（环境工程专业论文）基于生命周期评价的集装箱喷涂工艺比较分析.pdf

人连理j ：人学专业学位硕十学位论文 摘要 随着全球经济的迅速发展，人类社会的可持续发展问题已成为全世界所关注的焦 点。生命周期评价( t c a ) 作为一种新的环境管理工具，是对产品或过程从最初的原材料 采集到加工制造、产品使用以及用后处理的全过程进行跟踪( 即所谓的从摇篮到坟墓) 和定量分析与定性评价的方法。同时，集装箱喷涂目i ； 采用的喷涂方式镕剂型涂料 喷涂工艺在喷涂有机废气环境污染方面存在治理费用高、效果不明显等问题，而目前新 兴的尚未广泛采用的粉末涂料喷涂工艺废气排放影响较小，但是存在废水、重金属、粉 末等污染和投资费用高等问题，国外已经在小型汽车上采用粉末涂料喷涂工艺，但尚未 在集装箱生产上采用此方法。本文是在查阅分析了一些国内外文献的基础上，在现有粉 末喷涂的中小型部件生产实际中，探讨应用于集装箱的喷涂生产，依据现有生命周期评 价的原则和技术框架的要求，对工艺处理过程集装箱喷涂工艺进行生命周期评价研 究，研究内容及结论主要包括以下几个部分： ( 1 ) 利用生命周期评价的基本思想及原理，建立一种比较不同喷涂工艺综合性能优劣 的指标框架体系；评价指标体系包括三个基本层次结构，从经济效益、技术性能、环境 效益等三个方面选取了1 2 个指标。 ( 2 ) 提出了适用于集装箱喷涂工艺比较的目标值，采用层次分析法确定了各指标权重 值，并将灰色关联分析模型引入到框架指标体系的评价中。 ( 3 ) 根据所建立的指标框架体系及评价模型，对溶剂型涂料喷涂工艺和粉末喷涂工艺 进行比较分析。粉末喷涂综合性能要高于溶剂涂料喷涂，综合来看，无溶剂粉末喷涂工 艺的应用价值更高：各项分指标来看，“经济效益”分指数，溶剂型涂料占有一定优势： “技术性能”和“环境效益”分指数粉未喷涂占有一定优势；从各项单指标来看，在“废 气收集率”、“环境生物毒性”和“破坏臭氧层”等方面粉尘喷涂工艺具有非常明显的 优势，但在“设备投资”、“运行费用”、“能耗”、“维护难易程度”以及废水、重 金属、粉尘等污染物排放方面，粉末喷涂工艺较传统的溶剂涂料喷涂工艺仍有待改善。 本文为集装箱生产及制造企业提供了一种可以参考的喷涂工艺选用依据，从经济、 技术、环境角度综合考虑先进喷涂工艺的可行性及可应用性，从环境保护角度，有利于 减少或避免集装箱生产及制造过程中的环境污染问题。 关键词：生命周期评价；粉末喷涂；灰色关联；指标体系 基于生命周期评价的集装箱喷涂j ：艺比较分析 t h ec o m p a r i s o no fv a r n i s h i n gt e c h n i c s i nc o n t a i n e rm a n u f a c t u r i n gb a s e do nl c am e t h o d a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fg l o b a le c o n o m y ，s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fh u m a n s o c i e t yh a v ea “r a c t e d t h ew h o l ew o r l d sa t t e n t i o n a san e wt o o lo fe n v i r o n m e n t a l m a n a g e m e n t , l e ai saq u a n t i f i c a t i o n a lm e t h o dw h i c hi su s e dt oa n a l y z e sp r o d u c to rp r o c e s s f r o mr a wm a t e r i a l sc o l l e c t i n gt o p r o d u c tm a n u f a c t u r i n g ，t ob eu s e da n dt r e a t e d w i t h m e a n w h i l e ，v a r n i s h i n gt e c h n i c sw i t hs o l v e n td o p ew h i c hi sw i d e l yu s e d i nc o n t a i n e r m a n u f a c t u r i n gi se x p e n s i v ea n dn o n e f f e c t i v ei ng a st r c a t m e n gv a r n i s h i n gt c c h n i c s w i t h p o w d e rd o p ea san e wm e t h o dw i t hh i g hi n v e s t m e n th a sap r o b l e mo fd u s tp o l l u t i o n t h i s p a p e rr e a s e r c h e so l lv a r n i s h i n gt e c h n i c si nc o n t a i n e rm a n u f a c i n r i n gw i t hl e am e t h o d t h e c o n t e n t sa n dc o n c l u s i o na sf o l l o w s ： ( 1 ) t a k i n gl c a a sb a s e l i n e ，c o n s t r u c t sa ni n d i c a t o rs y s t e ma v a i l a b l ef o rc o m p a r eb e t w e e n d i f f e r e n tt e c h n i c s t h ei n d i c a t o rs y s t e mf a l l si n t ot h r e eb a s i cp a r t s ：e c o n o m i cb e n e f i t , t e c h n i cc a p a b i l i t y ，a n de n v i r o n m e n t a lb e n e f i t t w e l v ei n d i c a t o r sa r ec h o s e nf r o ma b o v e t h r e ep a r t s ( 2 ) p r o v i d e st h ei n d i c a t o r s t a r g e tv a l u ef o rc o n t a i n e rv a r n i s h i n gt e c h n i c sa n dp u t si n d e x w e i g h t sf o r w a r db yh i b e r a r c h ya n a l y s i s b e s i d e s ，a p p l y st h em o d l eo fg r e ya s s o e i a t e i v e a n a l y s i so l li n d i c a t o rs y s t e ma s s e s s m e n t ( 3 ) a sac a s es t u d y ，t h ei n d i c a t o rs y s t e ma n dt h em o d l eo fg r e yr e l a t i o n a la n a l y s i sa r eu s e d t oc o m p a r eb e t w e e nv a r n i s h i n gt e c h n i c sw i t hs o l v e n td o p ea n dp o w d e rd o p e a c c o r d i n g t oi n t e g r a t e dc a p a b i l i t yi n d i c a t o r p o w d e rd o p ew h i c hi sm o r ev a l u a b l ei ss u p e r i o rt o s o l v e n td o p e ；a c o r d i n gt ot h el s l l e v e li n d i c a t o r s ，p o w d e rd o p ei ss u p e r i o rt os o l v e n t d o p ei ne c o n o m i cb e n e f i t ，t e c h n i cc a p a b i l i t y ，a n de n v i r o n m e n t a lb e n e f i t ，e s p e c i a l l yi n t e c h n i cc a p a b i l i t ya n de n v i r o n m e n t a lb e n e f i t ；a c c o r d i n gt oi n d i v i d u a li n d i c a t o r s ，p o w d e r d o p ei ss u p e r i o rt os o l v e n td o p ei nr u n n i n ge x p e n s e s ，e n e r g yc o f l s u m c ，g a sc o l l e c t i n g e f f i c i e n c y ，e n t i m n m a n t a lb i o l o g i ct o x i c i t ya n do z o n o s p b e r ed e s t r o y i n g ，b u ti n f e r i o rt o s o l v e n td o p ei ne q u i p m e n tc o n s u m ea n dd u s te m i s s i o n k e yw o r d s ：l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ：p o w d e rd o p e ：g r e yr e l a t i o n ：i n d i c a t o rs y s t e m u 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特另加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 辄z 熊 铆虢四嗡 年业月 2 1 l f 人连理i ：人学专业学位硕十学位论文 引言 随着社会发展与人类需求的增长，生念环境的迅速恶化将是2 1 世纪人类发展所面 临的重大危机，已成为国家社会普遍关注的焦点之一。面对当i j i 在人口、资源、环境与 经济发展关系上所出现的一系列矛盾，人们需要重新认识环境问题的来源与人类活动方 式以及消费模式之日j 的关系，通过制度创新、科技进步以及管理变革来协调人与自然之 间的关系。控制污染、保护环境、走可持续发展的道路是人类共同追求的目标。然而且 i j 的污染防治体系，着眼点过分集中于污染末端治理，过分偏重于被动补救，忽视了污 染产生的全过程，增加了人类和生态环境的风险。 人们迫切希望有一种方法能对其所从事的活动全过程的资源消耗和造成的环境影 响有一个彻底全面、综合的了解。被称为“9 0 年代的环境管理工具”的生命周期评价 ( l i f e - c y c l ea s s e s s m e n t ) 就是国际上普遍认可的这样一种方法。它是对产品或过程从最 初的原材料采集到加工制造、产品使用以及用后处理的全过程进行跟踪和定量分析( 即 所谓的从摇篮到坟墓) 与定性评价的方法。生命周期评价( l c a ) 在国外应用和发展了 近3 0 年，正成为许多政府和企业的环境管理工具。生命周期评价目前正处在研究和发 展中，国际环境毒理学与化学学会( s e t a c ) 和国际标准化组织( i s 0 ) 正积极开展l c a 方法的完善与标准化工作，i s o 已将生命周期评价作为i s 0 1 4 0 0 0 环境管理体系的一个 重要步骤。它同时也是环境标志计划与清洁生产实施的重要基础。总之，生命周期评价 j 下越来越受到人们的重视，它已成为2 1 世纪最有生命力和发展i i i 途的环境管理工具。 采用l c a 方法对集装箱的生产方式溶剂型涂料喷涂工艺和粉末喷涂工艺的对 比研究，寻求清洁生产方式，对生产环境和社会环境的改善都具有非常广泛的意义。我 们知道，粉末涂料不含有机溶剂，因而几乎没有工艺废气排放，但在废水、重金属排放 和投资费用高方面仍有很多不足，并且尚未有在集装箱生产上采用此方法的先例。本文 通过查阅分析一些国内外文献，采用现有生命周期评价的原则和技术框架的要求，在现 有粉末喷涂的小部件生产基础上，探讨应用于集装箱的喷涂生产。 目| ； ，我国对l c a 的认识和应用还处于起步阶段，这方面的研究进展较少。本文 是在查阅分析了一些国内外文献的基础上，依据现有生命周期评价的原则和技术框架的 要求，对工艺处理过程集装箱喷涂工艺进行生命周期评价研究，不仅在理论上提出 了一套适用于集装箱生产工艺的生命周期评价框图和模式，而且将所探讨的模式应用于 具体的工程实例中，在实践中进行检验。 基丁生命周期评价的集装箱喷涂i ：艺比较分析 1研究背景及研究意义 1 1 生命周期评价方法概述 1 1 1 关于生命周期评价 随着工业化的发展，进入自然生态环境的废物和污染物越来越多，超出了自然界自 身的消化吸收能力，对环境和人类健康造成极大影响。同时工业化也将使自然资源的消 耗超出其恢复能力，进而破坏全球生态环境的平衡。因此人们越来越希望有一种方法对 其所从事各类活动的资源消耗和环境影响有一个彻底、全面、综合的了解，以便寻求机 会采取对策减轻人类对环境的影响。 生命周期评价( l i f e c y c l e a s s e s s m e n t ，l c a ) 就是目l ；i 国际上普遍认同的为达到上 述目的的方法。国际标准i s 0 1 4 0 4 0 ( 1 9 9 7 ) 1 1 】定义l c a 是一种用于评估与产品有关的环 境因素及其潜在影响的技术。l c a 作为环境管理的有力工具，能够促进整个社会系统的 可持续发展。 1 1 2 生命周期评价定义与技术框架 国际标准i s 0 1 4 0 4 0 ( 1 9 9 7 ) 1 】对生命周期评价的定义为：对一个产品系统的生命周期 中输入、输出及其潜在环境影响的汇编和评价。 k 、a 的特征以及技术框架概述如下： ( 1 ) l c a 是一种用于评估与产品有关的环境因素及其潜在影响的技术，其做法为： 编制产品系统中有关输入与输出的清单； 评价与这些输入输出相关的潜在环境影响； 解释与研究目的相关的清单分析和影响评价结果。 ( 2 ) l c a 研究贯穿产品生命全过程( 即从摇篮到坟墓卜一从获取原材料、生产、使用 直至最终处置的环境因素和潜在影响。需要考虑的环境影响类型包括资源利用、人体健 康和生态后果。 ( 3 ) l c a 框架包括目的与范围的确定、清单分析、影响评价和解释四个阶段，如图 1 1 所示，各阶段的双箭头表示这是一个交互作用的反复过程。 2 人连理i ：人学专业学位硕十学位论文 圈1 1 生命周删评价的阶段 f i g 1 1 p h a s e so fl i f ec y c l ea s s e s s m e n t ( s o u r c e ：i s 0 1 4 0 4 0 ，1 9 9 7 ) 目的与范围的确定【2 】：确定l c a 研究目的即明确陈述其应用意图，开展该项研究 的理由及其沟通对象。研究范围即明确陈述所研究的产品系统、功能单位、系统边界、 分配程序、数据类型、数据质量等，保证研究的广度、深度和详尽程度与之相符，并足 以适应所确定的研究目的。 清单分析( 2 】：生命周期清单分析( l i f ec y d ei n v e n t o r y ，“珂) 是生命周期评价中对所 研究产品系统整个生命周期中输入和输出进行汇编和量化的阶段，包括数据的收集和计 算程序，这是一个反复的过程。 影响评价1 3 l ：生命周期影响评价( l i f ec y c l ei m p a c ta s s e s s m e n t ，l c i a ) 是生命周期评 价中理解和评价产品系统潜在环境影响的大小和重要性的阶段。l c a 中影响评价的目的 是根据生命周期清单分析结果对潜在环境影响的程度进行评价。 解释【4 】：生命周期解释是一个系统的过程，用来识别、判定、检查和评估来自于产 品l c i 和l c i a 结果的信息，并对此加以表述，满足研究目的和范围所规定的应用要求。 解释阶段包括重大问题识别、完整性检查、敏感性检查、一致性检查等要素。 早在1 9 9 3 年s e t a c 5 j 定义的l c a 技术框架包括四个有机联系的部分：定义目标与 确定范围；清单分析：影响评价和改善评价。 i s 0 1 4 0 4 0 在s e t a c ( 1 9 9 3 ) 的基础上，去掉了“改进评价”阶段，加上了“解释”阶段。 因为改善是开展l c a 的目的，而不是它本身的一个必须阶段。i s 0 1 4 0 4 0 定义的l c a 技术框架定义具有一定的承i ； 性，已经被越来越多的国家和组织所接受。 基丁生命周期评价的集装箱喷涂i ：艺比较分析 1 1 3 生命周期评价的局限性 l c a 经过了长期的发展，但仍然存在一定的局限性。其中包括应用范围的局限性。 i s 0 1 4 0 4 0 指出l ( 、a 作为一种环境管理工具，并不总是适合于所有的情况，所以在决策 过程中不可能依赖l c a 方法解决所有的问题。l c a 只考虑了生态环境、人体健康、资 源消耗等方面的环境问题，不涉及技术、经济或社会效果方面，例如质量、性能、成本、 赢利、公众形象等因素，所以在决策过程中必须结合其他方面的信息。 1 1 4 生命周期评价的前景及展望 l ( a 作为一种环境管理工具，不仅对当f i i 的环境冲突进行有效的定量化分析评价， 而且对产品及其“从摇篮到坟墓”的全过程所涉及的环境问题进行评价。因而是“面向 产品的环境管理”的重要支持工具。它不但为设计开发绿色产品提供依据，同时也为政 府环境管理部f q n 定环境政策提供信息( 目f j i l c a 主要应用于生念标志、包装废弃物减 量化、有毒有害物质管理等方面，将来这一活动还广泛地应用于制定政策法规和刺激市 场) ，因此当前国际社会各个层次都十分关注生命周期评价。 基于l c a 存在的局限性，u n e p 、s e t a c 、i s o 等国际组织正致力于k a 方法论 的不断完善和应用领域的拓展。l c a 的未来发展将呈现如下趋势： ( 1 )关于l c i ：建立尽可能体现全球、区域和各地区特性的l c i 基础数据库，同 时实现实时更新和互联网查询，从而提升清单分析数据的可获得性。 ( 2 )关于l c i a ：开展现有影响评价方法的鉴定性评审，规范目前l c i a 方法中的 许多不确定环节，研究能表征时空属性的影响类型特征化因子，将影响类型 由中问水平扩展到破坏水平。 ( 3 ) 关于l c m ：在生命周期评价中纳入社会、经济因素，通过与其它环境管理技 术的结合，建立产品或服务系统的包括社会、经济和环境因素在内的生命周 期管理体系( i - c 0 ，从而为企业或政府的决策过程提供综合信息是未来l c a 应用研究的大方向。 我国目前在经济繁荣的背后，面临着环境劣化的巨大压力，面对资源、环境、生态 方面的制约，迫使中国走一条依靠科技、节约能源、生态协调的可持续发展之路。环保 工作己从治理污染点源到流域、区域污染防治，进而在高层次上推动环境保护进程。这 个高层次应该是可持续发展的，环境系统是一开放的系统，它有很强的层次性，各层次 又密切相关，任何环境治理举措都会对周边环境产生正面或负面的影响，因此环境保护 不应只讲治理，而必须降低包括生产活动和消费活动在内的整个社会经济活动所带来的 4 一 人连理i ：人学专业学位硕士学位论文 环境负荷。l c a 作为一种对环境影响的综合、客观的评价丁具之一，经过近三十年的发 展，已只趋系统化和完整化，必将在环境管理和人类社会可持续发展进程中发挥越束越 重要的作用。 1 2 集装箱涂料特点及其环境问题 1 2 1集装箱涂料特点及技术要求 集装箱，作为一种新型的运输货物的工具，近年来得到极快发展，目前己成为除石 油、矿砂、煤炭外货物在海上运输的主要工具，也是现代物流发展的一个极其重要的装 备之一，尤其在跨国之问的经济贸易活动中，集装箱是不可或缺的装备。我国于1 9 8 1 年起开始发展集装箱制造业，至今我国生产国际标准集装箱工厂已有几十家，总产量跃 居世界| i i 列。同时铁路运输今后办向着集装箱发展，对集装箱涂料的需求r 益增长。目 前，世界9 5 以上的集装箱的生产在中国，其余5 左右集装箱的生产在泰国和印度。 据2 0 0 5 年统计数据，全球集装箱保有量为2 8 6 0 万箱，每年需弥补损耗约8 0 1 0 0 万箱，且逐年有递增趋势。 集装箱是一种全球性交通运输工具，要经历从寒带到热带，从陆地到海洋各种气候 的变化，所以集装箱涂料应经受各种环境下恶劣气候的侵蚀，应具有各种气候下的耐候 性与耐腐蚀性。集装箱涂料具有装饰性和防护性两大功能，按国际集装箱标准委员会的 要求，集装箱涂膜盘年之内剥落、锈蚀面积不得大于整个涂装面积的m ，否则构成箱 主向涂料厂商索偿的理由。对集装箱涂料，目前有如下要求1 6 j ： 厚涂性，一次施涂应能获得足够的干膜厚度，以利缩短施工时间和降低成本，因 此涂料必须具有较高固含量和较好的防流挂性；快千，涂料不管采取何种施工和干燥 方式，在大批量生产的流水线上，涂料必须在贴商标和淋水试验之前迅速干燥；高耐 蚀性，集装箱要经历各种气候变化，经历昼夜变化以及地区日j 的温差变化。若要保证五 年之内涂层剥落，锈蚀面积小于1 0 ，涂层必须有良好的耐蚀性；机械性能，集装箱 需要经常装卸，搬运，极易受到碰撞，因此要求涂膜应能耐冲击，在用拖车、卡车或铁 道车辆运输集装箱时，箱体因振动易发生扭曲变形，故涂膜应具有良好的柔韧性和附着 力，不会因变形而发生龟裂或剥离，在储运过程中，箱体要经受一定的负荷和摩擦，要 求涂膜具有较高硬度和良好的抗划伤性以及耐磨性：耐温耐湿性，集装箱在各种环境 下使用，很可能要经受高温或高湿的环境，因此集装箱涂料必须有良好的耐温耐湿性： 耐侯性，集装箱的颜色对每个公司和箱主都是很重要的外观要求，因此涂层要尽可能 长期地保持原来的颜色和光泽，不会短期内产生粉化和失色现象。 基丁生命周期评价的集皱箱喷涂l ：艺比较分析 1 2 2 集装箱涂料发展趋势 溶剂型涂料在干燥过程中有机溶剂的挥发造成污染环境、危害人身健康、浪费资源 等方面的危害引起越来越多的关注，因此常用的溶剂型涂料将逐渐向高固体分，水性化， 粉末涂料转变。集装箱由于体积巨大，而且需要内外喷涂，所以改变喷涂方式将会因i i i 处理的复杂而受限制。尽管如此，水性化、高固体分和粉末涂料的使用是集装箱涂料未 来的发展方向。 ( 1 ) 水性化 水溶性或水分散性涂料具有安全性，易清除性，经济性，湿面施工性等优点，这方 面是溶剂型涂料无法比拟的。水性防腐涂料通常以丙烯酸树脂乳液等作为成膜物质，辅 以环氧、醇酸树脂改性，此外水性环氧酯，水性环氧和聚氨酯防锈漆也有很大发展【6 】。 这些水性防锈涂料与溶剂型防锈涂料相比，水性防锈涂料容易产生底材“闪蚀”与耐水 性差的问题【”，限制了集装箱涂料水性化的发展，目i i ，国际标准集装箱委员会己经制 定了水性集装箱涂料的技术标准。 ( 2 ) 固体化 氯化橡胶面漆由于氯化橡胶生产时留有较多c c i 。污染大气，逐渐被丙烯酸涂料所 代替。为了提高丙烯酸树脂固分含量，只本一家公司在生产丙酸树脂涂料时1 8 j ，采取杂 化法利用高固体化的聚醋树脂与丙烯酸树脂杂化，可制成高固体分丙烯酸树脂涂料。传 统丙烯酸涂料的粘度为加氏管y 级，杂化后的涂料粘度可降到t u 级，v o c 的指标前 者为4 5 5 8 9 l ，后者为3 2 3 9 9 l ，减少了v o c 的含量。丙烯酸非水分( n a d ) 高固体分涂 料可更进一步减少溶剂的用量，同时提高时候性。此外，氟碳树脂以其良好的耐久性、 耐候性在重防腐涂料领域得到进一步的重视，而且含轻基官能度的全氟聚醚或全氟聚醚 多元醇由于十分低的t 夸和粘度1 9 1 们，适当选择交联剂可获得良好的户外耐候性、耐磨性 和耐腐蚀性，是高固体分涂料减小溶剂含量又一途径。 ( 3 ) 粉术涂料 1 0 0 固体粉末，不含有机溶剂。在中小工件中应用较多，国外已有在中小型汽车 上采用的先例f 8 t 1 1 ，1 2 t 1 3 1 ，尚未在集装箱生产上采用此方法。目l ；i 高能红外技术能进行大规 模工件烘烤。有关粉末涂料的研究和发展国内已有相当详尽的报道1 1 4 1 5 】，这类涂料理论 上是绝对的零v o c 涂料，具有其独特的优点，也许是将来完全摒弃v o c 后涂料发展的 最主要方向之一。但其应用上的限制亟需更为广泛而深入的研究，例如其制造工艺相对 复杂许多，涂料制造成本高( 如需要与一般涂料不同的设备) ，粉末涂料的烘烤温度较一 般涂料高很多，难以得到薄的涂层，涂料配色性差，不规则物体的均匀涂布性差等。 6 一 大连理i - 人学专业学位硕士学位论文 1 2 3 有机废气治理方法 人类活动导致的v o c 主要来自于交通，而涂料的加工和生产则居于第二位，占其 中的2 0 2 5 i ”】。在生产工艺中喷涂过程使用的溶剂型涂料一般有机溶剂都占5 0 以 上，而在硝基涂料中更占到9 5 以上，每年都有大量有机溶剂挥发到大气中，目i j i 排放 量已达2 0 0 0i s 吨年的规模，不仅造成资源的巨大浪费，而且对环境产生巨大危害。涂 料溶剂不仅对呼吸道、造血器官有毒害，对皮肤和神经也有相当大的毒害。 喷漆过程产生的有机废气，由于量大、成分相对复杂，无规律排放，收集困难，综 合利用率低，处理成本高。因而成为危害性最大的气体污染物。 目i j i 国内外治理有机废气，通常采用活性炭吸附法，直接燃烧法，催化燃烧法，蓄 热式催化燃烧法等【1 7 翎。理论上，各种有机物都可以在高温( 8 0 0 c 或3 0 0 c 以上) 下完 全氧化为c 0 2 、h 2 0 和其他组分的氧化物，但由于各种污染气体中有机组分含量不同， 废气排放温度不同，风量又不相同。因此对于各种不同类别的废气，从实践经验中总结 出以下几种处理法： 活性炭吸附( 回收溶剂法) ：该设备适合废气浓度低于2 0 0 0 毫克，m 3 以下，温度为 常温。且废气中含有的溶剂最好为单一品种。若温度在5 0 到1 0 0 之间，可选配气体 冷却装置来降低废气温度，使之达到活性炭最佳吸附状态。该设备的优点在于运行费用 低，能回收溶剂，创造价值。 直接燃烧法：该设备由于直接燃烧时使用柴油或天然气，液化气。运转费用极高， 形成极大的资源浪费，不主张使用该设备。以l j 该设备曾用于烘道：如彩涂线上的废气， 一来可以净化废气，二来可以在燃烧过程中产生的热量用于烘遭加热。但近年来，由于 催化燃烧装置的大量运用，已逐渐被催化燃烧所替代。 催化燃烧装置( 电加热式) ：该设备适合废气浓度在2 0 0 0 毫克6 0 0 0 毫克，m 3 之 间。或废气温度大于1 8 0 ( 在该温度的废气浓度可低于2 0 0 0 毫克m 3 也可以) 。温度 如在1 2 0 1 5 0 之问也可以通过换热器换热使之温度提高，从而达到省能的目的。但废 气中如含有硫等有害于催化剂中毒的成分不适合该设备。该设备的缺点：电加热能耗大， 启动功率高，适合范围有一定的局限性。 催化燃烧装置( 红外线加热式) ：该设备与以上使用功能完全一样，仅仅在加热方 式上做了重大革命，本装置是电加热室催化燃烧装置的替代品，最大的优点在于节省能 耗。它的能耗仅为电加热室的几分之一。特别适合大风量，高浓度废气。例如：3 0 0 0 0 m 3 h 风量的催化燃烧设备，采用电加热式，启动功率达到几百个千瓦，而用红外线加热法， 启动功率仅相当于1 0 多公斤液化气。 7 基。生命周期评价的集装箱喷涂i ：艺比较分析 浓缩法( 活性炭吸附加催化燃烧装置) ：该设备适合大风量低浓度废气。尤其适合 喷漆废气治理，原因在于喷漆废气通常是风量大，又是常温。 液体洗涤法：该设备适合含有油类，或单一品种的有机溶剂。通过液体接触，达到 净化要求。该设备的最大的优点用于处理混合废气时作为一级净化装置或作为废气的预 处理装置。废气中含有颗粒物也非常合适。 目前，因绝大多数废气中的成分都不是单一品种，吸收后分离提纯难度更大，且又 易与空气混合产生爆炸。很难利用，常采用“破坏法”将其燃烧掉。如先去除漆雾，然 后用活性碳吸附，再脱附后催化燃烧的处理方法就是一种不得已的却又比较好的方法之 一。大连中集集装箱有限公司目前就是采用了这一方式。 然而，由于集装箱生产车问的庞大，使得涂料溶剂挥发的收集，尤其是无组织排放 部分的收集十分困难，而且采用活性碳吸附，再脱附后催化燃烧的方法会有较大的能耗， 运行成本会较高( 不燃烧而利用的可能性小，冷凝提纯分离成本更高。对不连续生产状 况尤甚) 。处理废气后产生的热能再利用率又特别低。所以寻求新的生产工艺势在必行。 1 2 4 溶剂型涂料与粉末涂料比较分析 ( 1 ) 涂装特点比较【2 3 冽 粉末涂料与传统的溶剂型涂料、水性涂料不同，它不是液态的，而是一种粉末状的 涂料。它由树脂、固化剂( 在热固性粉末涂料中) 、颜料、填料和助剂( 包括流平剂、 稳定剂等) 等组成，和一般涂料差不多，只是不含溶剂。在世界发生石油危机以后，粉 末涂料是作为省资源、省能源、低公害和提高劳动效率为特点而发展起来的新型涂料。 表1 1 粉末涂料涂装和溶剂璎涂料涂装特点的比较 t a b 1 1t h ec h a r a c t e ro fp o w d e rd o p ea n ds o l v e n td o p e 8 人连理i ：人学专业学位硕十学位论文 由上表可见： 粉末涂料不含有机溶剂，避免了有机溶剂带来的火灾、中毒和运输中的不安全问 题。但粉术涂料存在粉尘爆炸的危险性，须控制适当的粉尘浓度。 粉术涂料不存在有机溶剂带来的大气污染问题，但存在粉末污染的问题。 粉末涂料是1 0 0 的固体体系，可以采用闭路循环系统，喷溢的粉末涂料可以回 收再用，涂料的利用率可以达9 5 以上。 粉末涂料所用树脂的分子量比溶剂型涂料的大，因此涂膜的性能和耐久性比溶剂 型涂料有很大的改进。 粉末涂料在涂装时，涂膜厚度可以控制，一次涂装可达到3 0 5 0 0um 厚度，相 当于溶剂型涂料几道至几十道涂装的厚度，减少了施工的道数，即利于节能，又提高了 生产效率。 在施工应用时，不需要随季节变化调节粘度；施工操作方便，不需要很熟练的操 作技术，厚涂时也不易产生流挂等涂膜弊病；容易实行自动化流水线生产。 容易保持施工环境的卫生，附着于皮肤上的粉末涂料可以用压缩空气吹掉或用温 水、肥皂水洗掉，不需要用有刺激性的清洗剂。 粉未涂料不用溶剂，是一种有效的节能措施，因为大部分溶剂的起始原料是石油 原油。减少溶剂的用量，直接节省了原油的消耗。 ( 2 ) 涂膜性能比较 粉末涂料可根据成膜物质的性质分为两大类，成膜物质为热塑性树脂的叫热塑性粉 末涂料，成膜物质为热固性树脂的叫热固性粉末涂料。其中热固性粉末涂料的综合性能 比溶剂型涂料和热塑性粉末涂料高。1 9 6 2 年法国s a m e s 公司发明静电粉末喷涂设备， 1 9 6 4 年出现了热固性环氧粉术涂料，1 9 6 6 年美国颁布限制涂料溶剂对空气污染的6 6 法规以后，粉木涂料的呼声骤然提高 1 ”。 现在涂装行业中主要应用的是热固性粉末涂料，它以良好的机械性能、耐候性及优 异的耐化学物质逐渐的替代溶剂型涂料。其性能见表1 2 。 漆膜综合性能的好坏将直接影响到工件成品的质量，选用好的涂料和涂装工艺是企 业必备的条件。 d ) 成本比较 粉末涂料不但性能比溶剂型涂料高，工序减少，它的施工成本较低。和溶剂型涂料 相比不仅节省能源，有利环保，并且还节省资金。对此闩本的涂装专家小林昭二先生进 行了实验比较。详见表1 3 。 基丁生命周期评价的集装箱喷涂i ：艺比较分析 除了投资高和i ；i 处理复杂两方面的问题，相比溶剂性涂料的喷涂工艺，无稀释剂粉 末涂料用于集装箱生产的喷涂工艺几乎完全消除有机废气，这对环境安全非常有利，而 且涂层的各项指标优于传统工艺，相信较好的产品质量和对环境友好的排放，新工艺还 是很有竞争力的。 表1 2 热同性粉末涂料与溶剂型涂料的涂膜性能比较 t a b 1 2t h ef i l mc a p a b i l i t yo fp o w d e rd o p ea n ds o l v e n td o p e 烘烤条件， c m i n 涂膜厚度，p m 涂膜平整性 涂膜清晰度 涂膜光泽( 6 0 ) ， 涂膜铅笔硬度 埃里克森值，m m 冲击强度( 出1 2 + 5 0 0 9 ) ，n c m 附着力( 划格法) 耐腐蚀性( 盐水喷雾 5 0 0 h ) m m 耐酸性( 5 盐酸2 4 0 h ) 耐碱性( 5 氢氧化钠 2 4 0 h ) 耐沸水( 2 h ) 耐湿性( 5 0 。c ， r h 9 8 5 0 0 h ) 耐污染性( 2 0 ，2 4 h 用 酒精擦) 耐候性 一 一 獬 触 奶 h ， 伽 一 似 秘 秘麟 ：薹 撕 撕咄 耋薹 一 一 撕 撕 虬 姗 。 一 一 坡哺撕 撕 撕 耋堇 撕 黼 一 断断 够 m 。 一 一 粥 撕 獬腊 撕 舭 锵 吨 撕 一 一 撕撕 够 一 m 一 一 叭 撕 麟 撕 | 薹撕撕肼 耋薹 一 一 船 哺 虬 弭 m 一 一 。 撕 撕 獬 撕 啮 林 一 吨 大连理l ：人学专业学位硕十学位论文 表1 3 粉末涂料和溶剂型涂料的成本比较 t a b 1 3t h ec o s to f p o w d e rd o p ea n ds o l v e n td o p e 涂料闻体分， 涂膜相对密度 涂着效率， 稀释刺h 苗( 涂料：稀释削) 涂膜厚度，u m 每平方米涂膜重鼍，g m 2 每平方米涂料需要t i t ，g m 2 涂料价格，日元k g 稀释荆价格，日元k g 稀释涂料价格，日元i 嘻 每平方米涂料加稀释荆费用，日元 1 0 0 1 4 5 9 7 1 0 0 ：o 3 04 05 0 4 3 55 87 2 5 4 56 0 7 5 1 3 0 01 3 0 01 3 0 0 oo0 000 5 8 57 89 7 5 白：小林昭- 二，i ：业涂装，n o 2 0 ，p 3 2 ( 1 9 9 3 ) 。 1 2 5 粉末涂料用于集装箱生产的难点分析 粉末涂料用于集装箱生产的难点主要有三点： ( 1 ) 集装箱箱体大 表1 4 集装箱的规格 t a b 1 4t h es i z eo fc o n t a i n e r 集装箱名称内容积( 长宽高，米) 配货毛重( 吨)容积( 立方米) 2 0 尺柜5 6 9 2 1 3 2 1 81 7 52 4 - 2 6 4 0 尺柜1 1 8 2 1 3 2 1 82 25 4 4 0 尺高柜1 1 8 2 1 3 2 7 22 2 6 8 4 5 尺高柜1 3 5 8 2 3 4 2 7 1 2 98 6 2 0 尺开顶柜5 8 9 x 2 3 2 x 2 3 1 2 0 3 1 5 4 0 尺开坝柜1 2 0 1 2 3 3 2 1 53 0 46 5 2 0 尺平底货柜5 8 5 2 2 3 2 1 52 32 8 4 0 尺乎底货柜 1 2 0 5 2 1 2 1 9 6 3 6 5 0 由此可见，制造如此物件需要较大的厂房和相应的烘烤设备，无论对投资还是对操 作都是严厉挑战。 ( 2 ) 内外都要喷涂，同时对烘烤的要求比较苛刻 一1 l 一 蛳舭豇柳鲫娜姗娜协为豇螂伽拗螂肿m为胁豇螂枷瑚螂跏 基丁，生命周期评价的集装箱喷涂j ：艺比较分析 日i ；i 看来，解决上述两方面问题技术上已经不是难题。例如，粉末涂料作为防腐涂 层和车身的中涂层，在国外汽车工业中已有较多条涂装线采用，在国内汽车涂装中尚局 限于外形简单的中小金属件的涂装。但近1 0 年来在环保的促进下粉末涂料市场十分活 跃，得到高速持续增长( 增长率在涂料中是最高的，1 0 年产量增长3 倍) ，在粉末涂料制 造及涂装技术上有了突破性进展i 剐，包括易斯特高能红外技术对大规模工件的施工。 ( 3 ) m 艺投资比较大 会属工件在加工、运输和存放过程中，会使金属表面带表油脂、脏物、锈蚀、氧化 皮等，这些都会影响粉末涂层的附着力和装饰性。所以静电喷涂前必须进行脱脂、去锈、 磷化、钝化等表面处理，这是影响粉末涂膜质量的关键工艺之一。粉末喷涂需要对集装 箱进行比较烦锁的前处理。整个喷涂工艺流程如下：上件一脱脂一清洗一去锈一清洗一 磷化一清洗一钝化一粉末静电喷涂一固化一冷却一下件。其中上件、脱脂、清洗、去锈、 清洗、磷化、清洗和钝化这几个步骤均属于前处理过程，该过程主要的目的是除掉工件 表面的油污、灰尘、锈迹，并在工件表面生成一层抗腐蚀且能够增加喷涂涂层附着力的 “磷化层”。工件经过前处理除掉冷牟l 钢板表面的油污和灰尘后才能喷涂粉末，同时在 工件表面形成一层锌系磷化膜以增强喷粉后的附着力。前处理后的工件必须完全烘干水 分并且充分冷却到3 5 以下才能保证喷粉后工件的理化性能和外观质量。对于体积硕大 的集装箱来说，为了连续生产，防渗漏碱沈槽( 除油) 和酸洗槽( 除锈) 都要足够大， 为保持产品质量，溶液要求相对清洁，定期除去洗液的杂质，因而碱与酸液用量以及水 处理量都很大。加上磷化、钝化处理，对于年产7 2 6 0 0 t e u 标准集装箱的企业来说，这 部分投资估计在6 0 0 0 8 0 0 0 力元左右，维护费至少1 5 0 0 0 0 元年。 目前从上述这几方面来看，对于集装箱生产来说，粉末喷涂工艺有优势但也有劣势， 因此还不能确定无稀释剂粉末涂料用于集装箱生产的喷涂工艺一定优于溶剂性涂料的 喷涂工艺，这就需要采用一种有力的方法进行分析论证，此即本文的研究目的所在。 1 3 本文研究意义 为了解决集装箱传统喷涂工艺有机废气污染问题，本文利用生命周期评价的基本思 想及原理，建立一种比较不同喷涂工艺综合性能优劣的指标框架体系，再利用合适的评 价方法对其进行评价，为集装箱生产及制造企业提供一种可以参考的喷涂工艺选用依 据，从经济、技术、环境角度综合考虑先进喷涂工艺的可行性及可应用性，再者从环境 保护角度，减少或避免集装箱生产及制造过程中的环境污染问题。 1 2 大连理i ：人学专业学位硕十学位论文 1 4 研究思路 圈1 2 研究思路 f i g l 2r e s e a r c h i n gp r o c e s s s 1 3 _ 圉卤 基丁生命周期评价的集装箱喷涂j ：艺比较分析 2 集装箱喷涂过程生命周期评价框架模式 2 1 目标和范围界定 2 1 1 目标定义 目标定义就是要确定开展此项研究的原因、预期的应用、以及服务对象( 即研究结 果的接受方) 。从已有的研究看，进行生命周期评价的目的有两个，一是针对企业经营 者而言，二是针对政府管理部门而占。对于企业经营者来说，通过生命周期评价，与竞 争对手进行比较，看谁家的产品更具有环境优势。如果自己的产品有环境优势，就可以 利用这个研究结果进行市场宣传，使自己的产品更具有竞争力，也可以通过分析研究， 看看自己的产品长处在哪里，短处在哪罩，这样就可以找到改进产品的机会，还可为将 来新产品的设计提供理论依据。 许多国家、地区和组织都要求将l c a 作为制定标志标准的方法陋- 2 7 1 ，e p a 已将l c a 用于制定污染防治政策【2 8 圆】。 ( 1 ) 研究目的 随着可持续发展战略的实施，人们对环境质量的要求越来越高，集装箱生产的喷漆 废气及类似的对环境的影响问题也r 益成为人们关心的一个问题。对喷漆工艺方法进行 评价，目日i 基本上都是按照传统的评价方法，仅从环境角度入手，考虑的是后处理过程， 对评价阶段内污染物的排放进行统计分析，并未考虑实际处理过程的处理效率和处理系 统的经济效益。而一个工程项目在实际运作过程中不仅仅是环境影响单方面因素，它还 包括经济效益及技术性能等，如果只从环境单方面来进行评价的话，经济投资有时并不 一定能够承担如此高额的环保费用，因此，针对一个具体的实体工程项目来说，应该全 面考虑各方面因素。同等对比整个生产工艺过程进行生命周期评价，力求更为具体，更 切合实际，结果也就更有意义。 ( 2 ) 预期结果的应用领域 通过本文的研究，考察设定边界范围内的集装箱生产喷漆的环境负荷、技术性能和 经济效益，确定主要影响因子，从而为集装箱生产的喷漆工艺的选择和建设提供数据基 础。 (