新形势下轮胎工厂提高能效技术的新思考

陈元荣

( 北京 海淀 100147)

1 新形势新要求

近年来，由于过度能源消耗，CO2排放，造成全球气候变暖，已越来越引起各国领导人和关注环境变化的人士重视。我国政府以建立人类命运共同体、营造人类美好家园为崇高目标，提出“ 绿水青山即是金山银山”的理念，不断推出各种举措，以降低CO2排放，保护生存环境。为制止低水平重复建设，国家制订实施了《轮胎行业准入条件》《轮胎工厂单位产品综合能耗限额（GB29449—2012）》等；为防止企业对能源的无序使用和浪费，国家及地方政府对重点用能企业实施能源使用效能和节能工作监察。企业为降低成本，提高效益，也不断对设备和生产工艺进行改进，以降低能源消耗。这一系列的举措，促进了节能工作的开展，提升了能源使用效率，降低了CO2排放，改善了大气环境。

进入21 世纪，面对国际国内的新形势，我国政府从建立人类命运共同体，形成人和自然和谐发展的现代化新格局的高度，多次向国际社会发出倡议并首先承诺中国将提高自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，力争到2030 年前CO2排放达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和。

为响应和落实党中央、国务院加强生态文明建设、推动高质量发展的号召，国家发改委印发了《完善能源消费强度和总量双控制度方案》（发改环资〔2021〕1310 号，以下简称《方案》），明确了新时期做好能耗双控工作的总体要求、主要目标、工作任务和保障措施，及时回应社会关切，将对碳达峰、碳中和目标实现发挥重要支撑作用。

国家标准委也于近日委托中橡协对轮胎和炭黑行业进行能源消耗的调研，并在此基础上，将组织对《轮胎工厂单位产品综合能耗限额（GB29449—2012）》进行修订，进一步压缩能源消耗控制标准。

面对新的形势和要求，各轮胎企业加快步伐，全面进行改造创新。

一是在生产技术和工艺方面。2020 年11 月米其林宣布减排与碳中和生产实施的计划，并研发出世界第一个碳中和轮胎— 米其林e.Primacy。德国马牌将碳减排范围拓展到全产业链，在原材料采购环节，确保来源可追溯，真正实现绿色采购，且多年致力于蒲公英轮胎的研发投入，以期实现从蒲公英根部提取原料取代橡胶原料。国内轮胎企业也相继有了作为，例如青岛森麒麟碳中和轮胎主要体现在超低滚阻、高抗实话、静音为核心的技术；中策橡胶通过生产工艺和技术装备打造“ 低碳经济、绿色智造” 的智能工厂；玲珑轮胎从多年前就开始研究“ 蒲公英” 技术，以期待有所突破；赛轮轮胎“ 液体黄金” 技术提高轮胎性能的同时可以减少粉末污染。

二是在节能降耗方面。本文的主要内容即是围绕这个话题，开展讨论。新的形势也给轮胎企业节能降耗，进一步提升能效水平提出了更高的要求，直接关系到轮胎企业的生存和发展，其目的就是倒逼轮胎企创新思维，开拓思路，打破传统习惯和模式，加大节能降耗措施的研发和应用投入力度，深挖节能潜力，使节能降耗取到突破，这样才能实现真正意义上的绿色制造。

2 新思路新突破

本文是作者结合多年来轮胎企业的工作经历，在学习和借鉴其他行业的先进经验的基础上，提出的一些建议，仅供参考。其中的一些想法已在个别企业试用，还有一些想法也可能与现有标准存在不一致，仅供大家讨论思考。

2.1 工厂布局

传统的工厂布局中，为安全考虑，将变电所、锅炉房等布置在工厂边缘，远离居民区及生产区；现代条件下，变电设备及设施，锅炉结构及质量和控制技术已达到很高水平，变电站已实现无人值守，危及人身安全、影响居民正常生活的情况已基本可以避免。因此，现代工厂设计时，应尽量将锅炉房、变电所选址建设在距离热源用户或较大电力负荷的车间附近，尽可能的缩短输送距离，降低输送过程中产生的温降、压降等能源损失。

2.2 在两大用能工序（炼胶、硫化）采用新工艺、新技术

2.2.1 炼胶工序

炼胶工序是轮胎生产能源消耗最大的工序，其能耗约占轮胎生产总能耗的40%。因此炼胶设备的节能降耗很重要。

针对炼胶工艺，推广使用低温连续混炼技术、湿法混炼技术或串联混炼技术。低温连续混炼可大幅提高生产效率，由一条生产线取代密炼机以及上下辅机，简化设备结构，降低能耗，提高混炼胶质量和稳定性，容易实现绿色操作等。据有关资料，某公司的CCC 低温连续混炼技术，较传统分批混炼方式能降低能耗50%，降低成本62%，十分可观。湿法混炼实现了连续混炼过程，简化了混炼程序，减少了混炼设备、能源和劳动力的投入，一次大大降低了混炼成本，减少设备投入达50% 以上，由于主要填料如炭黑、白炭黑是在液态下与胶乳混合进行，湿法炼胶与传统炼胶相比节能效果显著。根据中橡协材料研究中心对不同企业提供的湿法胶产品采用1.0 L 小密炼机混炼的能耗检测，湿法与干法相比能耗平均下降30% 左右。串联混炼技术以复合作用方式取代传统密炼机单一作用方式炼胶，上位机升温混炼与下位机恒温硅烷化反应的独特工艺，可实现一次终炼和母炼，减少混炼段数，从而减少场地占用，取消胶料中间停放和反复加热炼胶的环节以提高炼胶效率，在提升胶料质量的同时可有效减少吨胶能耗，降低生产成本效果显著。某大型橡机公司研制的串联密炼机组与传统炼胶工艺相比，单条生产线可提高产能30% 以上，吨胶能耗降低约30% 左右。

针对炼胶设备，密炼机采用高压永磁同步电机驱动技术。其相对于现在普遍使用的高压变频交流异步电机和高压直流调速电机具有如下优点：

（1）转子轴转速与电机磁场转速一样。如6 极就是1 000 r/min，而异步电动机轴转速约为975 或980转（所以叫异步）。

（2）在额定负荷下，比异步电机效率高4%~5%，比直流电机高10% 左右。轻载/ 空载或过载情况下永磁电机的效率下降很少。空载异步效率只有70% 或更低，而同步空载的效率还会达90%。

（3）永磁同步电机闭环控制状态下在密炼机上的机械特性可以与直流电机相媲美，甚至还更好；弥补了普通异步电机在低转速段转矩输出不够的弱点（如无法带料启动、硬料低速过载等）。

（4）永磁同步电机自身的功率因数可接近于“1”。

（5）永磁同步电机的空载电流与额定电流均远远低于异步电机，例：1 500 kW，10 kV ：异步电机额定电流115 A ；空载电流23.5 A。永磁同步电机额定电流93 A ；空载电流＜2 A

（6）永磁同步电机的额定电流小、效率高；体积普遍小于普通异步电机和直流电机，为密炼机直流驱动系统改造提供了便利（因为同功率的普通异步电机尺寸比直流电机大，不方便改造）。

（7）永磁同步电机维护与异步电机一样，正常使用无需额外进行维护保养。

目前已在国内多家轮胎企业使用，效果明显。

2.2.2 硫化工序

2.2.2.1 高温氮气硫化工艺替代传统热水硫化工艺

高温氮气硫化在乘用胎以及橡胶薄制品的生产中已得到广泛的应用。近年来随着我国大型制氮技术和设备的成熟以及轮胎生产技术和工艺的不断创新，国内一些工厂已将高温氮气硫化工艺推广应用于全钢载重轮胎生产的硫化环节，以替代传统的热水硫化工艺。高温氮气硫化因胶囊中的温度高，硫化速度快，可提高硫化生产效率。据对国内两家轮胎工厂全钢硫化工段的简单对比，高温氮气硫化较传统热水硫化效率提升约12%，吨产品综合能耗降低约16%。高温氮气硫化系统和设备较传统热水硫化还具有系统相对简单、运行稳定、无腐蚀结垢、维修工作量小、易实现自动控制等优点，应该大力推广。

制取氮气方式建议优先考虑以下两种：1~800 m³/h可采用碳分子筛变压吸附法；1 000~2 500 m³/h 可采用深冷精馏空分法。该设备和技术国内已完全可以自行设计生产。

2.2.2.2 高压氮气与电加热硫化方式相结合

该工艺是在轮胎硫化胶囊生产过程中，根据硫化工艺将一定数量的电加热管预埋在硫化胶囊的囊壁上，并引出导线与外部电源和温控装置连接。轮胎硫化过程中，胶囊内部充高压氮气并保持压力，生产工或工艺员可根据硫化工艺设置和调节胶囊温度以及时间。硫化模具及模套的温度实现相对容易，其原理可以借鉴电热式平板硫化机的方式，即在模套中安装一定数量的电加热管，并引出导线与外部电源和温控装置连接即可，结构相对简单。因电加热管属易损件，所以在设计和生产时，需注意维修更换方便。

2.2.2.3 0 bar 排热水热能再利用技术

如一时难以进行改造，需继续使用传统热水硫化工艺时，应尽量将低品位热能加以充分利用。5 bar 程序结束转入0 bar 程序进行时，硫化设备和管道中仍存有大量的温度达140~170 ℃的热水。传统的方式是直接排入0 bar 罐，压力由0.5 MPa 降低至常压，温度降至＜100 ℃，同时产生大量的闪蒸汽排空后作为高温循环水系统的补充水。实际使用中，这部分热水往往因多余溢流排掉，其主要原因是蒸汽在与高温循环水进行热交换的同时，释放潜热而凝结为液态进入热水系统形成补充水。这种方式不仅浪费了大量的热能，同时由于闪蒸外派，也造成热水的浪费。现代技术的发展，使这部分低品位热能得到了利用。改进建议：冬季可将这些热水通过热水泵压送到工厂的采暖系统直接进行采暖或作为热水采暖系统的补充水；夏季可输送给热水型溴化锂制冷机使用。

2.2.2.4 抽真空系统优化

降低进入真空泵前的气体温度。热水硫化的最后一道程序是在0 bar 程序完成以后将胶囊内部的热水抽出并形成负压，使胶囊变形收缩。很多工厂，因设计安装问题等，在实际使用中，当0 bar 过程结束转入抽真空程序时，胶囊内部的热水压力仍有0.2~0.3 MPa, 这部分热水在转入真空系统后大部分迅速变成闪蒸汽，而另一部分进入真空回收罐后，再次扩容形成闪蒸，体积膨胀，从而严重影响真空泵的效率和抽真空效果。为改善抽真空效果，最好的办法是降低闪蒸汽的体积。某公司根据伯努利气体状态定律，在真空泵与真空罐之间加装了一台换热器，利用常温水将进入真空泵前的闪蒸汽温度从90 ℃降低到40 ℃左右。这就相当于真空泵效率提升了一倍。

全自动涡喷倍增式真空设备。该设备是依据文丘里管喷射抽真空原理，利用工厂内的设备冷却水回水压力喷射抽取真空。该设备可安装在有循环冷却水使用的车间或泵房，如压出压延车间、空压站或水泵房的冷却塔旁空地，循环冷却水经过本设备后进入回水箱（池），利用冷却水压力0.03 MPa，流量350 m³/h左右完成做功。真空罐和汽水分离器安装在动力站内空置位置，与原有水环真空泵系统真空接口并联，停产时可使用旁路阀。不停产时可全自动使用涡喷倍增式真空设备系统。可通过PLC 远程操作阀门实现与原有水环真空泵系统的切换。

2.2.2.5 硫化蒸汽凝结水回收系统

目前轮胎企业硫化用蒸汽凝结水普遍采用疏水阀或切断阀定时排凝的方式，这种方式普遍存在以下问题：阀门动作频繁（一年动作次数约200 万次），容易造成密封面磨损、动作不正常；疏水阀过滤网堵塞，操作工为保证硫化温度而打开旁通管路等失效情况，造成大量新蒸汽泄漏浪费。近年来，有关单位和技术人员开展了大量的研究和探索，围绕如何减排和余热蒸汽的再利用提出了多种方案：归纳起来主要有以下三种：一是拆除各机台独立布置的疏水阀，在每一排硫化机支管的末端集中并联布置多路疏水阀，增加疏水阀的数量并加大疏水阀口径。以此解决各机台疏水阀由于口径小，易堵塞；独立安装的疏水阀一旦出现故障就不得不打开旁通维持生产的问题。二是近年来开发使用的新型硫化机集成式热工阀组。集成式热工阀组改变传统单一管道单一阀门设计思路, 所有阀门并列安装在模块上, 利用模块内部流道构造来替代复杂的单根管路结构, 节省管路分布空间; 同时消除管道因冲击, 电焊腐蚀等造成泄漏，减少了蒸汽损耗。整套阀组全部采用不锈钢材质，所有管路分布体现出较高的集成度。疏水阀排出的汽水混合物接入凝水回收装置。汽水分离后，凝结水通过热水循环泵送回锅炉给水系统再利用。其部分闪蒸汽可使用锅炉用软化水在间接换热设备进行热交换，吸收其潜热而利用，另一部分可用于冬季工厂非生产岗位采暖或夏季用于低压单效溴化锂吸收式制冷机的热源。三是由桂林橡胶院等单位开发的无动力闭式集中疏水系统或称为高效蒸汽供热系统，其节能率更高、是一套不使用疏水阀的供热系统技术（该院有相关资料，在此不详细介绍）。其蒸汽潜热利用率（除表面散热外）接近百分之百；凝结水回收率（除接口、破口等泄漏外）为百分之百，且自动返回热源勿需外施动力；凝结水显热回收率近百分之百（可调）。另外该装置没有动力机械、易损件和对大气的动密封组件，因此，可靠性很高，免维修周期很长。

也有企业对系统局部进行一些改动，取得一定的效果，但其基本原理与上述类似，因此不一一列举。

综合对以上几种方案进行比较，第一种方案结构简单，投资额小，维护难度低，适用于中小企业因地制宜进行改造。第二、三种方案技术含量高，节能效果更好，投资额较大，运行稳定，但维修费用高，维修难度大，因此适用于大型轮胎企业。

2.2.3 空压机进风系统改造

空压机的工作效率除了与设备自身的结构、质量以及运行维护水平有关外，还有一个很关键的因素就是进气温度。通常情况下，空压机的进风口未做任何处理，靠自然吸入周围环境温度下的大气，经压缩、冷却、干燥、除油除水后送至工厂各工序使用。空压机的运行效率以及压缩空气的品质受环境影响很大，特别是夏季，由于环境温度高，空气湿度大，空压机的运行效率和压缩空气质量受到很大影响。据测算，环境温度每升高1 ℃，在相同的使用条件下，空压机的运行效率约降低3% 左右。如何在环境发生变化时，保持空压机稳定高效运行，重点就是如何保持空压机进风口的进气质量。某公司结合现场情况，采取在空压机进风口加装三通，将部分空压机的吸风从成型工区接入的办法，改善了进气质量，同时也大大提高了空压机运行效率。空压机吸入成型工区约22 ℃、湿度低于40% 的空气，不仅保证了空压机的稳定高效运行，同时也促进了成型工区空气的流通和循环。

2.2.4 制冷站低温冷却水系统改造

一般轮胎企业的制冷站都会安装布置多台制冷机，以满足密炼机、压出压延机组设备冷却水和成型工区空调机组甚至办公生活的不同需要。运行方式通常为多台制冷机并联运行，制冷机出口温度调节至接近制冷机组允许的最低出口温度。成型工区空调机组的用水由制冷机直接供给，密炼机和压出压延机组设备用冷却水则通过板式换热器将低温冷却水与冷冻水进行冷热交换后供应。

存在问题：为满足成型工区温度要求，被迫将制冷机运行状态全部调至临界值，影响运行安全，而密炼机和压出压延机组设备冷却水又不能过低，板式换热器热交换效率低（72%~85%），因此经济性差，能源浪费。

改造建议：

（1）分别测算空调机组用冷负荷和密炼机组、压出压延机组用冷负荷，按照其负荷大小，结合制冷机的制冷量调整制冷机组的“ 分工”。即区分出空调用专用机组和密炼、压出压延用专用机组。在此基础上，根据现场情况留出2~3 台做共用机组并对这2~3 台制冷机组的冷冻水进出口管路进行“ 两用” 改造。改造后将密炼、压出压延设备用冷冻水和成型工区空调用冷冻水分列，其运行方式为：密炼、压出压延设备用冷冻水与成型工区空调用冷冻水分机台、分管路各自专供。这样即可将供密炼、压出压延设备的冷冻水可提高到18~20 ℃，供成型工区空调使用的温度可调节到7.5~9 ℃。

（2）密炼、压出压延设备的低温冷却水不再通过板式换热器进行交换，省去了由于交换效率带来的冷损失。夏季，由制冷机出口的冷冻水作为低温冷却水直接供密炼、压出压延设备使用，使用后的低温冷却水直接回到制冷机，经制冷机降温后再送到密炼和压出压延设备，如此循环；冬季，则改由冷却水泵直接供应，回水经冷却塔冷却后进入回水池，再由冷却水泵抽出供密炼、压出压延设备，如此循环。改造后，因密炼、压出压延设备用冷却水不需要过低温度，因此大大降低了制冷机的负荷，改善了制冷机的运行工况。同时因取消了一级换热器，避免了效率损失。两台以上制冷机同时运行时，可以根据用户的负荷变化和不同需求，“ 共用” 机可以在两种温度工况下切换运行，随意组合，平衡负荷。另外相应减少了大功率冷却水泵的开动台数，节电效果显著。

2.2.5 雨水和污水资源化利用

主要目标是将工厂生产生活污水和雨水收集，经处理后作为工业循环水补充水、绿化和洁厕使用。目前各轮胎厂普遍比较重视污水的处理和再利用，因工厂条件限制，多数工厂未建设雨水的收集和处理系统。污水的处理和再利用多停留在绿化和洁厕，大多数被排入市政管网，造成很大浪费。近年来，我国水处理技术快速发展，污水和雨水处理再利用工艺也已非常成熟，在大型和现代企业达到了广泛稳定的应用，取得了显著的经济效益和社会效益。

污水的处理工艺可以概括为物理法、化学法、物理化学法和生物法等几种。如何选取并进行设计主要从以下几方面考虑：

（1）污水处理工艺应根据处理规模、受纳水体的水质特性、环境功能及工厂的实际需要，经全面技术经济比较后优选确定。

（2）工艺选择的主要技术经济指标包括: 处理单位水量投资、削减单位污染物投资、处理单位水量电耗和成本、削减单位污染物电耗和成本、占地面积、运行性能可靠性、管理维护难易程度、总体环境效益等。

（3）应切合实际地确定污水进水水质，优化工艺设计参数。必要时要对污水的现状水质特性、污染物构成进行详细调查或测定，作出合理的分析预测。

（4）积极审慎地采用高效经济的新工艺。对在国内首次应用的新工艺，必须经过中试和生产性试验，提供可靠设计参数后再进行应用。

2.2.6 水处理离子交换器正洗水的回收利用

无论是锅炉用水还是工厂用软化水、循环冷却水等，在预处理后现在普遍采用的工艺仍然为技术成熟、运行稳定、易控制的离子交换法去除水中的钙、镁离子，以实现水的软化、防治结垢的目的。离子交换器的运行可分为四个阶段：反洗、再生、正洗、运行。新设备投运或更换交换树脂，投运前需使用再生液对交换树脂浸泡8~16 h。无论阴阳离子交换器，都需要经过这些程序，使用中需要以上四个阶段。其中正洗阶段是在再生阶段完成后，对交换介质进行冲洗，去除交换器中的再生液残留和附着在交换树脂上的杂质，正洗水量大、时间长，排出的正洗水中含有大量的再生液，直接排掉不仅浪费水资源，而且因此水中含有再生液污染环境。某公司对此进行了改造，将这部分正洗水用于交换器的反洗水使用，收到了很好的效果。其做法是首先将正洗水收集沉淀以去除大部分杂质，然后经泵过滤后直接接入离子交换器的反洗管路，反洗初期使用这部分水起到了很好的作用，一是节约了反洗用水，二是因这部分水中含有一定浓度的再生液，反洗初期的同时伴随一定的再生作用，所以也使再生时间和再生液用量有一定的减少。

3 结语

以上仅就轮胎企业节能降耗工作，从技术的角度提出一些新想法，并非技术方案，供参考。实际应用时，仍需进行方案论证和工程设计，这里不做祥述。做好节能降耗工作，需要能源管理和节能措施同时重视、同时加强，两手抓两手都要硬，因此企业应提高认识，更新观念，在不断提升企业管理水平，强化能源管控的同时，加大节能技改的再投入，降低能源消耗，才能使企业持续获得优质的经济效益和社会效益，实现办企为民的崇高目标。