涂装车间热水改造的经济性与节能性分析

全柏铭 刘聪 张亚南

中国汽车工业工程有限公司

能源与环境已成为中国经济可持续发展的主要矛盾点，节能减排，发展绿色、低碳、可持续能源势在必行。2007 年中国已被列为全世界最大的碳排放国家 [1]，2009 年哥本哈根气候变化大会前夕，中国明确的提出了量化指标：到 2020 年，中国单位内国民生产总值CO2的排放比2005 年下降40%～45%。而在整车生产环节，涂装车间能耗约占整厂能耗 70%以上，其所产生的废气、废水也是环保考虑的重点问题[2]。涂装生产工艺中前处理电泳、喷漆等环节需要消耗大量热水，用于前处理升温和空调加热调湿。而烘干环节则消耗大量天然气，用于烘干炉加热并产生大量的高温废气。如果将前处理及空调的用热与烘干废气的余热合理的规划，会产生一定节能减排及环保效益。

1 问题的提出

某汽车厂涂装车间烘干废气采用热回收式热力焚烧系统（TNV），烘干炉在涂装工件烘烤过程中不断产生的含有VOC 的废气，通过废气引风机引入焚烧炉，废气直接与火焰接触，在750 ℃高温下燃烧分解为二氧化碳和水，同时将焚烧废气产生的高温烟气作为烘干炉的加热热源送到烘干炉的各个换热单元供热，经过各区换热后的烟气余热再经过新鲜风换热器换热，最终排除车间外。经TNV 焚烧后的高温废气采用汽水换热装置回收高温废气热量，喷漆等组合式空调回水经过余热回收装置充分换热后，升温后的热水回水与前处理热水回水混合，最终流回锅炉，再由锅炉升温为前处理及空调提供相应的热水，整个车间的热水循环系统如图1 所示，其中余热回收装置总的热水流量设计值为120 m3/ h。

图1 热水系统流程图

安装完成后，试生产过程中发现，废气风管的旁通阀一直处于常开状态，高温废气没有进入余热回收装置，并且该装置热水管理的电动二通阀一直处于最大开度。于是，现场对关键装置的热水流量在日常生产的状态下，进行了 35 天左右的测试跟踪，具体数据如图2 所示，从实际运行的数据中不难发现，空调机组总的实测流量在 10～20 m3/ h 左右，前处理工艺中磷化用热稳定，稳定运行过程中流量基本在 120 m3/ h 左右。这种实际偏差，带来了两个问题：1）即使全部进入余热回收装置也不能满足设计要求，导致汽水换热余热回收装置无法正常使用，废气排放温度过高，不能满足环保要求，废热无法得到有效利用。2）低热水流量状态下余热回收装置的安全性很差，如果废气风管上的风阀损坏或动作不正确时会导致余热回收的热水干烧，容易发生爆炸。因此，整个热水系统亟需进行改造，以提高系统的安全可靠性，满足环保要求。

图2 实际运行的热水流量

2 改造方案

经过分析，其中的直接原因就是进入余热回收装置的热水回水流量不足，根本的设计原因可能有以下几点：

1）工艺按最大生产节拍提供输入资料，实际运行过程中最大生产节拍状态下较少，间断运行，导致空调回风中湿度远低于设计值，空调调整湿度所需的热量远低于资料中要求的热量。

2）实际控制采用末端（即喷漆线上）温湿度控制方式，从空调出风口到末端管道较长，设计过程中考虑的温升不够充分，温升在在此处相当于空气再热，调整空气的相对湿度，可以大大降低热水用量。

3）由于室外气温的温湿度也经常处于非设计工况，导致空调运行过程中所需的热量也存在很大差距。为了彻底解决环境保护排放问题，提高能源的利用率以及系统的安全性，在利用已有管道系统的基础上进行系统的改造，提高余热回收装置的热水流量，将前处理磷化工位稳定的热水回水引入余热回收装置，更改日常运行策略。具体措施有：1）在前处理线上增加管路及阀门DEF，使磷化工位热水换热器回水不直接返回锅炉，而是进入余热回收装置。2）由于空调热水管路较小，不能将全部磷化热水回水引入空调机组，因此给空调机组增加旁通管，并增加阀门 C 和阀门G。3）正常运行时，阀门 A 和阀门D 常闭，其余阀门常开，即由磷化工位放热后的水和锅炉供水混合为空调机组和余热回收装置供水，改造后的热水流程图如图 3 所示。改造过程中的难点在于，车间择机停产7 天，管道施工空间狭小，两处改动均为室体上方高空（10 m 以上）吊装及焊接作业，采取挂吊篮，设防护网及提前测量预制，现场仅进行吊装、焊接等方式进行改造，改造作业点的具体位置如图4 所示。最终该项改造工作实际发生费用为 69935 元，其中包含人工，材料，安全防护，措施费，管理费及税金等费用。

图3 改造后的热水系统图

图4 改造工作作业点

3 经济性与节能性分析

改造后的实际运行过程中，分别测量电泳烘干、胶烘干和面漆烘干余热回收装置的热水进出口温度及流量，通过Q=cρV△t/3600（其中，Q为回收热量，kW；c为水的比热，4.2 kJ/(kg·℃)；ρ为水的密度，1000 kg/m3；V为热水流量，m3/ h；△t为余热回收进回水温差，℃ ）计算回收的热量，并记录余热回收装置废气的进出口温度，具体数据见图5。

图5 改造后余热回收装置的运行情况

通过图5 可以看出：

1）改造后电泳烘干的废气温度由进口的平均温度308 ℃降低到出口平均温度130 ℃左右，胶烘干废气温度由进口的平均温度170 ℃降低到出口平均温度140 ℃左右，面漆烘干废气温度由进口的平均温度345 ℃降低到出口平均温度 150 ℃，排放废气温度大大降低，达到废气经过余热回收装置的理论排气温度160 ℃，满足使用及环保要求。

2）改造后，电泳烘干，胶烘干及面漆烘干平均回收的热量分别为564.4 kW，252.3 kW 和527.1 kW，总计约1343.7 kW，相当于同时间前处理正常生产时（非升温阶段）的全部用热，实际运行中锅炉的台数及使用时间均有减少，节能效果显著。

3）以当地天然气热值 8600 Kcal/m3，实际价格 2.4元/m3，工厂全年生产 292 天（占 80%），每天生产 8 小时为依据，通过M=3600×Q×D×h×a/G/4.18（其中，M为年运行费用，元；Q为回收热量，kW；D为全年运行天数，天 ；h为每天运行时间，h；a为天然气单价，元 /m3；G为天然气热值，8600 kcal/m3），每年大概节约 754422元，改造费用当年即可回收，日常运行经济性显著。

4 结论

从整体考虑车间的用热情况，充分利用烘干废气余热，提高热水系统锅炉的回水温度，可以节约能耗，降低废气温度，经济性好。合理的系统设计是本质与关键，设计不仅考虑最不利状态下的运行情况，更应该考虑在日常工况下的运行与控制。后续设计该类项目，应该注意保证余热回收装置的水流量，将热水消耗量大的前处理热水回水或整个车间的热水回水供应余热回收装置，可以充分发挥余热回收装置的节能减排及环境保护的作用。