涂裝車間噴漆室VOCs濃度的計算方法一覽
基于對節(jié)能減耗及環(huán)保要求的考慮，目前新建涂裝車間噴漆室送風(fēng)大部分都采用循環(huán)風(fēng)送風(fēng)方案，如果采用提高循環(huán)風(fēng)比例來實現(xiàn)進一步節(jié)能，那么就需要我們對噴漆室VOCs的濃度進行理論計算，通過計算結(jié)果判斷循環(huán)風(fēng)方案的可行性及生產(chǎn)的安全性；另外通過計算噴漆室排出的廢氣中VOCs的濃度大小并結(jié)合工廠當(dāng)?shù)丨h(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求及其他相關(guān)因素來判斷廢氣是直接排放還是先處理后排放。
0引言
隨著“綠色涂裝”理念越來越深入，涂裝行業(yè)中各界人士無時無刻不在為此理念而努力。其中，節(jié)能減耗作為“綠色涂裝”理念中的一個重要組成部分，當(dāng)然也是大家高度關(guān)注且努力奮斗的一個重要方向。在能耗方面，涂裝車間占據(jù)四大工藝車間整個耗能的60%左右，而噴漆室又占據(jù)整個涂裝車間的50%左右。尤其是近幾年來,水性漆的廣泛運用對噴漆室空調(diào)送風(fēng)的溫濕度又有了更嚴(yán)格的要求，因此噴漆室的空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)成為噴漆室中的一個耗能大項。為了降低空調(diào)機組的耗能，越來越多的涂裝車間都采用循環(huán)風(fēng)送風(fēng)方案，在一定的范圍內(nèi)，循環(huán)風(fēng)比例越高也就越節(jié)能。當(dāng)然，并不是我們想當(dāng)然的任意提高比例，因為循環(huán)風(fēng)比例的提高會導(dǎo)致噴漆室內(nèi)部及排出的廢氣中VOCs濃度的提高。從安全角度考慮，噴漆室內(nèi)部VOCs濃度一般要控制在可燃?xì)怏w爆炸極限濃度的四分之一以下。另外，排出的廢氣濃度也要符合當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門及相關(guān)法規(guī)要求。所以，我們就要對噴漆室的VOCs濃度進行前期核算，通過計算結(jié)果再結(jié)合其他相關(guān)因素來確定循環(huán)風(fēng)比例。另外通過計算廢氣VOCs濃度來判斷廢氣是直接排放至大氣還是需要先處理后排放。因此，各主機廠家、噴漆設(shè)備廠家及環(huán)保單位都會對噴漆廢氣VOCs濃度進行計算。此篇論文就在采用循環(huán)風(fēng)方案的情況下對噴漆室VOCs濃度的計算闡述一下我個人的計算方法。
1噴漆室單位時間內(nèi)VOCs揮發(fā)量的計算
VOCs是揮發(fā)性有機化合物(volatileorganiccompounds)的英文縮寫，我們在全文提到的VOC指的是油漆中含有的有機揮發(fā)物。目前汽車涂裝常用的油漆主要有兩種：即水性漆(一般用于中涂漆和面漆)和溶劑型漆(一般用于罩光清漆)。調(diào)制好的油漆主要包含固體份、有機溶劑、稀釋劑(水性漆主要為水，溶劑型漆主要為揮發(fā)性有機化合物)等，其中固體份主要通過烘干后固化而隨車身附著，有機溶劑(主要含二甲苯和非甲烷總烴)則相繼在噴漆室、流平室及烘干室中揮發(fā)。根據(jù)經(jīng)驗，在噴漆室中會有約50%的有機溶劑揮發(fā)產(chǎn)生，流平室中約20%的有機溶劑揮發(fā)產(chǎn)生，烘干室中約30%的有機溶劑揮發(fā)產(chǎn)生。另外，需要提醒一下，不同廠家的油漆有機溶劑含量、固體份含量等參數(shù)會有所不同，我們下面的計算當(dāng)中取的各個數(shù)值僅僅是參考某一油漆廠家的參數(shù)來舉例說明計算方法。
1.1油漆體積固體含量
油漆的體積固體含量即為油漆中非揮發(fā)性成分與液態(tài)漆料的體積比。液態(tài)油漆中的溶劑揮發(fā)后，真正留在車身表面成為漆膜的就是油漆中的非揮發(fā)成份，即固體含量。計算公式如下：
體積固體含量=(干膜厚度/濕膜厚度)*100%
1.2濕膜厚度計算
通過干膜厚度、固體含量來計算濕膜厚度(根據(jù)1.1中公式），其中固體含量可以從油漆廠家提供的產(chǎn)品資料中得到。
已知規(guī)定的干膜厚度，查閱相關(guān)油漆的體積固體含量，計算相應(yīng)的濕膜厚度，可以按以下公式計算:
濕膜厚度=干膜厚度/固體含量
1.3油漆實際用量計算
油漆的實際用量可以按以下公式計算：
油漆實際用量=(單位時間內(nèi)噴涂面積*濕膜厚度)/涂布效率
1.4有機溶劑（VOCs）揮發(fā)量計算
由以上公式可計算出單位時間內(nèi)油漆實際用量、油漆有效利用量、過噴油漆量。三者之間關(guān)系為：
油漆實際用量=油漆有效利用量/涂布效率
那么,有機溶劑揮發(fā)量可通過以下公式計算可得：
噴漆室中有機溶劑揮發(fā)量=車身油漆溶劑揮發(fā)量+過噴油漆中有機溶劑量=油漆有效利用量*有機溶劑百分含量*50%+油漆損耗量*有機溶劑百分含量
那么，也可以順便算出來流平室有機溶劑揮發(fā)量：
流平室有機溶劑揮發(fā)量=車身油漆溶劑在流平室中揮發(fā)量=油漆有效利用量(包括內(nèi)板、外板)*有機溶劑百分含量*20%
備注：
(1)設(shè)定有機溶劑在噴漆室中揮發(fā)的比例為50%。
(2)假設(shè)損耗的油漆中的有機溶劑全部揮發(fā)至噴漆室中。
(3)設(shè)定有機溶劑在流平室中揮發(fā)的比例為20%。
1.5舉例計算
例：某一新能源汽車廠噴涂生產(chǎn)線生產(chǎn)能力為26JPH，其中車身外板噴涂面積為12m²，內(nèi)板噴涂面積為5m²。具體噴漆參數(shù)詳看表1，現(xiàn)計算每噴漆工序單位時間內(nèi)VOCs排放量。
根據(jù)上文公式計算可得：
(1)總噴涂面積計算
每小時內(nèi)板噴涂總面積=車型產(chǎn)量*車型涂覆面積=26*5=130m²/H
每小時外板噴涂總面積=車型產(chǎn)量*車型涂覆面積=26*12=312m²/H
(2)濕膜厚度計算
中涂內(nèi)板噴涂濕膜厚度=25/50%=50μm
中涂外板噴涂濕膜厚度=35/50%=70μm
面漆內(nèi)板噴涂濕膜厚度=20/50%=40μm
面漆外板噴涂濕膜厚度=25/50%=50μm
清漆內(nèi)板噴涂濕膜厚度=25/50%=50μm
清漆外板噴涂濕膜厚度=50/50%=100μm
(3)油漆有效使用量計算
中涂內(nèi)板油漆有效使用量
=(130*50)/1000=6.5kg/H
中涂外板油漆有效使用量
=(312*70)/1000=21.84kg/H
面漆內(nèi)板油漆有效使用量
=(130*40)/1000=5.2kg/H
面漆外板油漆有效使用量
=(312*50)/1000=15.6kg/H
清漆內(nèi)板油漆有效使用量
=(130*50)/1000=6.5kg/H
清漆外板油漆有效使用量
=(312*100)/1000=31.2kg/H
(4)油漆實際用量計算
中涂內(nèi)板油漆實際用量=6.5/60%=10.8kg/H
中涂外板油漆實際用量=21.84/60%=36.4kg/H
面漆內(nèi)板油漆實際用量=5.2/60%=8.7kg/H
面漆外板油漆實際用量=15.6/60%=26kg/H
清漆內(nèi)板油漆實際用量=6.5/60%=10.8kg/H
清漆外板油漆實際用量=31.2/60%=52kg/H
(5)有機溶劑（VOC）揮發(fā)量計算
中涂內(nèi)板噴涂段
=6.5*12%*50%+(10.8-6.5)*12%=0.906kg/H
中涂外板噴涂段
=21.84*12%*50%+(36.4-21.84)*12%
=3.06kg/H
中涂流平段=(21.84+6.5)*12%*20%=0.68kg/H
面漆內(nèi)板噴涂段
=5.2*12%*50%+(8.7-5.2)*12%=0.732kg/H
面漆外板噴涂段
=15.6*12%*50%+(26-15.6)*12%=2.184kg/H
清漆內(nèi)板噴涂段
=6.5*50%*50%+(10.8-6.5)*50%=3.775kg/H
清漆外板噴涂段
=31.2*50%*50%+(52-31.2)*50%=18.2kg/H
清漆流平段=(31.2+6.5)*50%*20%=3.77kg/H
2兩種常見循環(huán)風(fēng)方案的VOCs濃度計算
目前循環(huán)風(fēng)較常見的循環(huán)方式主要有兩種：一是循環(huán)風(fēng)全部來自新風(fēng)噴涂段的排風(fēng)(詳看送排風(fēng)原理圖1)，二是循環(huán)風(fēng)由兩部分組成：新風(fēng)噴涂段的排風(fēng)及部分循環(huán)過的循環(huán)風(fēng)(詳看送排風(fēng)原理圖2)。以下我們將對這兩種情況分別進行計算。由于上文我們對某新能源汽車廠已經(jīng)進行了VOCs揮發(fā)的舉例計算，為了方便起見，我們還以此新能源汽車廠為例進行VOCs濃度的計算。第一種情況以中涂噴漆室(水性漆)為例，第二種以清漆噴漆室(溶劑型漆)為例。
2.1循環(huán)風(fēng)全部由新風(fēng)噴涂段排風(fēng)組成
圖1送排風(fēng)原理
2.1.1根據(jù)上文計算結(jié)果可得知中涂各噴涂段VOCs每小時揮發(fā)量：
中涂內(nèi)板噴涂段
=6.5*12%*50%+(10.8-6.5)*12%=0.906kg/H
中涂外板噴涂段
=21.84*12%*50%+(36.4-21.84)*12%
=3.06kg/H
中涂流平段
=(21.84+6.5)*12%*20%=0.68kg/H
2.1.2根據(jù)每噴涂段風(fēng)量可計算出每段VOC濃度：
中涂內(nèi)板噴涂段
=906000/(89100+4950)=9.6mg/m³
中涂外板噴涂段
=(9.6*45680+3060000)/45680=76.6mg/m³
中涂流平段
=(9.6*6720+680000)/6720=110.8mg/m³
2.1.3排廢氣VOC濃度計算：
(41650*9.6mg/m³+45680*76.6mg/m³+6720*110.8mg/m³)/157410=29.5mg/m³
備注：在正常噴涂工況下，由于人工補噴段噴漆量很少甚至不噴，所以在此計算過程中以不噴漆來計算，以下計算同樣如此，后文不再單獨說明。
2.2循環(huán)風(fēng)由新風(fēng)噴涂段排風(fēng)及部分循環(huán)風(fēng)再次參與循環(huán)兩者組成
圖2送排風(fēng)原理
2.2.1根據(jù)上文計算結(jié)果可得知清漆各噴涂段VOCs每小時揮發(fā)量計算：
清漆內(nèi)板噴涂段
=6.5*50%*50%+(10.8-6.5)*50%=3.775kg/H
清漆外板噴涂段
=31.2*50%*50%+(52-31.2)*50%=18.2kg/H
清漆流平段
=(31.2+6.5)*50%*20%=3.77kg/H
2.2.2各噴涂段內(nèi)部每次循環(huán)階段VOCs含量計算：
為了便于計算和理解，我們以每小時循環(huán)一次進行計算，以清漆外板自動噴涂區(qū)為例，假設(shè)在一個容積為53460m³的密閉空間內(nèi)，每噴漆1個小時后，我們都對其內(nèi)部的VOCs含量及濃度進行計算，下面我們按照這個思路對各噴涂段的計算如下：
2.2.2.1噴涂第1個小時后各噴涂段VOCs含量計算：
清漆內(nèi)板噴涂段
=6.5*50%*50%+(10.8-6.5)*50%=3.775kg
清漆外板噴涂段
=31.2*50%*50%+(52-31.2)*50%=18.2kg
清漆流平段
=(31.2+6.5)*50%*20%=3.77kg
2.2.2.2噴涂第2個小時后各噴涂段VOCs含量計算：
清漆內(nèi)板噴涂段=(3.775+11.207)kg
清漆外板噴涂段=(18.2+7.182)kg
清漆流平段=(3.77+1.057)kg
2.2.2.3噴涂第3個小時后各噴涂段VOCs含量計算：
清漆內(nèi)板噴涂段
=(3.775+11.207+11.207*0.56)
=[3.775+11.207*（1+0.56)]kg
清漆外板噴涂段
=(18.2+7.182+7.182*0.56)
=[18.2+7.182*（1+0.56)]kg
清漆流平段
=(3.77+1.057+1.057*0.56)
=[3.77+1.057*（1+0.56)]kg
2.2.2.4噴涂第4個小時后各噴涂段VOCs含量計算：
清漆內(nèi)板噴涂段
=[3.775+11.207*（1+0.56+0.562)]kg
清漆外板噴涂段
=[18.2+7.182*（1+0.56+0.562)]kg
清漆流平段
=[3.77+1.057*（1+0.56+0.562)]kg
2.2.2.5根據(jù)數(shù)學(xué)歸納法可推斷出第n個小時后各噴涂段VOCs含量計算：
清漆內(nèi)板噴涂段
=[3.775+11.207*（1+0.56+0.562+…+0.56(n-2))]kg
清漆外板噴涂段
=[18.2+7.182*（1+0.56+0.562+…+0.56(n-2))]kg
清漆流平段
=[3.77+1.057*（1+0.56+0.562+…+0.56(n-2))]kg
2.2.2.6分別對第n個小時后各噴涂段VOCs含量求極限值如下：
清漆內(nèi)板噴涂段：
lim[3.775+11.207*（1+0.56+0.562+…+0.56(n-2))]=29.245kg
清漆外板噴涂段：
lim[18.2+7.182*（1+0.56+0.562+…+0.56(n-2))]=34.523kg
清漆流平段：
lim[3.77+1.057*（1+0.56+0.562+…+0.56(n-2))]=6.172kg
2.2.2.7根據(jù)每段風(fēng)量可計算出每段VOC濃度：
清漆內(nèi)板噴涂段：
29.245kg/(71280+2910)=394mg/m³
清漆外板噴涂段：
34.523kg/45680=755.8mg/m³
清漆流平段：6.172kg/6720=918.5mg/m³
2.2.3排放的廢氣VOCs濃度計算：
根據(jù)圖2送排風(fēng)原理圖可知，排放的廢氣由內(nèi)板噴涂排出的部分氣體和流平室排出的全部氣體兩部分組成，根據(jù)上文計算結(jié)果可計算排放的廢氣VOCs濃度如下：
[6.172+29.245*49650/(49650+24540)]/(49650+6720)=457mg/m³
2.2.4排放的廢氣VOC濃度另一種方法的計算：
有關(guān)排廢氣VOC濃度計算我們還可以用另外一種思路：由于每個噴涂段廢氣濃度最終會達到一個最大極限值，并且以這個最大值持續(xù)下去；另外，單位時間內(nèi)每個噴涂段新產(chǎn)生的廢氣量也是個恒定值。那么，會產(chǎn)生這樣一個平衡狀態(tài)，即單位時間內(nèi)新產(chǎn)生的VOCs量等于此單位時間內(nèi)排走的VOCs量，那么排廢氣VOCs濃度可進行如下計算：
由上文可知清漆各噴涂段每小時揮發(fā)產(chǎn)生的VOCs量如下：
清漆內(nèi)板噴涂段
=6.5*50%*50%+(10.8-6.5)*50%=3.775kg/H
清漆外板噴涂段
=31.2*50%*50%+(52-31.2)*50%=18.2kg/H
清漆流平段=(31.2+6.5)*50%*20%=3.77kg/H
所以，排廢氣中VOCs濃度為：
(3.775+18.2+3.77)/(49650+6720)=457mg/m³
經(jīng)過計算數(shù)據(jù)對比，此結(jié)果與2.2.3中我們計算的廢氣VOC濃度數(shù)據(jù)一致，在不計算每個噴漆段VOCs濃度而僅僅計算排廢氣VOCs濃度時，我們可采取此辦法來計算。
3計算分析總結(jié)
本文計算過程看似非常復(fù)雜，其實道理很簡單，如果做成計算表格的話更是事半功倍。計算過程中只需把控如下思路即可：每個合理的循環(huán)風(fēng)方案在每個噴涂段中的VOCs濃度一定有一個極限上限值，如果沒有上限值，勢必會造成噴漆室內(nèi)部VOCs濃度越來越大，最終會累計到爆炸極限濃度而發(fā)生爆炸危險。鑒于此理論和大量計算結(jié)果進而推斷可知：每一個合理的循環(huán)風(fēng)方案，每次循環(huán)后的VOCs濃度都會比上一次循環(huán)以某個小于1的等比值累計增加（本文計算的等比值是0.56），循環(huán)次數(shù)越多，這個數(shù)值就越趨近于計算出來的極限值。另外，此等比值受各功能段風(fēng)量、單位時間內(nèi)VOCs揮發(fā)量等參數(shù)影響。
4結(jié)語
本文的計算方法可以計算出每個噴涂段的有機溶劑VOCs濃度及排廢氣中的VOCs濃度,通過計算結(jié)果判斷循環(huán)風(fēng)方案的可行性及生產(chǎn)的安全性；另外通過計算噴漆室排出的廢氣中VOCs的濃度大小并結(jié)合工廠當(dāng)?shù)丨h(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求及其他相關(guān)因素來判斷廢氣是直接排放還是先處理后排放。通過這個計算思路同樣也可以計算出烘干室里面的VOCs濃度及烘干排廢氣VOCs濃度，本文不再一一計算。
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