汽车涂装节能减排的新技术.ppt

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 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 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 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 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 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 0kg CO2 台 2 车间为232 2kg CO2 台 注 CO2排出量换算系数 电力0 555KgCO2 Kw h 天然气0 0513KgCO2 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150KW h 台 LGP 15Kg 台 换算成CO2排出量为128 55Kg CO2 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 35 106KJ 天然气32 7m3 N 换算成CO2排出量为392 628Kg CO2 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 CO2 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 m2 换算成CO2排出量为 11 1kg CO2 m2 按车身面积80m2 台计 则CO2排出量11 1 80 888kg CO2 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 kg CO2 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CO2排出量比较 COP coefficientofperformance 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180s 72s 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 5 30s 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2 3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 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 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25 30 m 按标准一般只需18 22 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 wetinwet 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11Robot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 3 4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 EcoDryScrubber 和半干式静电漆雾捕集装置 ESCRUB 参见图12 13 图12EcoDryScrubber 图13ESCRUB 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CO2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 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 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 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