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美國涂裝行業(yè)廢氣處理
作者：admin來源：本站發(fā)布日期：2020-03-17 02:30:15
信息摘要：總結了美國的清潔空氣法、國家有毒空氣污染物排放標準、最高可實現(xiàn)控制技術、控制技術指南等聯(lián)邦法規(guī)政策，美國南海岸空氣質量管理區(qū)、紐約州等區(qū)域涂料VOCs管控措施，以及涂料...
涂料行業(yè)是我國VOCs污染的主要來源之一，據(jù)估算2010年我國涂料使用過程的VOCs排放量約為223.5萬t，占當年全國人為源VOCs排放總量的13%。由于涂料基數(shù)中大量使用了揮發(fā)性有機溶劑、助劑等，在涂裝過程中溶劑型涂料有50%以上的VOCs排放到大氣中，其中多數(shù)含有可對人體內臟造成毒害甚至致癌作用的苯、甲苯、二甲苯、氯苯、丁醇、環(huán)己酮、環(huán)己烷和乙酸丁酯等有毒有害物質。部分具有光化學反應活性的VOCs排放至大氣中后，會與NOx等氣體經過復雜的化學和光化學作用形成臭氧、光化學煙霧等，最終危害人類健康和區(qū)域生態(tài)環(huán)境安全。
現(xiàn)階段我國VOCs控制才剛剛起步，系統(tǒng)性不強、行業(yè)針對性差、控制不全面等問題較為突出。廢氣治理方面，產品類型單一、技術水平落后、產品運行維護差。我國在“十二五”期間將VOCs列為重點污染物，以“三區(qū)六群”(京津冀、長三角和珠三角地區(qū)，遼寧中部、山東半島、武漢及其周邊、長株潭、成渝、臺灣海峽西岸等城市群)作為重點管控區(qū)域，推動涂料等有機溶劑使用量大的典型行業(yè)的VOCs污染聯(lián)防聯(lián)治工作，因此有必要借鑒國外VOCs綜合防治政策、法規(guī)和技術方面的寶貴經驗。
在美國，人們已經認識到可以通過減少VOCs的排放量來達到國家環(huán)境空氣質量標準(NAAQS)中的臭氧含量要求，因此，先后制定和實施了一系列針對涂料行業(yè)VOCs污染控制的法律法規(guī)，促進了行業(yè)工藝水平和污染控制技術的發(fā)展，有效地減少了VOCs的排放，為涂料行業(yè)的環(huán)境保護工作帶來了極大的促進作用。本研究針對美國涂料行業(yè)VOCs污染排放標準、管理策略、控制技術等進行了分析，為我國今后在該領域的VOCs綜合防治工作提供一定的啟示。
01美國VOCs污染控制政策和技術
1.1聯(lián)邦政府政策法規(guī)
1.1.1清潔空氣法(CAA)及其修正案
CAA是美國環(huán)境空氣質量保護的基礎法律，美國環(huán)保總署(EPA)以該法作為基本依據(jù)建立了NAAQS等一系列重要法律法規(guī)作為補充，構成了聯(lián)邦核心法規(guī)(CFR)。1990年通過的《清潔空氣法修正案》(CAAA)要求采取嚴格措施，到2000年降低70%VOCs排放量。在對涂料行業(yè)的控制方面，規(guī)定工業(yè)涂料的VOCs(稀釋后)排放限值為420g/L。CAAA列出的189種禁止或限制排放的有毒有害物質中70%為VOCs，包括了甲醇、甲乙酮、甲苯等幾乎所有涂料中常用的有機溶劑。
1.1.2新污染源行為標準(NSPS)
為促進大氣污染控制技術的推廣使用，減緩空氣污染問題，同時考慮到技術成本、健康和環(huán)境影響、能源需求等因素，根據(jù)1977年《清潔空氣法》制定了NSPS，它定義了限值和對特定排放單元的檢測方法及VOCs排放限值等，目前為止已頒布的涂料行業(yè)標準有汽車和輕型卡車、金屬家具、大型家電、金屬線圈、飲料罐、壓敏膠帶和標簽等表面噴涂作業(yè)VOCs排放標準。
1.1.3國家有毒空氣污染物排放標準(NESHAPs)
根據(jù)國會的要求，EPA須建立標準和管理措施控制導致癌癥或其他嚴重影響健康的危險空氣污染物的來源。1992年7月16日，EPA公布了第一批排放有毒空氣污染物源類別清單，該名單包括了工業(yè)表面涂裝VOCs污染源。為保證有效減少該類污染物，EPA將CAAA列出的危險空氣污染物按不同污染源制定了國家排放標準，表1給出了部分工業(yè)維護表面涂裝的有機有毒空氣污染物(OHAP)限制要求。為最大限度地減少HAP的排放，EPA專門設立了最高可實現(xiàn)控制技術(MACT)，通過最佳的清潔生產工藝、控制技術、操作手段等途徑達到限制要求。對HAP污染源實行嚴格的空氣污染削減措施。對現(xiàn)有污染源，①若有30個以上同類污染源，MACT底線應達到最佳的前12%企業(yè)的平均限值；②若同類污染源小于30個，應達到前4名的平均限值。對于新污染源，須達到現(xiàn)有同類污染源的最佳控制水平。
1.1.4控制技術指南(CTG)
清潔空氣法的第183(e)條款要求美國環(huán)保署對消費和商業(yè)品產生的VOCs的排放量進行管理。為了對VOCs污染源進行監(jiān)管，協(xié)助國家和地方達到空氣質量標準，EPA編制了CTG，對船舶制造、家具、大型家電涂裝等均提出了具體排放限制要求及控制措施(見表2)。CTG雖不屬于法規(guī)，但各州須以此為指導文件，制定相應的法律標準，作為減排計劃的一部分。
1.1.5國家消費和商業(yè)產品VOCs排放標準
(1)建筑涂料VOCs排放標準
EPA對消費產品和工業(yè)產品的VOCs釋放進行的一項調查研究發(fā)現(xiàn)建筑涂料的VOCs釋放量約占所有消費產品和工業(yè)產品的9%，而且建筑涂料更與人們的生活密切相關，所以該標準的制定與實施對于減少大氣污染、保護生態(tài)環(huán)境有著重大意義。1999年9月13日起，在美國生產和配送建筑涂料將按照此標準要求執(zhí)行。
(2)汽車修補涂料VOCs排放標準
1999年1月11日以后在美國境內出售、配送的汽車如客車、貨車、卡車和其他移動設備，零部件涂裝涂料、修補涂料要求按照該標準執(zhí)行(見表3)。
(3)氣溶膠涂料VOCs排放標準
EPA認為通過控制具有高化學反應活性的VOCs排放量可以更有效地降低地面臭氧濃度，因此，EPA采用了基于化學反應活性限值控制的氣溶膠涂料VOCs排放標準。該標準規(guī)定了產品的化學反應活性值的計算方法，并對監(jiān)管對象(氣溶膠產品標簽上注明的或指定產品配方的生產商、進口商、經銷商)提出了設立相關的產品標識、記錄、上報的要求。標準于2009年1月1日起執(zhí)行，最遲執(zhí)行時間為2011年1月1日。
1.2地方法規(guī)
除了上述聯(lián)邦法規(guī)、控制技術指導以外，各地區(qū)對VOCs排放也制定了嚴格的限制要求。
1.2.1區(qū)域性法規(guī)
為促進區(qū)域性污染物的綜合治理，美國設有多個區(qū)域性的管轄區(qū)，如南海岸空氣質量管理區(qū)(AQMD)、加州空氣資源委員會(CARB)、東北臭氧遷移委員會(OTC)等。
以AQMD為例，針對游艇、金屬零部件及產品、汽車生產線、金屬容器、密封件和線圈、電磁線、氣溶膠涂料、木材產品、建筑等方面的涂料使用均有具體的VOCs標準，并根據(jù)需要不斷更新。如為控制大小船舶及其輔助設備、海上浮標、石油鉆井平臺等方面海洋涂料的VOCs排放設立了1106條例(游艇另設專門的規(guī)定)，規(guī)定了詳細的涂料VOCs含量和排放限值、可替代的污染控制措施及VOCs削減效率核算方法、VOCs檢測分析手段。
1.2.2州級法規(guī)
一般情況，各州須根據(jù)自身的實際情況，以州實施計劃等形式制定控制要求，強制性要求其他政府部門、企業(yè)、機構共同控制和減少污染。如紐約州1979年7月24日生效的《表面涂裝工藝州實施計劃》，要求企業(yè)嚴格按照該法規(guī)要求執(zhí)行以下條款:①申請表面涂裝生產線許可證；②提供合理可達到技術(RACT)的檢測報告；③安裝污染控制設備，并限定生產線VOCs排放量；④定期向環(huán)保局提交記錄報告，上報生產過程中原料(包括溶劑)的購買量、使用量和產量，生產工藝中VOCs實際含量，污染控制設備的去除效率數(shù)據(jù)；⑤企業(yè)自行測定涂裝生產線的揮發(fā)性有機物質含量、水含量、密度、固體體積和固體質量來確定實際的VOCs含量(取樣和分析的方法由相關法規(guī)規(guī)定)；⑥溶劑的貯存清洗需采用防止泄露和揮發(fā)的控制措施。
1.3VOCs治理技術
美國海灣地區(qū)空氣質量管理區(qū)(BAAQMD)指導文件、加州空氣污染控制協(xié)會(CAPCOA)信息中心、清潔空氣技術中心(CATC)空氣污染技術報告等均提供了典型行業(yè)最佳可行控制技術(BACT)的技術信息，用以協(xié)助企業(yè)達標排放。其中，涂料行業(yè)常用的控制技術主要分為兩類:燃燒技術和吸附技術。燃燒技術主要用于烘干室排放的含VOCs廢氣的治理；吸附技術處理低濃度的噴涂室排放的尾氣。各行業(yè)的表面涂裝VOCs控制技術見表4。
1.3.1燃燒技術
直接燃燒法適用的VOCs污染源廣泛，特別是高濃度低風量地區(qū)的VOCs廢氣。一般直接熱力燃燒器的處理風量在0.24~24m3/s。最適合的進口濃度為1500~3000×10-6(體積分數(shù)，下同)，該濃度范圍可以保持反應器維持在高溫并且不需要添加額外的燃料。換熱燃燒法則適用于0.24~24m3/s的氣流。綜合考慮經濟和技術性，最適用處理的濃度范圍是1500~3000×10-6，一般最高處理濃度必須低于1/4的爆炸極限濃度。直接燃燒和換熱燃燒反應器具有很多相似之處:①正常工作溫度均在590~650℃之間，處理有害污染物時操作溫度可達到980~1200℃；②均不適宜處理含鹵素或含硫廢氣，因為生成的HCl、HF和SO2等強酸性化合物會腐蝕反應器；③一般不需要前處理措施；④處理低濃度高流量的廢氣經濟性較差。
蓄熱燃燒法適用于治理濃度小于1000×10-6、風量大于2.4m3/s的VOCs廢氣。該法的處理風量范圍在2.4~240m3/s之間，適于濃度小于100×10-6的氣體。廢氣進入反應器前需要預先去除顆粒物，工作前采用天然氣燃料預熱氣體使溫度升至760~820℃(最高操作溫度1100℃)。反應器中加入貴金屬催化劑可以降解含氯等鹵族氣體，但廢氣中存在硅、磷、砷等其他重金屬物質會使催化劑中毒。催化燃燒法適宜的廢氣流量在0.33~24m3/s，可以處理濃度低于1×10-6的廢氣。由于使用了催化劑，其反應溫度比熱力燃燒的溫度低，廢氣進入催化劑床層前采用輔助加熱器加熱至320~430℃，催化劑最高設計工作溫度可達540~675℃。
1.3.2吸附技術
吸附技術可將VOCs濃度從400~2000×10-6降低至50×10-6，處理廢氣的濃度范圍在20×10-6到1/4爆炸濃度極限之間，風量大于2.4m3/s。常用的吸附劑有活性炭、有機聚合物、沸石等?；钚蕴康母鼡Q頻率是6個月至5a，雖然活性炭的更換頻率比沸石和有機聚合物高，但價格便宜，因此應用相對廣泛些?；钚蕴康脑偕鷾囟仁?18~318℃，再生后的吸附容量約為初始吸附容量的50%。通?；钚蕴课窖b置后還可以連接燃燒/催化燃燒反應器或者冷凝器進一步降解或回收VOCs。
1.3.3控制技術經濟分析
EPA對典型操作條件下的熱力燃燒、活性炭吸附(采用蒸汽再生活性炭)等控制技術進行了的經濟分析(不包括前處理費用)，如表5所示。
02實施效益與成本評估
美國逐步頒布的涂料行業(yè)VOCs污染的控制法規(guī)，特別是1990年的CAAA，對VOCs污染物的排放提出了極為嚴格的限制要求，其中第183(e)款要求EPA必須以最佳可行控制(BAC)規(guī)范企業(yè)生產行為，即在綜合考慮技術經濟可行性，健康、環(huán)境和能源影響的基礎上，所確定的排放管理控制手段必須采用最有效的設備、措施、工藝、方法、系統(tǒng)或技術，包括化學配方重組、原料或產品替代、重新包裝、使用、消費、存儲或處置等?；谶@些規(guī)定，隨后制定和完善的一系列法規(guī)標準促使工業(yè)界不斷改進工藝和創(chuàng)新涂料配方、升級治理技術，極大地減少了VOCs排放量，使涂料使用過程中揮發(fā)的VOCs總量從1994年的568萬t減少到2006年的389萬t，取得了驕人的成績。以下是部分典型行業(yè)排放標準的VOCs削減效益和成本影響評估。
為達到《國家建筑涂料VOCs排放標準》，通過推行對低VOCs含量涂料提供經濟鼓勵等可促進產品達到BAC的要求。另外產品配方重組被認為是在經濟技術上最可行的策略，包括涂料中VOCs含量的適當調整，樹脂技術的改動。該法規(guī)的實施可減少約103000t/a的VOCs污染物，排放量較1990年降低20.2%?？傮w而言，建筑涂料VOCs排放標準的實施不僅能夠減少VOCs的排放、臭氧生成和有害空氣污染物的排放，同時也會有利于人們健康和環(huán)保。在1990年的工業(yè)調查中有64%的產品符合建筑涂料標準規(guī)定的VOCs含量要求，其余不合格產品調整的花費主要來自新產品的開發(fā)、市場調研測試。據(jù)EPA估計生產商、進口商支付超標費用，產品的使用者更換涂裝設備，產品的記錄、匯報和檢測這3個主要環(huán)節(jié)，共花費2800萬美元。通過成本效益分析，法案實施后每減排1tVOCs消耗250美元，對建筑涂料的市場價和產量影響不會超過0.1%。
在美國的《國家汽車修補涂料VOCs排放標準》中，EPA將生產商和進口經銷商作為最有效的控制對象，依靠現(xiàn)有的國家和地方法規(guī)、涂料產品信息、汽車修補涂料行業(yè)反饋的信息，確定VOCs限值標準的技術和經濟可行性。此外，由于汽車涂料中所含VOCs也屬于有害空氣污染物(HAP)的范疇，因此汽車制造業(yè)也通過采用各種OHAP減排技術的組合降低表面涂裝過程的VOCs排放量，如使用低HAP含量的涂料，提高涂料利用率、控制烘干爐尾氣以及控制溶劑型涂裝生產線自動化噴槍的排氣等。該法規(guī)預期可減少32500t/a的VOCs排放，與1995年相比排放量減少33%。實施成本包括涂料制造工藝改造成本，對涂料生產者、經銷商、個體戶培訓的費用，成本約為450萬美元/a，涂料價格和平均維修費用上漲0.2%。但與其他具有潛在可用性的控制方法相比，可預測的經濟的沖擊很小，也更具經濟優(yōu)勢。
EPA預計，《國家氣溶膠涂料VOCs排放標準》實施后減少VOCs排放量可達15570t/a，在1990年的基礎上減排19.4%。減排量主要集中在氣溶膠噴霧涂料制造業(yè)，對噴霧涂料使用業(yè)、噴霧涂料批發(fā)業(yè)和噴霧涂料進口業(yè)的影響要小得多。原材料價格、技術革新成本、排污記錄保存及上報達標的成本等會有一定程度的提高。
03總結和建議
經過數(shù)十年的努力，美國先后頒布和實施了一系列污染控制法律法規(guī)，推動了各行業(yè)工藝技術的升級，有效減少了VOCs的排放，極大改善了區(qū)域環(huán)境質量。美國在VOCs污染控制法律標準方面積累的先進經驗很值得我們學習。
(1)VOCs排放標準如NESHAPs等均建立在MACT的基礎之上，這不僅保證了主要生產企業(yè)在采用較優(yōu)的VOCs削減措施的前提下達到標準要求，也在一定程度上迫使污染源生產工藝和污染治理技術升級，促進了產業(yè)的良性發(fā)展。我國有必要綜合考慮行業(yè)工藝進步和治理技術發(fā)展狀況，適時修訂和完善法規(guī)體系，在保證法規(guī)順利執(zhí)行的同時，促進產業(yè)技術升級改造。
(2)污染控制對象遵循先從大的污染源抓起，隨時間推移向中小型污染源擴展的的思路，VOCs排放限值及控制技術要求也逐步提高。隨著工業(yè)的發(fā)展，我國新的污染源不斷增加，若維持現(xiàn)有的法規(guī)標準不變，污染將會加重，須盡早修訂完善相關法規(guī)，按照“污染源由大到小、要求由寬到嚴”的原則逐步修改污染排放標準。
(3)為有效保障區(qū)域大氣環(huán)境質量，美國突破各州行政區(qū)劃的限制，先后劃定了AQMD、OTC等多個司法管轄區(qū)，制定專門的VOCs污染物控制目標和措施要求。其跨行政區(qū)域的管控經驗對于我國在“三區(qū)六群”等地區(qū)VOCs污染綜合防治工作具有較高的借鑒意義，特別在在合作理念、組織機構、法規(guī)體系和資源整合等方面。
(4)美國聯(lián)邦政府和各地方政府部門在污染控制上的責任明確、配合良好，也是保障各行業(yè)限制要求和VOCs減量化指標實施成效的主要原因之一。
(5)美國的控制規(guī)定在內容上比較全面，除有技術數(shù)據(jù)，還附加了如何達到這些條款要求的配套技術和導引措施，如CTG、BACT等，保證了執(zhí)行可操作性。我國有必要通過對科技攻關項目的示范工程、行業(yè)內龍頭企業(yè)的工藝技術生產實踐、廢氣治理行業(yè)成熟技術產品等進行評估和篩選，建立基于不同行業(yè)類別的VOCs治理先進技術數(shù)據(jù)庫，用以指導各污染源的治理。
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