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汽车涂装行业多粒度系统能源与资源效率评估
摘要：汽车涂装车间是汽车制造过程中的主要耗能环节，由于涉及步骤多且过程复杂，导致涂装车间的能源消耗相当高。本文分析了汽车涂装行业的工艺流程以及能源资源消耗等问题，建立了汽车涂装行业的能源消耗与资源效率指标体系，并从系统层、过程层和设备层三个粒度对涂装行业的能耗问题进行了分类，对于汽车涂装行业能源与资源效率的提升以及减少污染排放具有重要的参考意义。
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汽车涂装车间是汽车制造过程中的主要耗能环节。由于涉及多个步骤和复杂的处理过程，如烘干、空调风循环等，涂装车间的能源消耗相当高。然而，行业内正在积极研究并应用各种节能技术，以减少能耗和环境影响。这些努力不仅响应了全球节能减排的趋势，也为企业带来了经济效益。
田元超等[1]总结分析了汽车涂装设备中应用的 节能降耗新技术和新工艺。顾士涛[2]针对汽车涂装能 耗、污染排放以及节能技术等问题进行了探讨。另 外，邹冰倩等[3-6]也基于汽车涂装行业的能耗、污染 以及节能技术从不同方向展开了研究。
汽车涂装车间在冲压、焊接、涂装和总装四大工艺车间中是耗能量最大的车间，在汽车制造过程中所消耗的能源占整个制造过程的70%左右，可以看出对 涂装车间进行能耗控制可以有效的控制和降低整车的 制造成本。但是由于工艺技术和设备水平等原因的限 制，汽车涂装车间在节能、降耗、减排等方面或多或少存在不足。
通过对汽车涂装车间节能问题的研究，国内外学者已经分析了包括烘干室、余热利用、涂装工艺和喷漆室等多个方面的节能技术和方法。然而，目前所采用的节能技术普遍面临成本高、车间布局和设备改造需求大、改善周期长等挑战。
1、涂装生产技术概述
如图1，在汽车制造企业，一般可以将汽车涂装 工艺分为涂装前金属的表面处理（也叫前处理环节） 和涂装施工环节这两大部分。其中，前处理阶段的主 要投入包括脱脂剂、磷化剂、表调剂、钝化剂，以及 水、电和热能。这些投入的目的是为了产出清洁的金 属表面、磷化膜和钝化膜，以及水和热能。而在涂装 施工阶段，主要投入的是涂料、稀释剂、固化剂、溶 剂，以及电能和热能。这些投入的目的是为了产出提 供防腐、装饰和保护功能的干燥涂层，以及涂料干燥 过程中挥发的溶剂和用于烘干和固化涂料的热能。
图1 汽车涂装车间主要工艺环节流程图
1.1 前处理环节
目前汽车涂装生产线中前处理环节多采用化学方法进行处理，主要包含：热水洗—脱脂—水洗1— 表调—磷化—水洗2—纯水洗等具体工序。前处理的 工艺流程图如图2所示。
图2 前处理环节工艺流程图
前处理环节中脱脂是指对金属白车身表面的油污进行清除的过程，通常是利用碱性溶液或者机溶剂等材料，对白车身产生皂化和乳化反应，从而溶解车身表面油污。
表调工艺过程是通过在白车身表面形成磷化膜，为后续的磷化工序做基础，有利于加快磷化反应。表调工艺过程中要求车身温较低，表调过程中的漕液或喷淋液体是pH处于8.5-9.5之间的碱性溶液。
电泳工艺的目的是在车身表面形成一层不溶于水的漆膜，工作原理是在电泳水溶性材料中放入车身和对应的电极，在电源接通后，依靠电场作用，将涂料中的颜料析出并附着在车身表面，形成均匀的不溶于水的底漆。
1.2 涂装施工环节
传统的汽车涂装生产线中涂装施工工艺主要包含：电泳烘炉—车底PVC胶及密封—胶干烘炉—中 涂—中涂烘炉—中涂打磨—面漆—面漆烘炉—精 修—质量确认。涂装施工环节的工艺流程图如图3所 示。
图3 涂装施工环节工艺流程图
2、涂装生产工艺特点
涂装车间生产过程被分解成一系列连续的需要能源输入的单一过程，其流程如图4所示。图中给出 了每个单一过程中主要能源（电和天然气）的消耗 以及CO2 的产生和排放。主要能源之外的次要能源 消耗（如蒸气、热能、压缩空气等）及其产生的碳 排放，由于相对主要能源来说对环境影响较小，可 忽略不计。
图4 汽车涂装生产工艺中的资源与能源关系
通过对涂装车间各个工艺过程的耗能进行分析，可以看出涂装车间主要耗能有以下两方面特点：
（1）汽车涂装车间的耗能设备种类多、数量 多。加工设备如水洗、脱脂、磷化、电泳、烘炉、喷 漆、打磨等设备；运输设备例如悬挂输送链、地面输 送链等，其他设备如车间照明、空调、电脑、风扇、 给排水设备等，并且每类设备的型号和数量不一，造 成了涂装车间能耗设备种类多、数量多这一特性。
（2）汽车涂装车间中由于生产设备类型、动力 源及生产工艺不同，消耗的能源种类也不同。例如， 普通的加工工序和输送设备主要使用电能，烘炉工序 主要使用电能和燃气，自动化喷漆设备消耗压缩空 气等。
3、涂装能耗、资源效率指标体系
在汽车涂装车间内所有工艺环节中，必然有一些环节是耗能相对较多的重点环节。（1）单位面积取水量 取水量指企业在一定计量时间内生产单位面积需 要从各种水源所取得的水量。
（1） 单位面积取水量
取水量指企业在一定计量时间内生产单位面积需要从各种水源所取得的水量。
单位面积取水量指企业生产每平方米涂装面积需要从各种水源所取得的水量。
式中：
Vui ——单位涂装面积的取水量，l/m2；
Vi ——在一定计量时间内涂装生产的取水量，t；
Q——在一定计量时间内涂装面积总和，m2。
（2）单位涂装面积（重量）综合能耗
综合能耗是指统计报告期内，主要生产系统、辅助生产系统和附属生产系统的综合能耗总和。
企业单位涂装面积（重量）综合能耗是指在一定计量时间内，涂装1m2（1kg）产品的综合能耗 （单位面积（重量）的综合能耗不考虑用于调节气候 的能耗，只考虑工艺设备的能耗）。
式中：
Eui ——涂装每m2（kg）的综合能耗（折标准煤），kgce/m2；
Q——在一定计量时间内总的涂装面积（重 量），m2；
Ei ——在一定计量时间内的综合能耗（折标准 煤），可扣除余热回收的耗能，kgce。
其中，1 kW·h=0.1229 kgce
（3）单位面积的化学需氧量（CODcr ）产生量 指生产过程中产生的废水中CODcr 的量。
式中：
CODcr ——涂装1m2的CODcr产生量，g/m2；
Ci ——在一定计量时间内，各生产环节CODcr 产 生浓度实测加权值，mg/L；
Vc ——在一定计量时间内，企业生产废水产生 量（纯水制备产生的浓水不计入废水产生量），t；
Q——在一定计量时间涂装面积总和，m2。
（4）单位面积的危险废物产生量
按照《国家危险废物名录》，危险废物主要包括HW06废有机溶剂与含有有机溶剂废物、HW12染 料涂料废物、HW17表面处理废物、HW23含锌废 物、HW35废碱、HW49其他废物。
4、能效指标类型
根据指标类型分别从系统层、过程层、设备层三个粒度对建立的涂装能效指标体系进行分类
（1）系统层能效指标
系统层的指标为整个涂装生产过程设计的，用于宏观分析整厂的能效水平。包括：单位产品能耗、单位产值能耗、环境排放指标、车间整体能耗分析，除了能耗指标外，涂装过程中还会产生各种环境排放物，如VOCs、废水和固体废物。因此，污染物排放 浓度和排放量也是重要的评估指标。
（2）过程层能效指标
过程层的指标用于分析涂装内部生产过程的能效水平。包括：烘干和固化环节的能耗、废气废水利用率、热能回收利用率、压缩空气浓度等。
（3）设备层能效指标
设备层的指标是为生产耗能设备设计的，用于分析涂装生产关键设备的运行效率。包括：空调设备能耗、能耗与生产量的比值、设备自适应能力、能源绩效参数、循环水使用率、单批次用水量、废气处理效率、烘干效率、节能利用率、原材料的环保指标等。
5、结论与建议
本文分析了汽车涂装行业的工艺流程以及能源资源消耗等问题，建立了汽车涂装行业的能源消耗与资源效率指标体系，并从系统层、过程层和设备层三个粒度对涂装行业的能耗问题进行了分类，对于汽车涂装行业能源与资源效率的提升以及减少污染排放具有重要的参考意义。
参考文献:
[1]田元超,吕献华,张攀峰,等. 节能技术在 汽车涂装设备中的应用研究[J]. 中国设备工程,2023 (24):8-11
[2]顾士涛. 汽车涂装车间能耗分析与节能技术[J]. 现代制造技术与装备,2020,56(08):184+200
[3]邹冰倩. 汽车涂装车间能耗分析与节能技术研 究及应用[D]. 重庆理工大学,2017
[4]郭北洋. 汽车涂装设备的节能问题[J]. 科技视 界,2013(31):102+106
[5]林鸣玉. 汽车涂装中节能技术的应用[J]. 涂料 工业,1997(04):30-32+3
[6]涂伟萍,程建华. 涂料生产与涂装过程中废气 排放与治理[J]. 中国涂料,2013,28(02):19-24
基金资助:国家重点研发计划资助:面向可持续制造的能源与资源效率提升方法研究及系统开发(编号:2022YFE0114200);
文章来源:高杰,尚羽佳.汽车涂装行业多粒度系统能源与资源效率评估[J].仪器仪表标准化与计量,2024,(06):7-9.
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期刊名称：中国涂料
期刊人气：2711
主管单位：中国石油和化学工业联合会
主办单位：中国涂料工业协会
出版地方：北京
专业分类：化工
国际刊号：1006-2556
国内刊号：11-3544/TQ
邮发代号：82-810
创刊时间：1986年
发行周期：月刊
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2024-12-25
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