涂装车间喷漆室VOC浓度的计算-铠龙东方汽车有限公司-樊孝涛 李艳来(修改版) (1)
涂装车间喷漆室VOC浓度的计算
樊孝涛，李艳来
铠龙东方汽车有限公司制造工程院涂装部；江苏无锡；214000
【摘要】基于对节能减耗及环保要求的考虑，目前新建涂装车间喷漆室送风大部分都采用循环风送风
方案，如果采用提高循环风比例来实现进一步节能，那么就需要我们对喷漆室VOC的浓度进行理论计算，通过
计算结果判断循环风方案的可行性及生产的安全性；另外通过计算喷漆室排出的废气中VOC的浓度大小并结合
工厂当地环保标准要求及其他相关因素来判断废气是直接排放还是先处理后排放。
【关键词】喷漆室; VOC浓度; 循环风
Paint Shop Spray Booth VOC Density Calculation.
Xiaotao Fan，Yanlai Li
KaiLong DongFang Automobile Co., Ltd. Engineering Institute Painting Department
Wuxi, Jiangsu Province P.C：214000
Abstract： Considering energy saving, consumption reduction and environmental requirements, at present, most of the new paint shop spray booth uses recirculated air in air supplying. If we increase the proportion of circulating air to achieve maximum energy saving, we have to calculate the VOC density of the spray booth, and according to the results, determine the feasibility of circulating air method and the production of security; additionally, by calculating the VOC density in exhausted gas and considering the local environmental protection standards and other relevant factors, we are able to make the judgement that we should make direct emissions or emissions after treatment.
Key Words： Spray booth; VOC density;Circulating air
0 引言
随着“绿色涂装”理念越来越深入，涂装行业中各界人士无时无刻不在为此理念而努力。其中，节能减耗作为“绿色涂装”理念中的一个重要组成部分，当然也是大家高度关注且努力奋斗的一个重要方向。在能耗方面，涂装车间占据四大工艺车间整个耗能的60%左右，而喷漆室又占据整个涂装车间的50%左右。尤其是近几年来,水性漆的广泛运用对喷漆室空调送风的温湿度又有了更严格的要求，因此喷漆室的空调送风系统成为喷漆室中的一个耗能大项。为了降低空调机组的耗能，越来越多的涂装车间都采用循环风送风方案，在一定的范围内，循环风比例越高也就越节能。当然，并不是我们想当然的任意提高比例，因为循环风比例的提高会导致喷漆室内部及排出的废气中VOC浓度的提高。从安全角度考虑，喷漆室内部VOC浓度一般要控制在可燃气体爆炸极限浓度的四分之一以下。另外，排出的废气浓度也要符合当地环保部门及相关法规要求。所以，我们就要对喷漆室的VOC浓度进行前期核算，通过计算结果再结合其他相关因素来确定循环风比例。另外通过计算废气VOC浓度来判断废气是直接排放至大气还是需要先处理后排放。因此，各主机厂家、喷漆设备厂家及环保单位都会对喷漆废气VOC浓度进行计算。此篇论文就在采用循环风方案的情况下对喷漆室VOC 浓度的计算阐述一下我个人的计算方法。
1喷漆室单位时间内VOC挥发量的计算
VOC是挥发性有机化合物(volatile organic compounds)的英文缩写，我们在全文提到的VOC 指的是油漆中含有的有机挥发物。目前汽车涂装常用的油漆主要有两种：即水性漆(一般用于中涂漆和面漆)和溶剂型漆(一般用于罩光清漆)。调制好的油漆主要包含固体份、有机溶剂、稀释剂(水性漆主要为水，溶剂型漆主要为挥发性有机化合物)等，其中固体份主要通过烘干后固化而随车身附着，有机溶剂(主要含二甲苯和非甲烷总烃)则相继在喷漆室、流平室及烘干室中挥发。根据经验，在喷漆室中会有约50%的有机溶剂挥发产生，流平室中约20%的有机溶剂挥发产生，烘干室中约30%的有机溶剂挥发产生。另外，需要提醒一下，不同厂家的油漆有机溶剂含量、固体份含量等参数会有所不同，我们下面的计算当中取的各个数值仅仅是参考某一油漆厂家的参数来举例说明计算方法。
1.1油漆体积固体含量
油漆的体积固体含量即为油漆中非挥发性成分与液态漆料的体积比。液态油漆中的溶剂挥发后，真正留在车身表面成为漆膜的就是油漆中的非挥发成份，即固体含量。计算公式如下：
体积固体含量=(干膜厚度/湿膜厚度)* 100%
1.2湿膜厚度计算
通过干膜厚度、固体含量来计算湿膜厚度(根据1.1中公式），其中固体含量可以从油漆厂家提供的产品资料中得到。
已知规定的干膜厚度，查阅相关油漆的体积固体含量，计算相应的湿膜厚度，可以按以下公式计算:
湿膜厚度=干膜厚度/固体含量
1.3油漆实际用量计算
油漆的实际用量可以按以下公式计算：
油漆实际用量=(单位时间内喷涂面积*湿膜厚度)/涂布效率
1.4有机溶剂（VOC）挥发量计算
由以上公式可计算出单位时间内油漆实际用量、油漆有效利用量、过喷油漆量。三者之间关系为：
油漆实际用量=油漆有效利用量/涂布效率
那么,有机溶剂挥发量可通过以下公式计算可得：
喷漆室中有机溶剂挥发量=车身油漆溶剂挥发量+过喷油漆中有机溶剂量=油漆有效利用量*有机溶剂百分含量*50% +油漆损耗量*有机溶剂百分含量
那么，也可以顺便算出来流平室有机溶剂挥发量：
流平室有机溶剂挥发量=车身油漆溶剂在流平室中挥发量=油漆有效利用量(包括内板、外板)*有机溶剂百分含量*20%
备注：(1)设定有机溶剂在喷漆室中挥发的比例为50%。
(2)假设损耗的油漆中的有机溶剂全部挥发至喷漆室中。
(3)设定有机溶剂在流平室中挥发的比例为20%。
1.5举例计算
例：某一新能源汽车厂喷涂生产线生产能力为26JPH，其中车身外板喷涂面积为12m2，内板喷涂面积为5m2。具体喷漆参数详看表1，计算每喷漆工序单位时间内VOC排放量。
表1：参数一览表
2 面漆（水性漆）外板25；内板20 50% 12% 60%
根据上文公式计算可得：
(1)总喷涂面积计算
每小时内板喷涂总面积=车型产量*车型涂覆面积=26*5=130m2/H
每小时外板喷涂总面积=车型产量*车型涂覆面积=26*12=312m2/H
(2)湿膜厚度计算
中涂内板喷涂湿膜厚度=25/50%=50μm
中涂外板喷涂湿膜厚度=35/50%=70μm
面漆内板喷涂湿膜厚度=20/50%=40μm
面漆外板喷涂湿膜厚度=25/50%=50μm
清漆内板喷涂湿膜厚度=25/50%=50μm
清漆外板喷涂湿膜厚度=50/50%=100μm
(3)油漆有效使用量计算
中涂内板油漆有效使用量=(130*50)/1000=6.5kg/H
中涂外板油漆有效使用量=(312*70)/1000=21.84kg/H
面漆内板油漆有效使用量=(130*40)/1000=5.2kg/H
面漆外板油漆有效使用量=(312*50)/1000=15.6kg/H
清漆内板油漆有效使用量=(130*50)/1000=6.5kg/H
清漆外板油漆有效使用量=(312*100)/1000=31.2kg/H
(4)油漆实际用量计算
中涂内板油漆实际用量=6.5/60%=10.8kg/H
中涂外板油漆实际用量=21.84/60%=36.4kg/H
面漆内板油漆实际用量=5.2/60%=8.7kg/H
面漆外板油漆实际用量=15.6/60%=26kg/H
清漆内板油漆实际用量=6.5/60%=10.8kg/H
清漆外板油漆实际用量=31.2/60%=52kg/H
(5)有机溶剂（VOC）挥发量计算
中涂内板喷涂段=6.5*12%*50%+(10.8-6.5) *12%=0.39+0.516=0.906kg/H
中涂外板喷涂段=21.84*12%*50%+(36.4-21.84)*12%=1.31+1.75=3.06kg/H
中涂流平段=(21.84+6.5) *12%*20%=0.68kg/H
面漆内板喷涂段=5.2*12%*50%+(8.7-5.2) *12%=0.312+0.42=0.732kg/H
面漆外板喷涂段=15.6*12%*50%+(26-15.6) *12%=0.936+1.248=2.184kg/H
清漆内板喷涂段=6.5*50%*50%+(10.8-6.5) *50%=1.625+2.15=3.775kg/H
清漆外板喷涂段=31.2*50%*50%+(52-31.2) *50%=7.8+10.4=18.2kg/H
清漆流平段=(31.2+6.5) *50%*20%=3.77kg/H
2两种常见循环风方案的VOC浓度计算
目前循环风较常见的循环方式主要有两种：一是循环风全部来自新风喷涂段的排风 (详看图1)，二是循环风由两部分组成：新风喷涂段的排风及部分循环过的循环风(详看图2)。以下我们将对这两种情况分别进行计算。由于上文我们对某新能源汽车厂已经进行了VOC挥发的举例计算，为了方便起见，我们还以此新能源汽车厂为例进行VOC浓度的计算。第一种情况以中涂喷漆室(水性漆)为例，第二种以清漆喷漆室(溶剂型漆)为例。
2.1循环风全部由新风喷涂段排风组成
图1
2.1.1根据上文计算结果可得知中涂各喷涂段VOC每小时挥发量：
中涂内板喷涂段=6.5*12%*50%+(10.8-6.5) *12%=0.39+0.516=0.906kg/H
中涂外板喷涂段=21.84*12%*50%+(36.4-21.84) *12%=1.31+1.75=3.06kg/H
中涂流平段=(21.84+6.5) *12%*20%=0.68kg/H
2.1.2根据每喷涂段风量可计算出每段VOC浓度：
中涂内板喷涂段=906000/(89100+4950)=9.6mg/m3
中涂外板喷涂段=(9.6*45680+3060000)/45680=76.6mg/m3
中涂流平段=(9.6*6720+680000)/6720=110.8mg/m3
2.1.3排废气VOC浓度计算：
(41650*9.6mg/m3+45680*76.6mg/m3+6720*110.8mg/m3)/(41650+9900+45680+53460+6720)
=4643504/157410=29.5mg/m3
备注：在正常喷涂工况下，由于人工补喷段喷漆量很少甚至不喷，所以在此计算过程中以不喷漆来计算，以下计算同样如此，不再单独说明。
2.2循环风由新风喷涂段排风及部分循环风再次参与循环两者组成
图2
2.2.1根据上文计算结果可得知清漆各喷涂段VOC每小时挥发量计算：
清漆内板喷涂段=6.5*50%*50%+(10.8-6.5) *50%=1.625+2.15=3.775kg/H
清漆外板喷涂段=31.2*50%*50%+(52-31.2) *50%=7.8+10.4=18.2kg/H
清漆流平段=(31.2+6.5) *50%*20%=3.77kg/H
2.2.2各喷涂段内部每次循环阶段VOC含量计算：
为了便于计算和理解，我们以每小时循环一次进行计算，以清漆外板自动喷涂区为例，假设在一个容积为53460m3的密闭空间内，每喷漆1个小时后，我们都对其内部的VOC含量及浓度进行计算，下面我们按照这个思路对各喷涂段的计算如下：
2.2.2.1 喷涂第1个小时后各喷涂段VOC含量计算：
清漆内板喷涂段=6.5*50%*50%+(10.8-6.5) *50%=1.625+2.15=3.775kg
清漆外板喷涂段=31.2*50%*50%+(52-31.2) *50%=7.8+10.4=18.2kg
清漆流平段=(31.2+6.5) *50%*20%=3.77kg
2.2.2.2 喷涂第2个小时后各喷涂段VOC含量计算：
清漆内板喷涂段=3.775+71280* [3.775*24540/(71280+2910)+18.2]
/(24540+45680+53460)=(3.775+11.207) kg
清漆外板喷涂段=18.2+45680* [3.775*24540/(71280+2910)+18.2]/(24540+45680+53460) =(18.2+7.182) kg
清漆流平段=3.77+6720* [3.775*24540/(71280+2910)+18.2]/(24540+45680+53460)
=(3.77+1.057) kg
2.2.2.3 喷涂第3个小时后各喷涂段VOC含量计算：
清漆内板喷涂段=3.775+71280* [14.982*24540/(71280+2910)+25.382]
/(24540+45680+53460)=(3.775+11.207+11.207*0.56) kg 清漆外板喷涂段=18.2+45680* [14.982*24540/(71280+2910)+ 25.382]/(24540+45680+53460) =(18.2+7.182+7.182*0.56) kg
清漆流平段=3.77+6720* [14.982*24540/(71280+2910)+ 25.382]/(24540+45680+53460) =(3.77+1.057+1.057*0.56) kg
2.2.2.4 喷涂第4个小时后各喷涂段VOC含量计算：
清漆内板喷涂段=(3.775+11.207+11.207*0.56+11.207*0.56^2) kg
清漆外板喷涂段=(18.2+7.182+7.182*0.56+7.182*0.56^2) kg
清漆流平段=(3.77+1.057+1.057*0.56+1.057*0.56^2) kg
2.2.2.5 根据数学归纳法可推断出第n个小时后各喷涂段VOC含量计算：
清漆内板喷涂段=[3.775+11.207+11.207*0.56+…+11.207*0.56^(n-3）+
11.207*0.56^(n-2)] kg
清漆外板喷涂段=[18.2+7.182+7.182*0.56+…+7.182*0.56^(n-3）+
7.182*0.56^(n-2)] kg
清漆流平段=[3.77+1.057+1.057*0.56+…+1.057*0.56^(n-3）+
1.057*0.56^(n-2)] kg
2.2.2.6 分别对第n个小时后各喷涂段VOC含量求极限值如下：
清漆内板喷涂段：Lim [3.775+11.207+11.207*0.56+…+11.207*0.56^(n-3）+
11.207*0.56^(n-2)] =3.775+11.207/(1-0.56)=29.245kg
清漆外板喷涂段：Lim [18.2+7.182+7.182*0.56+…+7.182*0.56^(n-3）+
7.182*0.56^(n-2)] =18.2+7.182/(1-0.56)=34.523kg
清漆流平段：Lim [3.77+1.057+1.057*0.56+…+1.057*0.56^(n-3）+
1.057*0.56^(n-2)] =3.77+1.057/(1-0.56) =6.172kg
2.2.2.7根据每段风量可计算出每段VOC浓度：
清漆内板喷涂段： 29.245kg/(71280+2910)=394mg/m3
清漆外板喷涂段： 34.523kg/45680=755.8mg/m3
清漆流平段： 6.172kg/6720=918.5mg/m3
2.2.3 排放的废气VOC浓度计算：
根据图2送排风原理图可知，排放的废气由内板喷涂排出的部分气体和流平室排出的全部气体两部分组成，根据上文计算结果可计算排放的废气VOC浓度如下：
[6.172+29.245*49650/(49650+24540)]/(49650+6720)=457mg/m3
2.2.4排放的废气VOC浓度另一种方法的计算：
有关排废气VOC浓度计算我们还可以用另外一种思路：由于每个喷涂段废气浓度最终会达到一个最大极限值，并且以这个最大值持续下去；另外，单位时间内每个喷涂段新产生的废气量也是个恒定值。那么，会产生这样一个平衡状态，即单位时间内新产生的VOC量等于此单位时间内排走的VOC量，那么排废气VOC浓度可进行如下计算：
由上文可知清漆各喷涂段每小时挥发产生的VOC量如下：
清漆内板喷涂段=6.5*50%*50%+(10.8-6.5) *50%=1.625+2.15=3.775kg/H
清漆外板喷涂段=31.2*50%*50%+(52-31.2) *50%=7.8+10.4=18.2kg/H
清漆流平段=(31.2+6.5) *50%*20%=3.77kg/H
所以，排废气中VOC浓度为：
(3.775+18.2+3.77)/ (49650+6720) =457mg/m3
经过计算数据对比，此结果与2.2.3中我们计算的废气VOC浓度数据一致，在不计算每个喷漆段VOC浓度而仅仅计算排废气VOC浓度时，我们可采取此办法来计算。
3 计算分析总结
本文计算过程看似非常复杂，其实道理很简单。如果做成计算表格的话更是事半功倍。计算过程中只需把控如下思路即可：每个合理的循环风方案在每个喷涂段中的VOC浓度一定有一个极限上限值，如果没有上限值，势必会造成喷漆室内部VOC浓度越来越大，最终会累计到爆炸极限浓度而发生爆炸危险。鉴于此理论和大量计算结果进而推断可知：每一个合理的循环风方案，每次循环后的VOC浓度都会比上一次循环以某个小于1的等比值累计增加（本文计算的等比值是
0.56），循环次数越多，这个数值就越趋近于计算出来的极限值。另外，此等比值受各功能段风量、
单位时间内VOC挥发量等参数影响。
4 结语
本文的计算方法可以计算出每个喷涂段的有机溶剂VOC浓度及排废气中的VOC浓度,通过
计算结果判断循环风方案的可行性及生产的安全性；另外通过计算喷漆室排出的废气中VOC的
浓度大小并结合工厂当地环保标准要求及其他相关因素来判断废气是直接排放还是先处理后排放。另外，通过这个计算思路同样也可以计算出烘干室里面的VOC浓度及烘干排废气VOC浓度，
本文不再一一计算。最后，本文牵涉到的参数取值仅仅为说明计算方法而拟定的参考数值，不
做为实际理论依据。
参考文献：
王锡春.涂装车间设计手册（第二版）[M].北京：化学工业出版社，2013.