浅谈燃气辐射加热技术在海洋工程装备建造行业的应用

张亚西，刘 上

(海油工程运营中心，天津 300452)

为落实中央和国家节能减排战略决策，工信部、科技部、财政部等三部委遴选确定了国家第一批节能减排先进适用技术，其中“船舶及海工涂装车间燃气辐射加热技术”确定为我国船舶海工涂装生产工艺中一项国家推广的先进适用技术[1]。该技术于2010年由中船重工集团研发成功，被国家知识产权局授予实用新型专利，并已应用于青岛北海船舶重工公司等单位。根据实践单位的测量数据，与传统热风对流加热方式相比，该技术具有快速升温缩短余热时间等技术优点，可提升涂装生产效率40%～60%，实现节能率约50%。该项技术节能减排、涂装效率提升和节约成本效果明显[2-3]。

从节能减排、绿色发展的理念出发，结合海洋工程装备建造涂装工艺的特点和要求，经过对该项技术的安全性、可靠性、对人体健康的影响、对涂装质量影响等方面进行论证，结合该技术实际应用的案例，认为该技术可以应用于海洋工程装备工件涂装加热环节。

1 海工装备建造涂装工艺特殊性

海工涂装车间内的涂装生产工艺加热，不同于一般机电生产车间的生产采暖，其特殊性体现在三个方面：1.加热能力，须把体积45 m×40 m×8 m(长×宽×高)、质量480 t、冬季温度-20 ℃的冷钢铁海工工件加热到+20 ℃左右，以达到高效优质的涂装工艺要求；2.加热方式，须符合国家防火消防安全标准要求并获得书面批准；3.加热效率，须在涂装车间4～12次/h通风换气的条件下保持高效节能。

任何传统的热风对流加热方式以及一般的燃气辐射加热装置，都不能同时满足上述三个条件。目前，国家工信部等三部委及国家消防安全标准部门确认批准的、能够同时满足海工涂装车间生产工艺加热上述三个特殊性条件的，只有涂装车间燃气辐射加热技术。

2 燃气辐射加热技术

2.1 燃气辐射加热技术原理

自然界热传递的方式只有三种，热传导、热对流、热辐射。涂装车间燃气辐射加热技术原理是热辐射理论。辐射是物质保持其原有化学性质基础上而发生电磁能量释放，热辐射是宇宙热能量传播的基本方式。热辐射不是放射，对人体是安全的。电磁波的波长范围，从几纳米到几千米，包括：宇宙射线、X 射线、紫外线(波长小于紫光波长0.38 μm以下)、可见光(0.38～0.76 μm)、红外线(波长大于红光波长0.76～1 000 μm以上)，以及微波、无线电波(雷达波、视频波、广播波)。人类利用不同波长的电磁波效应，实现不同的服务目的，如图1所示。

图1 燃气辐射加热技术热辐射波段示意图

燃气辐射加热系统是一种低强度电磁波(波长1～20 μm)辐射加热系统，将燃气内含热能，通过热能发生、辐射、反射装置，转换为辐射热能；通过热辐射直接对分段加热，使分段首先接收热能之后，通过热传导使分段温度达到均衡，有效满足分段涂装工艺的温度要求；并因其与环境温度的差异，释放储热量，通过热对流，使整个涂装车间环境温度加热。其特点是快速升温、均衡加热、缩短干燥固化时间、提高涂装生产效率。可实现节能、减排目的，显著提高涂装生产效率。加热升温时间为0.5 h。

燃气辐射加热技术把一次能源(天然气、液化气等)转换辐射热能，而且只产生波长为2～20 μm的热射线(即一种特定波长的电磁波)。这一段波长的热射线，既能有效地提供热辐射能，又避免了产生可见光的能源浪费及紫外线伤害，又避免了0.76～2 μm波段高温引起火灾及爆炸的危险性。同时，辐射热发射源(即辐射管集成)温度≤400 ℃，物理表观是辐射管“不发红”，物理接触温度尚不至于“引燃”油漆，消除了安全隐患。

2.2 燃气辐射加热技术与传统热风加热方式对比

燃气辐射加热技术加热原理，决定了其应用对于海工涂装加热工艺的技术特性，与传统热风加热方式相比，对涂装工艺具有其独特的技术优点。

(1)热量损失少，升温快。传统热风加热需要7个环节，才能让工件受热，而辐射加热只需要两个环节，减少传递环节热能损耗，提高加热升温速度。

(2)消除涂装生产微尘污染隐患。燃气辐射加热技术传热方式是辐射，避免了传统的热风加热而导致的微尘吹拂，从而从加热工艺的技术上，根本性地避免了海工涂装加热可能造成的微尘污染。

(3)避免涂装橘皮现象。传统热风加热为了提高温度须加大风流，有时则可能导致海工工件漆面被热气流造成吹纹起皱，甚至橘皮。燃气辐射加热技术的辐射加热可避免这种质量隐患。

(4)提高涂装润泽感观。对比热风吹干的漆膜表面， 燃气辐射加热技术加热传热过程中不会产生气流，可以使海工工件涂装表面更加明亮、润泽，提高涂装表面品质感观。

(5)加热效率高。由于热空气向上漂、冷空气向下沉，传统的热风对流加热方式，热能集中在屋顶，车间下部涂装作业的工件缺少热量输入，且传热速率低，影响生产效率。燃气辐射加热技术的辐射热能不加热空气，直接把热能传递给工件及地面，当工件和地面受热后温度升至高于环境温度的情况下，再向环境空气中散发热量，整个涂装车间可形成一个上下基本均衡的温度体系，加热效率大幅度提升。

2.3 燃气辐射加热技术流程

涂装车间燃气辐射加热技术的范围包括天津海工基地4个涂装车间加热、涂漆、指干和室内固化生产过程中的加热工艺。

涂装车间燃气辐射加热技术加热系统运行流程如图2所示。

图2 系统加热运行流程

3 燃气辐射加热技术实践案例分析

3.1 青岛北海船厂涂装车间燃气辐射加热系统

青岛北海船厂是燃气辐射加热技术的研发单位之一，于2008年起应用燃气辐射加热技术起先后新建、改造了工厂全部14个船舶涂装车间。经过十多年的平稳运行，证明燃气辐射加热技术是安全、可靠的，对人体健康和涂装质量是没有负面影响的，其节能减排效果是显著的(节能率达63.7%)。

3.2 天津海洋工程装备制造基地项目

在建的天津海工基地采用了燃气辐射加热技术，考虑到实际工艺要求，其采用了“燃气辐射加热系统+燃气热风加热系统”方式，预计其节能减排效果和经济效益明显。

1)节能减排效果分析

天津海工基地共计4间喷漆间，尺寸分别为46 m×48 m二间，净空高度13.0 m；39 m×48 m二间，净空高度10.0 m。假设室外温度-9 ℃，涂装需要温度约20 ℃，冬季按120天计算。

(1)“燃气辐射加热系统+燃气热风加热系统”方案，计算考虑分段加热0.5 h(燃气辐射加热系统)，喷漆4 h(燃气热风加热系统)，固化11 h(燃气辐射加热系统)。经计算，0.5 h加热(燃气辐射加热系统)燃气耗量约为355 m3，4 h喷漆作业(燃气热风加热系统)燃气耗量约为1 657 m3，11 h固化作业(燃气辐射加热系统)燃气耗量约为1 420 m3，总计每天燃气耗量约为3 432 m3，则年耗量约3 432×120=411 840 m3。

(2)只采用燃气热风加热方案，计算考虑分段加热2 h，喷漆、固化14 h。经计算，2 h加热燃气耗量约为1 396 m3，14 h喷漆、固化燃气耗量约为5 863 m3,总计每天燃气耗量约为7 259 m3，则年耗量约7 259×120=871 080 m3。

综上所述：相比传统热风对流加热方案，“燃气辐射加热系统+燃气热风加热系统”方案，理论上比采用燃气热风加热方案年节省燃气871 080-411 840=459 240 m3，节能率为53%，减排CO21 450 t。

2)经济效益分析

按照上述节能预测，按天津工业天然气3.25元/m3计算，可节约企业生产成本149.3万元/年。“燃气辐射加热系统+燃气热风加热系统”方案中燃气辐射加热系统投资为950万。经计算，则燃气辐射加热系统投资回收期约为6.4年。

4 结 论

绿色发展是国家“十三五”五大发展理念之一，节能增效是企业降低成本、提高核心竞争力的有效手段。天津海工基地采用国家遴选推广的涂装车间燃气辐射加热技术，即可以为企业节约生产成本，又可以取得明显的减排效果，降低和控制空气污染。天津海工基地应用该技术具有显著的企业效益和的社会效益。