集装箱涂装线VOCs治理研究

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集装箱创新者 发表于 2020-9-24 15:10:21 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
摘要:综述了集装箱生产污染物排放概况,归纳了集装箱涂装线现行VOCs治理技术及水性涂料的技术难点,分析了集装箱水性涂料与溶剂型涂料的施工工艺差别。指出集装箱水性涂料的VOCs含量相比溶剂型下降了80%,使用水性涂料已成为集装箱制造业的必然趋势。

1集装箱生产污染物排放概况

集装箱也称为“货柜’,(英文:Container),是一种可以反复使用的交通运输装备”1。集装箱的角件结构便于机械装卸,并易于进行多式联运,即在集装箱卡车、货运飞机、铁道车辆、货轮之间的相互转运使用。集装箱运输的最大特点是货物运转的高效率和运输方式多样化(即多式联运)。随着计算机IT产业的蓬勃发展,集装箱运转系统的管理效率得到了极大提升,伴随着国际多式联运模式的快速发展,集装箱运输已成为国际物流运输的主要方式。国际集装箱运输的历史已有近60年,我国的集装箱运输也有了30余年的历史,并已进入成熟时期。我国于1993年超越韩国成为集装箱产销量的世界第一,至今已占全球市场份额的95%。图1为集装箱的多式联运。
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当前国际物流领域使用的集装箱,其中90%为普通海运干货集装箱。其长期在海上承担运载业务,而且在吊运装载过程中会经常发生擦碰。因此,集装箱的箱体防锈问题,既影响集装箱的寿命,也涉及使用安全(锈蚀严重会导致重货吊装安全问题)。在考虑集装箱涂料涂装成本的同时,减低挥发性有机物的排放、提升集装箱涂层性能是研究的主要方向。

现有涂装线主要使用的涂料产品是溶剂型涂料。集装箱是快节奏、大批量的流水线作业,涂装施工过程中排放的VOCs不仅造成环境污染,还存在火灾、爆炸的安全隐患。随着人们对生存环境和身体健康的日益重视,集装箱涂装线VOCs排放污染的治理压力空前增大。集装箱涂装线排放的VOCs,不仅破坏了涂装线周边的环境,而且将会对施工人员的身体健康造成职业病的危害。以普通海运钢质集装箱的制造工厂为例,其主要的制造工艺流程和产污的环节详见图2。
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从图2中可以看出,挥发性有机化合物(VOCs)是集装箱生产线排放的最主要的污染物。为提升集装箱涂装施工过程的环保化,行业内已深入开展了集装箱水性涂料的研发。

2集装箱涂装线现行VOCs治理技术

集装箱行业现行治理VOCs污染的方式主要是末端治理方式一一催化燃烧法和吸附回收法。

2.1燃烧法及催化燃烧法

燃烧法是通过有组织系统,将生产过程中的VOCs引导至燃烧室,通过高温(需要850℃以上高温)燃烧成完全氧化的碳、氮、硫等氧化物气体。燃烧法的优点是如果燃烧室的温度有保障,VOCs能被完全转化为无害气体;缺点是如果进入燃烧室的VOCs浓度低于一定值,VOCs的燃烧值不能维持燃烧室的高温。结果是要么给燃烧室补充高能维持高温,要么任由燃烧室温度下降而不完全燃烧,无法实现VOCs的转化。前者需要产生较大的燃烧成本费用(环保成本较高),后者则会向空气排放对人体更为有害的苯系氧化物。

催化燃烧法是指:为了维持进入燃烧室的VOCs有较高浓度,有机构提供吸附解附装置,将生产过程中的低浓度废气,浓缩为高浓度VOCs气体,再送燃烧室燃烧。但这种装置投资较大,也需要较高的运营成本。图3为催化燃烧的原理示意图,图4为某集装箱制造企业投入施工的催化燃烧设备。
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2.2吸附回收法

吸附回收法是在浓缩回收法的启发下,进一步创新而成。其原理是通过特定的吸附材料捕捉VOCs分子,到一定集中度之后,用高温水蒸气脱附VOCs分子,并将所得的高浓度VOCs水蒸气,通过分馏等技术,分离成液态的有机溶剂和水。分离所得的有机溶剂其实就是涂料的溶剂主材料,所以可以重用于涂料的调配、涂装工艺过程,实现了VOCs的回收重新利用。图5为吸附回收法的流程图。
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3集装箱水性涂料的技术难点

海运集装箱长期处在盐雾及阳光直射环境,腐蚀环境非常恶劣,集装箱的箱体防锈问题,既影响集装箱的寿命,也涉及货物安全(锈穿漏水损坏货物)和使用安全(锈蚀严重会导致重货吊装安全问题)。目前,集装箱涂料中溶剂型涂料占比在90%以上。水性涂料是国内外重防腐产业,特别是海洋防腐工程的前沿技术领域,这项技术的突破可以对船舶、海洋设施、集装箱等提供非常重要的防腐保护,极具研究开发价值。

我国在水性涂料方面有很大需求。从环保角度考虑,这方面的技术开发能够有益于我国海运事业健康发展,但是集装箱水性涂料产品尚有技术难点需要克服。

3.1水性涂料中的3涂层方案及其技术难点

集装箱传统涂料的工艺配方,涂层由3种不同成分的涂料组成,每一涂层有不同的功能。最内一层(与钢材接触),业内称之为“富锌底漆”,其作用功能如前所述;中间一层,行内称为“中层漆”(有单组分和双组分2种工艺方案),其主要功能是防止氧气进入与富锌底漆及钢材接触;外面一层,业内称为“外面漆”,其主要功能是防止太阳紫外线老化“中层漆”(其老化开裂将导致防氧化功能失效)。

由于集装箱内极少被阳光照射,所以箱内采取了“富锌底漆”加高致密性的“箱内面漆”两涂层方案。我们所说的3涂层方案,其实以箱外表面涂装工艺为区分标准。

以上可见,传统集装箱3涂层方案,是由3种不同性能的涂料,综合配套,才能有效解决集装箱箱体防锈蚀问题。

3涂层方案的技术瓶颈在于最大程度防止“富锌底漆”中锌原子被氧化。锌原子被氧化导致其丧失“阴极保护”功能。目前,业界采用“包络技术”解决这一难题,即先将锌粉用少量有机溶剂包络,然后通过乳化剂令有机溶剂包络的锌粉溶于低VOc介质。所以必须在协调包络技术所采用的有机溶剂含量的极限基础上达到降低VOCs目的。

3.2水性涂料的闪蚀性技术瓶颈

为解决3涂层方案锌原子被氧化的问题,目前有涂料商采用高附着力的两涂层解决方案,但这一方案也存在技术瓶颈。一般集装箱制造过程中打砂工艺之后,钢材不能接触水汽,否则会发生“闪锈”,即在“打砂”后的粗糙钢材表面尖锋点上,出现快速被氧化锈蚀现象。为此,该供应商的解决方案,在实际应用时,也不得不使用少量的传统富锌底漆,以防止“闪锈”。

但是,一旦加了富锌底漆,其内面漆原本的高附着力特性就被削弱(隔了锌粉层将导致其内面漆很难接触钢材表面,附着力下降)。这种“两层半”的实际解决方案,在防锈蚀机理上是自相矛盾的,很难说服客户相信这种办法有足够的防锈蚀能力。

3.3水性涂料的涂装工艺技术难点

涂料体系的溶剂介质为低冰点高挥发性有机物,在大气中含量极低,所以,涂料在涂装时的气候条件(温湿度)几乎不受限制。但如果将溶剂改为水性体系后,由于水和低含量有机溶剂的凝固点约为0℃,加上空气中有大量的水分,所以,水性涂料在涂装施工时,低于一定温度和高于一定湿度时,均无法形成有效的涂膜。水性涂料涂装工艺受限于温湿度的这种现象,叫“施工窗口控制”。

水性涂料不但有施工窗口控制问题,还有一个施工过程的“成膜反潮”问题。“成膜反潮”是指水性涂料在干燥过程中,需要干燥度达到一定的指标度,才能返回高湿环境(包括下雨天气),否则将无法形成有效涂膜。

3.4水性涂料的标准体系建设滞后

由于集装箱水性涂料产品近些年才陆续研发面世,各种产品供应商各自为政做研发,各大集装箱制造企业也是被动跟随产品供应商试用水性涂料,对施工工艺规范还没完全掌握,更没能形成行业公认的产品标准和施工规范。因此,集装箱水性涂料的“标准”基础工作薄弱,也增加了我国集装箱行业推广使用新型环境友好型涂料的困难。

3.5水性涂料的成膜质量缺陷

水性涂料的成膜质量缺陷举例如图6所示。
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4集装箱水性涂料与溶剂型涂料的施工工艺差别

集装箱水性涂料与溶剂型涂料在施工工艺上的差别如表l。
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5集装箱水性涂料施工工艺汇总

水性涂料施工工艺汇总情况参考表2。
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6结语与展望

尽管集装箱水性涂料在产品技术、施工工艺、标准体系方面仍存在一定的限制和困难,但鉴于我国在环保政策上制定的要求越来越严格,如:国家涂料消费税的全面征收,广东省制定的集装箱行业有机挥发物排放标准已明确于2017年7月1日开始将全面限制溶剂型涂料的使用,国家vochl!放收费试点政策已将集装箱行业列为试点行业等,集装箱水性涂料的应用已成必然趋势。

集装箱水性涂料的成功推广应用依赖于以下条件的具备:(1)对现有“三涂一烘”工艺的集装箱涂装线进行水性化改造,以满足“一涂一烘”的工艺要求;

(2)完善对水性环氧富锌底漆、水性底漆的防腐机理的论证;

(3)提升水性涂料的成膜初期耐水性能,以满足全天候条件对水性涂料成膜质量的考验;

(4)完善集装箱水性涂料产品标准、施工规范、验收标准的标准体系建设,与COA、IICL国际组织的标准体系接轨:

(5)克服水性涂料废水、废渣环保治理的技术瓶颈,真正实现集装箱涂装线“三废”的环保治理。
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