課題。因此對靜電絕緣材料、放電距離、放電速度、擊穿空氣的安全距離等進行了調查與驗證。

按文獻[2]的推薦，采用交聯聚乙烯進行絕緣，對旋碟高壓靜電釋放速度進行測試：打開高壓10 min后關閉高壓，測馬達本體高電壓從關閉開始自然降為零的時間。高壓跳閘距離的測試方法為固定接地導體與旋碟的距離，慢慢往上打高壓，記錄高壓跳掉時的電壓。根據表3 與表4 的實驗結果，涂料輸送系統距離周邊接地體的安全距離設計應為40 cm，涂料輸送系統包含放置涂料桶的絕緣臺、隔離涂料泵與電機的絕緣棒等。設計安全保護漏電流仍然為200 μA，同時設計單獨的涂料隔離間，并保證通風順暢，涂料隔離間的門與設備聯動，靜電噴涂時打開門則高壓自動跳閘。

表2 聚乙烯、聚氯乙烯和交聯聚乙烯電性能比較[2]Table 2 Comparison of electrical properties among polyethylene,polyvinyl chloride,and cross-linked polyethylene [2]

表3 高壓靜電釋放速度測試結果Table 3 Test result of high-voltage electrostatic release rate

表4 高壓跳閘距離測試結果Table 4 Test result of high-voltage tripping distance

2.3 節能設計

參考文獻[3]介紹的汽車涂裝新的節能減排工藝技術，冬天針對烤爐外排的廢氣余熱利用，采取兩種方式：一種是烤爐余熱通過熱交換器與新鮮風進行熱交換，給新鮮風加熱；另一種是烤爐熱氣先加熱水溫，再通過熱水與新鮮風進行熱交換。這兩種方式都可以減少冬天中央空調的制熱量。

夏天，關閉余熱利用系統，新鮮風送風箱第一道采用噴淋或濕簾的方式，通過水分蒸發吸熱，對送到車間的新鮮風進行降溫。

通過精確計算，對水泵、風機、輸送鏈等電機功率作合理降低，一噴一烤單繞線由之前老線設計的總功率76.2 kW 下降到53.35 kW，下降比例達30%。

設計中央空調蓄水池，利用0∶00 至8∶00 時段的低谷電價[0.32 元/(kW·h)]，令中央空調在夜間蓄能，代替白天8∶00～ 12∶00 以及17∶00～ 21∶00 的高峰用電[電價1.10 元/(kW·h)]，在用電量基本不變的基礎上節省70%的電費。

廢氣處理設備采用蓄熱式焚燒爐(RTO)，以天然氣燃燒加熱而不是電加熱，并將燃燒后的熱風用于脫附(不單獨用電加熱或天然氣燃燒加熱)。

2.4 環保減排

四噴五烤的工藝流程為：車架上線→前補正(死角補正底漆)→靜電噴涂(底漆)→后補正(死角補正底漆)→流平→烘烤(115 °C × 20 min)→冷卻→前補(死角補正中涂漆)→靜電噴涂(中涂漆)→后補(死角補正中涂漆)→流平→烘烤(115 °C × 20 min)→冷卻→前補(死角補正面漆)→靜電噴涂(面漆)→后補(死角補正面漆)→流平→烘烤(115 °C × 20 min)→冷卻→貼標→前補(死角補清漆)→靜電噴涂(清漆)→后補正(死角補清漆)→流平→烘烤(125 °C × 20 min)→冷卻→檢查下線。

通過對之前噴房風量與排放濃度、排放速率的第三方檢測(見表5)，單個組面涂的風量為35 940 m3/h，平均排放濃度237 mg/m3。由于一條線底、中、面、清漆噴房的設計一樣，4 座噴房的風量按照面涂風量的4 倍計算，加上修補噴房的風量，一條線合計風量15 萬m3/h 左右，7 條線的總風量為105 萬m3/h 左右。

表5 面涂的廢氣排放檢測結果Table 5 Inspection result of waste gas discharged from topcoat spraying

從表5 可以看出，前、后補正的排放濃度極低，只有靜電噴房的4%左右，已經在排放標準之內，這種廢氣處理能耗大、效率低。設計循環風利用時，將前后補正的外排風通過過濾達到要求后循環利用于無人區域(如靜電室、流平室、前后補正的工件后邊的無人區域)，減少排放風量50%，提升排放濃度到476 mg/m3左右。通過該設計減少了廢氣處理設備的投入50%，同時提升了后續沸石轉輪的廢氣處理效率，降低了RTO 運行時天然氣的用量，年節省運行費用約100 萬元。

3 結語

自行車涂裝線的設計采用渦卷式噴房，通過循環風濃縮、過濾器過濾等措施可以減少廢氣中VOC(揮發性有機化合物)及顆粒物的排放，提高“沸石轉輪+RTO”處理涂裝廢氣的效率。水性涂料的靜電噴涂可以通過旋碟及機器人旋杯高電壓絕緣系統的控制來保證，通過鏈條、吊具、轉向機構等的合理設計能夠保證機器人噴涂仍然采取傳統的懸掛工件方式，而不必改用地軌。通過降低設備功率、利用余熱、借助水分揮發吸熱、錯峰蓄能等節能設計，可以大大降低設備運行能耗以及碳排放。