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1、2011年10月14日,汽车涂装节能减排的新工艺技术,2011绿色涂装清洁生产技术交流会 无锡表面工程协会,会议主题：“低碳、节能、责任、发展”,2011年10月14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）55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,2011年10月14日,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510增长，预计年产汽车近2000万辆。涂装成为汽车制造的四
2、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、CO2 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）。,2011年10月14日,4,汽车涂装的
3、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,2011年10月14日,5,按生命周期分析法：工业涂层的耗能和CO2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CO2发生比例,汽车涂装耗能大，在生命周期中涂装排出CO2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CO2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CO2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
4、应用的节能减排新工艺技术。,2011年10月14日,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CO2235kg/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CO24万多吨，每台车身涂装产生CO2169.6kg/台（参见图2、表2）。,图2 涂装车间及各种设备的CO2排出量细分（）,2011年10月14日,7,表2 汽车涂装设备的能耗表和CO2排出量的试算,丰田汽车公司：发
5、展规划2010年后的单台车身涂装CO2排出量为45KgCO2/台。一汽大众公司：1和2轿车车身车间2009年度能耗和CO2排出量列于表3中。CO2排放量1车间为192.0kgCO2/台，2车间为232.2kgCO2/台。,注：CO2排出量换算系数：电力0.555KgCO2/（Kwh），天然气0.0513KgCO2/MJ（其发热量为基准）,2011年10月14日,8,表3 一汽大众1、2轿车车身涂装车间的能耗和CO2排出量一览表,广州本田公司：2007年介绍单台车身涂装能耗为电150KWh/台。LGP：15Kg/台，换算成CO2排出量为128.55KgCO2/台。上海临港涂装线：2009年一季度
6、单台车身涂装能耗为电285.6KWh/台；热水2.35106KJ；天然气32.7m3（N）；换算成CO2排出量为392.628 KgCO2/台。,2011年10月14日,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100kgCO2/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）,2011年10月14日,10,按HJ/T2932006汽车制造业涂装清洁生产标准一级：3C3B耗电量20Kwh/m2，换算成CO2排出量为11.1kgCO2/m2，按车身面积80m2/台计，则CO2排出量11.1808
7、88kgCO2/台。我国已向世界承诺至2020年将单位GDPCO2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CO2产生量（kgCO2/台）也是日本的25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36004000万辆汽车，也就是说我国汽车工业大而不强的原因之一。,2011年10月14日,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（
8、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CO2排出量比较*COP（coefficient of performance）成绩系数,2011年10月14日,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
9、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。,2011年10月14日,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
10、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、NO2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）,2011年10月14日,14,表4 两代涂装前处理工艺特性及成本对比,2011年10月14日,15,（3）预清洗逆工序补水法（如图5所示
11、）：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,2011年10月14日,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
12、前处理电泳涂装线常用四种输送方式的工艺槽大小对比,注：轿车车身涂装线的规模：JPH35台/h，挂距6m，链速V=3.5m/min,2011年10月14日,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。,E-Shuttle,J-Jump,图7 滚浸式输送机的照片,2011年10月14日,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10m，外表面涂膜厚往往达2530
13、m（按标准一般只需1822m），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45min）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，
14、（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50s），RO水代替新鲜纯水（电导5s），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）。,2011年10月14日,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）。,2011年10月14日,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
15、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（3wet）”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,2011年10月14日,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,2011年10月14日,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
16、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）。,2011年10月14日,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
17、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。,2011年10月14日,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
18、Dry Scrubber,图13 ESCRUB,2011年10月14日,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,2011年10月14日,26,图15 喷漆室供风的再循环流程,2011年10月14日,27,图16
19、 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CO2削减效果,2011年10月14日,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
20、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CO2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（80120），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
21、）使用量削减24 降低运行成本12（参见图18）。,2011年10月14日,29,图18 采用热风热泵系统图和效果,2011年10月14日,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CO2排放量（参见图19、20）。,图20 晾干装置采用热泵的CO2削减效果,2011年10月
22、14日,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。,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,2011年10月14日,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9098）和设备开动率（高水平的有效利用率9395
23、）。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。,2011年10月14日,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
24、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（CO2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！,
