自行車涂裝生產(chǎn)線環(huán)保與節(jié)能設(shè)計(jì)

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(chǎn)線于1994 年4 月建成并開始使用，當(dāng)時(shí)以逐步加大投資的方式形成了每棟廠房有2 條涂裝生產(chǎn)線、2 條裝配線的格局，已經(jīng)不符合現(xiàn)行的消防法規(guī)對(duì)混用車間涂裝面積比例的要求。同時(shí)國家對(duì)涂裝噴漆工藝排放廢氣處理方式的要求發(fā)生了很大的變化，高空排放與活性炭吸附等處理措施已經(jīng)不適應(yīng)當(dāng)前法規(guī)的要求。另外，20 多年的設(shè)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(chǎn)品以及綠色出行的快樂騎行文化，主動(dòng)承擔(dān)社會(huì)責(zé)任，在10 年前就著手研究綠色環(huán)保涂裝，先后研究導(dǎo)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(shè)了2 座旋碟噴房，以驗(yàn)證水性底漆的各項(xiàng)性能與工藝參數(shù)，經(jīng)過2 年的改進(jìn)，積累了一定的水性涂料使用經(jīng)驗(yàn)。

基于以上幾點(diǎn)，公司決定對(duì)涂裝生產(chǎn)線進(jìn)行大范圍技改，設(shè)計(jì)全新的涂裝設(shè)備與工藝。

1 確定設(shè)計(jì)原則

老的涂裝線沒有送風(fēng)系統(tǒng)，為自然進(jìn)風(fēng)、強(qiáng)制排風(fēng)，雜質(zhì)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(yè)環(huán)境，員工離職率高。一條“四噴五烤”涂裝線的排風(fēng)量達(dá)到15 萬m3/h左右，典型的大風(fēng)量、低濃度排放，為廢氣治理帶來很大困難。25 年的老設(shè)備，線路老化、設(shè)備銹蝕等帶來很多的不安定性，設(shè)備的控制還都是機(jī)械控制或者模擬控制，沒有辦法數(shù)字化。所有這些都是在這次技術(shù)改造中需要解決與改善的，希望新建成的涂裝生產(chǎn)線能夠在未來10 年的自行車行業(yè)中不落后，能符合未來法律法規(guī)的要求。經(jīng)過多輪研討，確定了總的設(shè)計(jì)原則：安全，品質(zhì)保證，節(jié)能，環(huán)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(gè)，無法一次性就全部轉(zhuǎn)換為水性涂料，只能一個(gè)一個(gè)逐漸油轉(zhuǎn)水過渡，因此整條線一開始要水油共用，3 年后全部轉(zhuǎn)為水性涂料。

2 設(shè)計(jì)與驗(yàn)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(huán)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(fēng)道的特拉環(huán)過濾，效果一般。計(jì)劃在尾端采取沸石轉(zhuǎn)輪對(duì)涂裝廢氣進(jìn)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(zhuǎn)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(huán)過濾、棕網(wǎng)過濾、過濾棉過濾等方法，通過不同組合的對(duì)比，掌握不同工藝對(duì)漆霧攔截的貢獻(xiàn)。

由于工廠沒有顆粒物測(cè)試儀精確測(cè)量過濾后顆粒物濃度并通過風(fēng)量計(jì)算排放速率，于是采取了不是特別精準(zhǔn)的測(cè)試方法，在試驗(yàn)噴房排風(fēng)管尾端增加多道過濾棉，通過增重法計(jì)算其攔截量，粗略地確定不同攔截方法的攔截效果。測(cè)試時(shí)采用空氣噴槍直接對(duì)著噴房連續(xù)噴涂(沒有工件)，對(duì)油漆固體分進(jìn)行測(cè)定，也對(duì)噴涂前后油漆用量做好記錄，風(fēng)管尾端過濾攔截后的質(zhì)量完全按照固體分計(jì)算，結(jié)果見表1。

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

通過驗(yàn)證得知，在采用渦旋式水簾噴房的基礎(chǔ)上，可以通過增加噴淋、棕網(wǎng)過濾、三級(jí)過濾棉過濾，以及嚴(yán)格密封防漏等方法達(dá)到極高的漆霧攔截比例(99.9%以上)，這為后續(xù)噴房設(shè)計(jì)與廢氣處理前道過濾提供了依據(jù)。

2.2 水性涂料靜電噴涂設(shè)備

水性涂料是這幾年政府重點(diǎn)推介的涂料，其以水作為稀釋劑，在涂料的導(dǎo)電性以及干燥過程中溶劑的揮發(fā)速率等方面與傳統(tǒng)的溶劑型涂料完全不同。特別是靜電噴涂，傳統(tǒng)油漆的噴涂設(shè)備在噴涂時(shí)靜電高壓達(dá)到90 kV，當(dāng)換成水性涂料噴涂時(shí)，由于漏電流大，直接超出保護(hù)電流而出現(xiàn)跳高壓，對(duì)整個(gè)噴涂系統(tǒng)(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(duì)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(jìn)行了調(diào)查與驗(yàn)證。

按文獻(xiàn)[2]的推薦，采用交聯(lián)聚乙烯進(jìn)行絕緣，對(duì)旋碟高壓靜電釋放速度進(jìn)行測(cè)試：打開高壓10 min后關(guān)閉高壓，測(cè)馬達(dá)本體高電壓從關(guān)閉開始自然降為零的時(shí)間。高壓跳閘距離的測(cè)試方法為固定接地導(dǎo)體與旋碟的距離，慢慢往上打高壓，記錄高壓跳掉時(shí)的電壓。根據(jù)表3 與表4 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，涂料輸送系統(tǒng)距離周邊接地體的安全距離設(shè)計(jì)應(yīng)為40 cm，涂料輸送系統(tǒng)包含放置涂料桶的絕緣臺(tái)、隔離涂料泵與電機(jī)的絕緣棒等。設(shè)計(jì)安全保護(hù)漏電流仍然為200 μA，同時(shí)設(shè)計(jì)單獨(dú)的涂料隔離間，并保證通風(fēng)順暢，涂料隔離間的門與設(shè)備聯(lián)動(dòng)，靜電噴涂時(shí)打開門則高壓自動(dòng)跳閘。

表2 聚乙烯、聚氯乙烯和交聯(lián)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(cè)試結(jié)果Table 3 Test result of high-voltage electrostatic release rate

表4 高壓跳閘距離測(cè)試結(jié)果Table 4 Test result of high-voltage tripping distance

2.3 節(jié)能設(shè)計(jì)

參考文獻(xiàn)[3]介紹的汽車涂裝新的節(jié)能減排工藝技術(shù)，冬天針對(duì)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(fēng)進(jìn)行熱交換，給新鮮風(fēng)加熱；另一種是烤爐熱氣先加熱水溫，再通過熱水與新鮮風(fēng)進(jìn)行熱交換。這兩種方式都可以減少冬天中央空調(diào)的制熱量。

夏天，關(guān)閉余熱利用系統(tǒng)，新鮮風(fēng)送風(fēng)箱第一道采用噴淋或濕簾的方式，通過水分蒸發(fā)吸熱，對(duì)送到車間的新鮮風(fēng)進(jìn)行降溫。

通過精確計(jì)算，對(duì)水泵、風(fēng)機(jī)、輸送鏈等電機(jī)功率作合理降低，一噴一烤單繞線由之前老線設(shè)計(jì)的總功率76.2 kW 下降到53.35 kW，下降比例達(dá)30%。

設(shè)計(jì)中央空調(diào)蓄水池，利用0∶00 至8∶00 時(shí)段的低谷電價(jià)[0.32 元/(kW·h)]，令中央空調(diào)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(jià)1.10 元/(kW·h)]，在用電量基本不變的基礎(chǔ)上節(jié)省70%的電費(fèi)。

廢氣處理設(shè)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(fēng)用于脫附(不單獨(dú)用電加熱或天然氣燃燒加熱)。

2.4 環(huán)保減排

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

通過對(duì)之前噴房風(fēng)量與排放濃度、排放速率的第三方檢測(cè)(見表5)，單個(gè)組面涂的風(fēng)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(shè)計(jì)一樣，4 座噴房的風(fēng)量按照面涂風(fēng)量的4 倍計(jì)算，加上修補(bǔ)噴房的風(fēng)量，一條線合計(jì)風(fēng)量15 萬m3/h 左右，7 條線的總風(fēng)量為105 萬m3/h 左右。

表5 面涂的廢氣排放檢測(cè)結(jié)果Table 5 Inspection result of waste gas discharged from topcoat spraying

從表5 可以看出，前、后補(bǔ)正的排放濃度極低，只有靜電噴房的4%左右，已經(jīng)在排放標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，這種廢氣處理能耗大、效率低。設(shè)計(jì)循環(huán)風(fēng)利用時(shí)，將前后補(bǔ)正的外排風(fēng)通過過濾達(dá)到要求后循環(huán)利用于無人區(qū)域(如靜電室、流平室、前后補(bǔ)正的工件后邊的無人區(qū)域)，減少排放風(fēng)量50%，提升排放濃度到476 mg/m3左右。通過該設(shè)計(jì)減少了廢氣處理設(shè)備的投入50%，同時(shí)提升了后續(xù)沸石轉(zhuǎn)輪的廢氣處理效率，降低了RTO 運(yùn)行時(shí)天然氣的用量，年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用約100 萬元。

3 結(jié)語

自行車涂裝線的設(shè)計(jì)采用渦卷式噴房，通過循環(huán)風(fēng)濃縮、過濾器過濾等措施可以減少廢氣中VOC(揮發(fā)性有機(jī)化合物)及顆粒物的排放，提高“沸石轉(zhuǎn)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(jī)器人旋杯高電壓絕緣系統(tǒng)的控制來保證，通過鏈條、吊具、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等的合理設(shè)計(jì)能夠保證機(jī)器人噴涂仍然采取傳統(tǒng)的懸掛工件方式，而不必改用地軌。通過降低設(shè)備功率、利用余熱、借助水分揮發(fā)吸熱、錯(cuò)峰蓄能等節(jié)能設(shè)計(jì)，可以大大降低設(shè)備運(yùn)行能耗以及碳排放。