应用于汽车涂装前处理工艺中废热回收技术

王定平，刘敦友，张青峰

（1.上海安悦节能技术有限公司，上海 200437；2. 上汽通用五菱汽车股份有限公司青岛分公司，山东 青岛 266000）

应用于汽车涂装前处理工艺中废热回收技术

王定平1，刘敦友2，张青峰1

（1.上海安悦节能技术有限公司，上海 200437；2. 上汽通用五菱汽车股份有限公司青岛分公司，山东 青岛 266000）

汽车制造行业高速发展的同时，也带来了能源的大量消耗及环境的污染，汽车涂装工艺是汽车制造中的能源消耗大户，针对汽车涂装车间前处理工艺中用热特点，利用余热回收再利用及高温热泵技术回收汽车制造厂中排放的余热来替代涂装前处理工艺的蒸汽使用，实现能源的综合利用，降低汽车制造业单位产量的能源消耗和污染排放，实现新型工业化发展的目标。

汽车制造；涂装节能；余热回收利用

CLC NO.: U466 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-119-04

引言

经“十一五”其间汽车行业的飞跃发展，我国已经成为汽车市场的第一大生产国和第一大销售市场。2013年我国汽车产量为2211.68万辆，汽车行业在高速发展的同时，汽车生产过程中的节能减排也面临空前压力。汽车整车制造过程主要由总装、冲压、焊接和涂装四大工艺车间构成，而涂装工艺是汽车制造四大工艺环节中能耗最大的环节，其涂装前处理工艺过程中需要消耗大量的热量，而整车厂中空压机运行、焊接工艺车间有大量的工艺废热需要排放，利用余热回收再利用技术及工业高温热泵系统技术回收焊接、空压机运行中的废热作为涂装前处理工艺的热源，可节约大量蒸汽的使用，对汽车涂装节能具有极大的意义。

1、汽车涂装前处理工艺能耗现状

1.1 汽车涂装前处理工艺

汽车涂装前处理的目的是祛除白车身底层表面的油污、锈蚀等异物，提供适合于涂装的清洁表面，涂装前处理工艺的好坏直接影响涂层使用寿命和汽车的外装饰效果，直接关系到涂装质量的优劣。

汽车前处理一般分为喷淋式、半喷半浸式、全浸式。为了满足汽车车身的高质量要求，一般选择全浸式前处理方法。但一般小工件等由于设备投资少等原因采用喷淋式前处理工艺。其处理工艺流程图如图1、图2。

汽车涂装前处理不管采用何种方式，具体工艺流程根据汽车类型、大小有区别，但基本原理一致，一般为手工清洗→脱脂→水洗(1) →水洗(2) →表调→磷化→水洗(3) →水洗(4) →循环去离子水洗→新鲜去离子水洗→干燥。在脱脂、水洗、特别是磷化过程一般为全浸式清洗方法，在特制的中低温槽液中进行，槽液温度一般根据不同汽车工件，在40℃—60℃之间。

特别是磷化工艺中，磷化槽一般采取槽外加热方式。槽外加热方式如下：

磷化槽与温水之间的循环[1]。首先用蒸汽加热水，热水通过热水板式换热器加热磷化液，一般磷化液进出口温差控制在△T=5℃左右，企业为了减少换热器换热板片上的结垢，温水温度一般比磷化液温度高20℃—30℃，如果磷化液温度控制在40℃，则温水温度则需要60℃上下。如图3 青岛五菱涂装前处理工艺加热原理。

1.2 汽车涂装前处理工艺的能耗分析

汽车涂装过程中的能源动力消耗巨大，根据德国杜尔公司[2]数据，涂装能耗占汽车生产总能耗的70%,零部件及装配之占30%,涂装车间消耗了整个汽车生产80%的热能。其中涂装前处理工艺中热能的消耗占到涂装整个过程热能消耗的30%以上。

笔者在实际考察中发现，大部分汽车涂装车间如上汽临港生产基地涂装车间、通用五菱青岛公司涂装车间、东风汽车商用车车身厂涂装车间（十堰）均采用蒸汽加热槽液的方法，蒸汽一般为饱和低压蒸汽，为电厂蒸汽或外购市政蒸汽，采购价格在180元/吨—280元/吨之间。

以上汽通用五菱青岛分公司涂装车间为例，上汽通用五菱青岛分公司以生产五菱荣光系列车型为主，目前年生产能力超过50万辆。该涂装线每天下线汽车约1800台，其涂装车间前处理工艺原采用低压饱和蒸汽为槽液加热，其槽液温度一般控制在45℃-55℃左右，蒸汽消耗量约2吨—3吨/h左右。该涂装线加热方式如图3。

如上图所示，清洗车身等工艺过程所需要的槽液温度一般在40—60℃之间，该涂装前处理设置了2台板式换热器，低压饱和蒸汽首先与热水进行换热，加热热水至60—65℃左右，再通过热水板换加热槽液，使槽液温度满足相应清洗汽车工件的需求。

如图3所示，电动阀根据如图中位置的温度传感器进行调节控制，当温度达到设计要求时，关小电动阀开度以节约蒸汽消耗。由青岛五菱公司业主提供数据，2013年仅涂装前处理工艺一处，全年消耗蒸汽约15.6万GJ左右，蒸汽费用1400多万元。由此可见涂装前处理工艺中热能消耗量较大。

2、废热回收用于涂装前处理的技术可行性

2.1 汽车制造厂中的废热

由于笔者亲自参与了青岛五菱工厂废热回收用于涂装前处理工艺用热的节能改造项目，仍然以该项目为例。青岛五菱厂的焊接、空压机等全年运行，需要大量的工艺冷却水对其进行冷却，以保证其长期稳定运行。

该厂热源为外购蒸汽，热网蒸汽价格89.3元/GJ， 12月、一月、二月供暖加工艺用蒸汽平均90GJ/小时，4-11月份清洗车身平均需要蒸汽6GJ/h，每天23小时有需求，脱脂需要水温55℃。由此可见，冬季最冷时采暖加涂装前处理工艺约需热能约90GJ/h，4-11月份仅涂装前处理约需6GJ/h的热能。

且本工厂车身焊接冷却水1038m3/h，环境温度为7℃时，供水温度为14℃，回水温度为17℃，有3℃温升，通过冷却塔排放至大气中，其废热资源有13GJ/h排放至大气中。

空压站有710KW空压机两台，1400KW空压机一台，340KW空压机两台，空压机冷却水540m3/h， 环境温度为7℃时，供水温度为16℃，回水温度为21℃，有5℃温升，其废热资源有约10GJ/h排放至大气中。

以上数据显示，一方面建筑采暖和涂装前处理需要大量的热量，一方面生产工艺中产生大量的冷却水，冷却水中蕴含大量的热量需要消耗电能排除，这种情况造成了一边放热，而另一边却需热的不合理的能量利用构架，浪费严重。不但造成能源的浪费而且还对环境造成污染。

2.2 废热回收的技术原理

由上述分析可知，其工艺冷却水中蕴含了大量的低品位热源，一般夏季可达35—40℃，冬季15℃以上，直接作为涂装前处理工艺用热显然不满足要求。可采用工业中高温热泵，利用热泵逆卡诺原理，通过输入少量的电能，制冷剂吸取冷却水中蕴含的大量低品位热量，制冷剂相变在冷凝器中释放冷凝热，获得高品位热源。

该项目利用工业中高温热泵实现把空压机冷却水的热量吸收并提高温度到65℃，用来替代涂装前处理工艺中的蒸汽，从而实现热量的梯级及重复利用。其回收思路如图4

该废热回收运用于汽车涂装前处理工艺的技术难点在于中高温热泵的设计与选择，必须满足工艺冷却水全年水温变化较大的特点以及系统合理的集成与控制。

其一，夏季冷却水温度较高，一般35℃，产量较高时，可达到40℃以上，普通的热泵技术蒸发器进水温度一般不超过20℃，达不到要求，需要进行混水设计；

其二，冬季冷却水温度又较低，一般15℃—20℃，而出水温度仍需要稳定在65℃甚至更高，一般的热泵机组其压缩机压缩比难以满足要求，且难以满足全年变化较大的要求，需要专门为工艺冷却水热回收设计的工业级中高温热泵才能满足其废热资源不稳定的特点。

其三，各个汽车制造厂其废热资源品位、种类均不一样，且涂装前处理工艺的特点及现场分布方式均有区别，其工厂运行时间上的协作等均不同，需要设计人员仔细了解项目实际情况及需求特点等信息，合理设计热回收系统形式、控制方式、设备选型等才能达到节能减排的预期目的。

青岛五菱项目根据项目实际情况，配置了1台工业级中高温热泵，额定制热量2000kW，该热泵负荷调节性能好，蒸发器进水温度范围广其压缩机能提供更高的压力和更大的压缩比，从而使工业热泵中温热泵最高出水温度可达70℃，工业高温热泵最高出水温度可达85℃。如图5。

工业热泵主要运用于化工、冶金、电镀、纺织印染等有废热排放且有热量需求的工业场合。在北方许多工业甚至办公类建筑都有运用。该技术发展成熟，技术可靠，为该项目的热回收提供了技术保障。该机组有以下特点：

（1）经济高效

机组能效比平均4.7以上，即输入1KW的电能得到4.7KW的热能；比原有蒸汽加热可以节约运行费用50%以上!

（2）安全

热泵机组采用两套电子膨胀阀，增加系统的安全性；

（3）可靠

热泵采用两套热泵专用控制器，互为备用提高系统的可靠性；

（4）控制先进

具有GSM无线远程监控功能，可通过手机短信息的方式控制机组启停机，另外在机组系统发生故障报警的同时向业主以及厂家发送一条短信息报警，缩短售后服务响应时间。

该项目节能改造流程简图如图6。

该项目总投资30多万元，于2014年3月开始建设，同年5月底竣工，目前已投入运行半年时间，其节能效果显著，投资回收期约1.5年。

3、废热回收用于涂装前处理的经济可行性

该项目于2014年5月底竣工，截止发稿已运行半年有余。根据业主反馈数据如下。

表1 热泵应用蒸汽耗量数据表

注：上表中10号为未开启热泵热回收系统，仍用原来的蒸汽加热系统制取涂装前处理工艺热水，11号为开启热泵热回收系统，优先使用热回收热量所消耗的蒸汽量。以上数据由青岛五菱业主能源部门提供。

上表中， 6月10日，该热回收系统关闭，开启原蒸汽加热系统，通过原蒸汽系统计量表读出蒸汽消耗量164GJ，成本为14645元；11号开启热回收系统，蒸汽作为补充，蒸汽总耗量为43GJ，用电量为5666KWH，成本为8373元。以上数据均为对外结算流量计显示数据。 运行设备当天节省6272元。则全年约节约蒸汽费用225万元。根据实测，6月份由于用热量较小，压缩机一直一个机头运行，机组并没有满负荷开启，按此推算，全年节约超过300万元。

通过分析，原工艺每天消耗能量折标准煤5.596吨，使用该余热回收系统后，平均每天消耗能量折标准煤2.164吨，节能率61.33%,节约标准煤1235.52吨/年，减排CO22627.58吨/年。节能效果显著。同时热回收用于汽车涂装前处理工艺的节能效果、经济效益和社会效益正让其显示着强大生命力和广阔的市场，势必将带动同行业以及相关地区、相关产品的发展。

下图为采用热泵热回收作为涂装前处理工艺热源后，汽车生产单耗数据对比表。

由上表可知，汽车涂装前处理工艺用热采用热泵废热回收技术后，其单产能耗下降75%,可为整车能耗降低0.069GJ/台。按蒸汽价格89.3元/GJ计算，每台车的生产成本约下降6.16元。且该项目总投资310万元，其项目投资回收期约1年。

表2 2013与2014年6-7月热泵应用项目蒸汽用量对比表单位：GJ

由上表可知，该项目截止发稿运行5个月，与2013年同期相比，每月节约蒸汽量约2500-3000GJ左右，节约运行费用20多万元/月，节能效果十分显著。

4、结论

本文给出了汽车涂装车间涂装前处理工艺运用工厂废热回收替代其蒸气的技术可行性及经济性分析，通过项目实例的运行数据及分析可得出以下结论：

（1）汽车整车厂中涂装前处理工艺所耗热源（大部分为蒸汽）较大，且同一厂内焊接、空压机均有大量的工艺冷却水存在，可通过热泵热回收技术在厂内实现冷、热的回收综合利用，在汽车整车厂均可以采用此方法；

（2）该技术已通过实践验证，其运用的技术均较成熟的技术、设备，具有技术可行性，且运用该技术后，其涂装前处理工艺中的单台汽车能耗可下降50%—75%,项目实际案例中涂装工艺单台汽车能耗降低0.069GJ/台，节能潜力巨大，一般投资回收期在1-2年，极具推广价值；

（3）汽车整车厂涂装车间涂装工艺虽随着车型不同、大小不同而有差别，但其基本原理相似，该技术可在汽车行业大量推广使用，对汽车行业节能具有很大意义。

[1] 洪光日 涂装前处理工艺设备[J]. 汽车工艺与材料.

[2] 王锡春 汽车涂装节能的新工艺技术[J]. 现代涂装.2012年4月第15卷第四期.

[3] 田文彪、魏明、尹娟、宋衍国 汽车制造企业能耗分析及节能新技术[J]. 节能.2007年第11期.

[4] 章熙民 任泽霈编著 传热学 中国建筑工业出版社.

Analysis by using waste heat recovery in the process ofAutomobile coating pretreatment

Wang Dingping1, Liu Dunyou2, Zhang Qingfeng1
（1. Shanghai AnYo Energy Efficiency Technology Co., Ltd., Shanghai 200437; 2. SAIC GM Wuling Automobile Co., Ltd., Shandong Qingdao 266000）

The rapid development of automobile manufacturing industry at the same time, it also brings a lot of energy consumption and environmental pollution, automobile coating process is the major energy consumption in the automobile manufacturing, according to the characteristics of process in dealing with hot automotive paint shop front, waste heat recovery vehicle emissions in manufacturing plant to replace the steam pretreatment coating use, comprehensive utilization implementation of energy, reducing energy consumption per unit of production, automobile manufacturing industry and pollution emissions, to achieve the goal of development of new industrialization.

Automobile manufacturing; The energy saving of Coating; The recovery and utilization of waste heat

U466

A

1671-7988(2015)02-119-04

王定平，就职于上海安悦节能技术有限公司。