王東明(中國化學(xué)工業(yè)桂林工程有限公司，廣西 桂林 541004)

節(jié)能環(huán)保新技術(shù)在輪胎廠建設(shè)中的應(yīng)用

Application of the new technology of energy conservation and environmental protection in tire factory construction

王東明
(中國化學(xué)工業(yè)桂林工程有限公司，廣西 桂林 541004)

王東明 中國化學(xué)工業(yè)桂林工程有限公司黨委書記兼副總經(jīng)理

以責(zé)任為動力，以科技為基礎(chǔ)，發(fā)展全方位新型橡膠行業(yè)節(jié)能環(huán)保解決方案！

導(dǎo)言：

當(dāng)霧霾、PM2.5這些曾經(jīng)極其陌生的環(huán)境專業(yè)詞匯成為平常百姓經(jīng)常談?wù)摰脑掝}的時候，環(huán)保問題已然上升到了政治高度，治理環(huán)境問題已刻不容緩。身處桂林的我們深切體會良好環(huán)境給生活帶來的美好，同時CGEC（中國化學(xué)工業(yè)桂林工程有限公司）作為橡膠行業(yè)內(nèi)的資深工程設(shè)計與研究單位，我們深知作為傳統(tǒng)高耗能產(chǎn)業(yè)的橡膠行業(yè)面對當(dāng)前嚴(yán)峻環(huán)保形勢所面對的重重挑戰(zhàn)和巨大壓力。如何開發(fā)針對橡膠工廠的新型節(jié)能環(huán)保技術(shù)，并將其有效應(yīng)用于行業(yè)之中，全面提升中國橡膠行業(yè)節(jié)能環(huán)保價值是CGEC目前以及今后相當(dāng)長一段時間內(nèi)重點(diǎn)思考和研究的問題。

1 我國橡膠工廠目前存在的耗能與環(huán)保問題

作為專業(yè)的橡膠行業(yè)設(shè)計院，CGEC對輪胎工廠的各生產(chǎn)環(huán)節(jié)與系統(tǒng)有著深刻的認(rèn)知和理解?；谖覀兊亩嗄旯こ探?jīng)驗和業(yè)主單位的反饋，我國輪胎企業(yè)的節(jié)能環(huán)保問題主要出現(xiàn)在以下幾個生產(chǎn)環(huán)節(jié)：

1.1 硫化蒸汽系統(tǒng)

子午線輪胎生產(chǎn)中，蒸汽消耗最大的工段為硫化工段，其消耗的蒸汽占全廠的70%以上，為第一耗汽大戶。

輪胎硫化采用大量的硫化機(jī)。硫化機(jī)的供汽系統(tǒng)目前都是采用單獨(dú)的溫度反饋控制技術(shù)，蒸汽凝結(jié)水的疏水基本上都是采用蒸汽疏水閥疏水或氣動切斷閥定時排凝結(jié)水兩種方式，但是存在以下問題：

（1）疏水閥或切斷閥使用數(shù)量多，閥門動作頻繁（一年動作次數(shù)約200萬次），易磨損泄漏蒸汽。

（2） 閥門維修及管理的工作量非常大，且泄漏后不易檢查。

（3） 疏水閥失效后，大量新蒸汽串入凝結(jié)水管道，導(dǎo)致系統(tǒng)閉合困難。

（4） 泄漏嚴(yán)重時，導(dǎo)致冷凝水回收裝置不能正常工作，系統(tǒng)實際上處于開式狀態(tài)，能源嚴(yán)重浪費(fèi)。

（5）大量排汽形成白色污染，既浪費(fèi)能源又影響環(huán)境。

目前整個輪胎行業(yè)的現(xiàn)狀均是如此，而且?guī)资陙硪恢睕]有找到好的解決辦法，只能聽之任之。這樣的狀況亟需改變。

1.2 氮?dú)庵苽?/p>

一般輪胎工廠采用傳統(tǒng)的變壓吸附法進(jìn)行制氮，該工藝過程存在下述缺陷：

（1）產(chǎn)品N2純度通常只能達(dá)到99% ～99.99%，純度不高。

（2）制氮過程的氣氮比為1:5，工況較差時，則達(dá)到1:7。

（3）99.99%純度氮?dú)獾纳a(chǎn)能耗指標(biāo)為0.47 kW·h/Nm3，能耗指標(biāo)隨著氮?dú)饧兌仍黾佣黾樱b置產(chǎn)量增加單耗不降低。

（4）制氮工藝的復(fù)雜性則隨氮?dú)饧兌仍黾佣黾印?/p>

1.3 壓縮空氣

壓縮空氣為橡膠工業(yè)生產(chǎn)過程中三種基本流體介質(zhì)（水、壓縮空氣、蒸汽）之一，其能耗約占工廠總耗能的10%～20%。

空壓機(jī)作為壓縮空氣系統(tǒng)的核心設(shè)備，是一種運(yùn)行成本（主要為耗電電費(fèi)）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于購買成本的工業(yè)設(shè)備，運(yùn)行費(fèi)用較高。以單臺功率為250 kW，排氣43 m3/min的中型螺桿空壓機(jī)為例，購置費(fèi)用為40萬元左右，而其一年的耗電量（24 h×360天）約為216萬kW·h，折算成電費(fèi)[以0.7元/（kW·h）計]達(dá)到151萬元。

在生產(chǎn)使用中，僅有60%的能耗用于輪胎生產(chǎn)，其余40%的能源消耗于泄漏與假性需求，以一個年產(chǎn)1 000萬條半鋼子午胎規(guī)模的工廠為例，每年空壓機(jī)能源浪費(fèi)約546萬kW·h，直接經(jīng)濟(jì)損失約為382萬元（以 1 kW·h=0.7元計）。

因此，要解決橡膠工廠能耗居高不下的問題，對空壓系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)改造是必須采取的工作之一。

1.4 電網(wǎng)諧波

輪胎廠主要諧波源在煉膠車間及子午胎車間的壓延工段，煉膠車間的密煉機(jī)為DC690V電機(jī)，雙螺桿擠出機(jī)為DC440V電機(jī)，這些設(shè)備在運(yùn)行過程中產(chǎn)生了大量的諧波，主要以5次、7次諧波為主，且功率因數(shù)很低，一般在0.45～0.55之間。照明系統(tǒng)也產(chǎn)生較多的3次諧波。諧波的產(chǎn)生導(dǎo)致電網(wǎng)質(zhì)量下降，用電設(shè)備壽命降低。

1.5 橡膠工廠廢氣

由于橡膠制品生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的熱膠廢氣是由烷烴、烯烴、芳香類化合物、甲苯及苯系衍生物、甲基萘、乙基萘、SO2、甲醛、H2S、甲硫醚、氨類等160多種有機(jī)氣體化合物組成的集合體，多種化合物聚合在一起構(gòu)成了熱膠廢氣特殊的毒性和惡臭性質(zhì)，正因為這一特性，惡臭對廠區(qū)周邊一定范圍內(nèi)的環(huán)境造成了不同程度的污染，居民投訴或鬧事現(xiàn)象時有發(fā)生。

惡性腫瘤在橡膠行業(yè)時有高發(fā)現(xiàn)象，也越來越引起勞動保護(hù)部門的高度重視，多項調(diào)查研究證實，在橡膠生產(chǎn)過程中排放的熱膠煙氣是造成這一現(xiàn)象的罪魁禍?zhǔn)?。橡膠工廠排放的熱膠煙氣中含有N-亞硝基化合物及其前體物，如亞硝酸鹽、硝酸鹽、胺類等。一定量的N-亞硝基化合物及其前體物長期潛伏在人體內(nèi)，將可能導(dǎo)致惡性腫瘤的發(fā)生。因此加強(qiáng)橡膠行業(yè)熱膠煙氣中有害有毒污染成分的監(jiān)控和檢測、開展熱膠煙氣治理工作迫在眉睫。

1.6 廢水處理

由于相對其他化工廢水而言，橡膠工廠污水污染程度較輕，水量較小，因此橡膠工廠污水治理一直沒有受到足夠的重視。但是伴隨著水資源短缺情況的日益嚴(yán)重，環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)苛，特別是《橡膠制品工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)GB27632—2011》的頒布實施，部分地區(qū)橡膠工廠污水排放化學(xué)需氧量（CODCr）的直接排放值（即納管值）將由現(xiàn)在的300 mg/l降為70 mg/l，橡膠工廠現(xiàn)有的污水處理系統(tǒng)將不能滿足新排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，急需進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)提升。

2 以責(zé)任為動力，以科技為基礎(chǔ)，發(fā)展全方位新型橡膠行業(yè)節(jié)能環(huán)保解決方案

2.1 節(jié)能是最大的減排，環(huán)保從源頭做起

節(jié)能與環(huán)保是密不可分的兩個環(huán)節(jié)，降低生產(chǎn)過程的能耗則可以從源頭規(guī)避污染的發(fā)生，同時還可降低工廠的生產(chǎn)成本，提高其利潤率和市場競爭能力，一舉兩得。

CGEC對輪胎企業(yè)生產(chǎn)過程能源使用情況進(jìn)行了全方位的分析，針對所發(fā)現(xiàn)的物流系統(tǒng)效率低下、硫化蒸汽疏水閥失效導(dǎo)致蒸汽浪費(fèi)、壓縮空氣實際使用效率低等多個直接或間接導(dǎo)致輪胎生產(chǎn)過程能耗過高的問題提出了相應(yīng)的解決方案。

2.1.1 無動力閉式集中疏水系統(tǒng)

為了有效解決硫化工段能源嚴(yán)重浪費(fèi)的問題，CGEC開發(fā)了“無動力閉式集中疏水系統(tǒng)”專有技術(shù)。該系統(tǒng)將外壓系統(tǒng)的蒸汽凝結(jié)水回收到鍋爐除氧器循環(huán)利用。使用本項技術(shù)后，原硫化蒸汽加熱系統(tǒng)所配疏水閥可全部取消，保證外壓蒸汽完全無泄漏；由于回收系統(tǒng)為密閉式系統(tǒng)，不僅消除了管路的氧腐蝕，同時消除了二次閃蒸汽造成的白色污染。此外，該系統(tǒng)全自動運(yùn)行，無易損件，根本上解決疏水閥管理難的問題，可大大減少日常的維護(hù)及檢修工作，降低生產(chǎn)維護(hù)及檢修成本。相比傳統(tǒng)的疏水閥技術(shù)，無疏水閥節(jié)能技術(shù)節(jié)能效果明顯。

全廠的凝結(jié)水采用密閉式回收系統(tǒng)，比開式回收系統(tǒng)提高能效50%以上，既節(jié)能又可消除二次蒸汽閃蒸造成的白色污染。

采用蒸汽加氮?dú)饬蚧に?，比傳統(tǒng)的硫化工藝節(jié)約硫化用蒸汽約30%～40%。

2.1.2 空壓系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計

針對橡膠行業(yè)用氣特點(diǎn)，CGEC聯(lián)合北京航空航天大學(xué)設(shè)計并研究出一系列壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能措施和手段：

（1）空壓機(jī)群專家控制系統(tǒng)；（2）空壓機(jī)節(jié)能輔控系統(tǒng)；（3）干燥機(jī)聯(lián)控系統(tǒng)；

（4）氣體流量計量管理系統(tǒng)；

（5）電力計量管理系統(tǒng)；

（6）空壓機(jī)房設(shè)備維保管理系統(tǒng)；

（7）管道供氣節(jié)能管理系統(tǒng)；

（8）冷卻水循環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)。

由于橡膠行業(yè)壓縮空氣系統(tǒng)配置上的特點(diǎn)，節(jié)能空間非常大，通過采用上述壓縮空氣系統(tǒng)的節(jié)能措施和手段，可以降低能耗達(dá)20%～40%。

2.1.3 深冷制氮技術(shù)

采用深冷制氮技術(shù)制取氮?dú)?，此技術(shù)和傳統(tǒng)吸附制氮相比氮?dú)鈮毫o波動，氮?dú)饧兌瓤蛇_(dá)99.999 5%，工藝復(fù)雜性及能耗不因氮?dú)饧兌鹊脑黾佣黾?。深冷制氮消耗壓縮空氣量同吸附制氮相比可節(jié)約50%以上，能耗指標(biāo)則≤0.30 kW·h/Nm3（0.6 MPa，99.999%）。

以1 500 Nm3/h 99.99% 氮?dú)庵圃煜到y(tǒng)為例，采用新型深冷制氮技術(shù)較傳統(tǒng)吸附制氮工藝，設(shè)備一次性投資相近，維護(hù)費(fèi)用降低75%～85%，年節(jié)電超過199萬kW·h，液氮外銷年收入可達(dá)70萬元。

2.1.4 螺桿膨脹機(jī)余壓余熱發(fā)電

目前絕大部分工業(yè)企業(yè)的蒸汽均采用高壓制備、減壓使用的方式。高溫高壓蒸汽經(jīng)減溫減壓后，高品位的能量變成了低品位的能量，造成了能量的白白浪費(fèi)。輪胎生產(chǎn)中，硫化是蒸汽使用大戶，如全鋼外壓用汽通常只需0.5 MPa，而鍋爐制備的蒸汽壓力大于2.0 MPa，采用螺桿膨脹機(jī)替代原有的蒸汽減壓閥，利用壓差進(jìn)行發(fā)電，用于廠區(qū)低壓400 V系統(tǒng)，使原先由于節(jié)流浪費(fèi)的能量大部分得以回收，在滿足用戶壓力參數(shù)要求的同時，還可產(chǎn)生發(fā)電效益，一舉兩得。對于200萬全鋼規(guī)模的輪胎廠，年發(fā)電可節(jié)能200余萬元，為企業(yè)創(chuàng)造良好的效益。

螺桿膨脹機(jī)是容積膨脹型螺桿式動力機(jī)，其工作原理是通過陰陽螺桿槽道中熱流體的體積膨脹，推動陰陽螺桿向相反方向旋轉(zhuǎn)，其做功過程包括進(jìn)氣、膨脹、排氣三部分，最終實現(xiàn)將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。螺桿膨脹機(jī)通過工作方式及原理的轉(zhuǎn)變，一舉擺脫低品位熱源對汽輪機(jī)的應(yīng)用限制。

螺桿膨脹機(jī)允許熱源壓力、流量的大幅波動；機(jī)器可移動、可集中、可分散，很適合工業(yè)余熱的特點(diǎn)和發(fā)電利用。設(shè)備使用安全簡單，運(yùn)行不飛車、不暖機(jī)、不盤車，運(yùn)轉(zhuǎn)安全可靠，長期無大修維護(hù)方便/可遠(yuǎn)程控制無人值守運(yùn)行。

2.1.5 諧波治理工程

解決方案：

以一臺270密煉機(jī)為例，電機(jī)功率為1 250 kW。

（1）根據(jù)計算，取基波補(bǔ)償容量為850 kvar，安裝容量1 200 kvar。采用的濾波補(bǔ)償方案:晶閘管動態(tài)濾波補(bǔ)償裝置＋APF（有源濾波器）。

（2）變壓器均選用D，yn11連接組別，對3次諧波能夠起到有效的抑制作用。

（3）效益分析

經(jīng)過無功補(bǔ)償及諧波治理后，每年可節(jié)省費(fèi)用總計為40萬元左右。除了上述直接經(jīng)濟(jì)效益，諧波治理產(chǎn)生的間接效益還包括：延緩電纜絕緣層的老化，延長了電器設(shè)備的使用年限等等。因此改善密煉機(jī)電能質(zhì)量問題和功率因數(shù)問題帶來的效益是十分可觀的。

2.2 有效減少污染，創(chuàng)造綠色環(huán)境

由于工藝所限，在輪胎生產(chǎn)過程當(dāng)中必然將產(chǎn)生一定的污染物質(zhì)，如污水、廢氣等，如何有效減少污染，甚至變廢為寶，創(chuàng)造綠色環(huán)境一直是我們所努力的方向。在此領(lǐng)域當(dāng)中，CGEC主要研發(fā)和推廣了污水資源化、橡膠廢氣治理等污染治理技術(shù)。

2.2.1 煉膠/硫化煙氣治理

針對橡膠工廠生產(chǎn)有機(jī)廢氣的特性，CGEC提出了“光催化氧化+活性焦吸附”的新型處理工藝。該工藝先利用紫外光降解技術(shù)氧化廢氣中難生物降解物質(zhì)，將其轉(zhuǎn)化為較易處理的短鏈物質(zhì)。這些物質(zhì)可以迅速被后續(xù)的活性焦吸附單元有效吸附，從而得到潔凈的氣體。吸附飽和后的活性焦送往固廢處理單位，可進(jìn)行無害化處理，無二次污染出現(xiàn)。

2.2.2 污水資源化

以往輪胎廠廠區(qū)污水經(jīng)傳統(tǒng)的生化或物化工藝進(jìn)行無害化處理，達(dá)到相應(yīng)環(huán)保要求即可，而污水資源化則是在傳統(tǒng)處理工藝基礎(chǔ)上，引入新型的深度處理工藝，以較低的運(yùn)行費(fèi)用對污水進(jìn)行深度處理，使其可以被重新利用。因此污水不再是單純需要無害化處理的污染物，它已成為一種重要的“新水源”，而污水處理也不再是較高投入?yún)s僅產(chǎn)生社會效益的單純環(huán)保行為。

目前污水資源化的主流核心工藝為膜分離技術(shù)，該技術(shù)是利用膜元件的高效過濾功能，將污水中的污染物進(jìn)行截留分離，從而得到潔凈的新生水。按照技術(shù)工藝特點(diǎn)的不同，膜分離水處理工藝可分為連續(xù)膜過濾（CMF）、膜生物反應(yīng)器（MBR）、納濾（NF）、反滲透（RO）等，并可按照要求對污水進(jìn)行不同深度的處理；而污水經(jīng)上述工藝處理后，可作為綠化與沖廁、冷卻循環(huán)水補(bǔ)充水甚至鍋爐用水補(bǔ)給水等進(jìn)行分級回用。對于生產(chǎn)企業(yè)而言，水資源費(fèi)用的不斷上漲，增加了企業(yè)生產(chǎn)成本，然而采用污水資源化技術(shù)，則可在解決企業(yè)污水處置問題的基礎(chǔ)上，使污水重新得到利用，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益，從而減輕企業(yè)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，增加企業(yè)在市場中的競爭實力。

3 CGEC輪胎工廠節(jié)能減排案例分析

2010年以來，CGEC已在多家輪胎生產(chǎn)企業(yè)實施多項節(jié)能減排工程，下述為部分具有代表性的工程案例。

3.1 某輪胎司硫化集中疏水改造

2010年由CGEC負(fù)責(zé)編制完成的“某輪胎公司輪胎能源優(yōu)化項目”獲國家批準(zhǔn)，準(zhǔn)予立項實施，并獲得中央預(yù)算內(nèi)投資計劃補(bǔ)助資金支持。該項目包括某輪胎公司硫化集中疏水技改項目和污水資源化等多個子項目。

某輪胎公司硫化集中疏水技改項目共分三期，取得了以下成果：

（1）系統(tǒng)能夠適應(yīng)并滿足硫化生產(chǎn)工藝的要求，硫化機(jī)硫化溫度穩(wěn)定，硫化曲線平穩(wěn)無異常，生產(chǎn)的輪胎達(dá)到業(yè)主的技術(shù)及質(zhì)量要求。

（2）取消了老系統(tǒng)的所有疏水閥，硫化機(jī)排凝順利，無滯留現(xiàn)象，同時使系統(tǒng)的維修量減少85%以上，降低了維修成本。

（3）低壓蒸汽母管（0.55 MPa）原有的六只疏水閥全部取消，實現(xiàn)了集中疏水。

（4）簡化了硫化機(jī)操作，消除了疏水閥開旁通排凝現(xiàn)象，硫化一次合格率提高了65%以上。

（5）凝結(jié)水可以在帶背壓（0.2 MPa以下均可）的工況下全部回收利用，并且不需要水泵輸送，系統(tǒng)無電能消耗。

（6）每噸成品輪胎的硫化蒸汽單耗降低為0.916 t（蒸汽）。

（7）除實現(xiàn)上述節(jié)汽率以外，凝結(jié)水顯熱全部回收利用，同時實現(xiàn)節(jié)能率12.4%。

此外，鍋爐除氧器耗汽由每天約100 t/d減少為0，原來運(yùn)行1臺35 t/h+1臺20 t/h鍋爐，技改后運(yùn)行2臺20 t/h鍋爐即可，每天節(jié)煤40余噸。

（8）節(jié)能效益和環(huán)境效益

系統(tǒng)節(jié)能率為50%；年節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益超過1 700萬元。

年節(jié)標(biāo)煤：0.85萬t；

年節(jié)水量：12.6萬t；

年減排CO2：2.21萬t；

年減排SO2：118 t。

本技術(shù)在輪胎行業(yè)的全面推廣，預(yù)計將為行業(yè)每年減少標(biāo)煤消耗57萬t，減排二氧化碳149萬t。企業(yè)在減少環(huán)境污染，創(chuàng)造良好社會效益的同時，也獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益，一舉兩得。該項目是企業(yè)實施循環(huán)經(jīng)濟(jì)的典型案例。

3.2 某輪胎公司污水處理工程

某輪胎公司原有污水處理系統(tǒng)僅是對生活污水進(jìn)行簡單物理過濾后回用進(jìn)行沖廁等生活雜用，生產(chǎn)廢水則未經(jīng)處理直接排入市政管網(wǎng)當(dāng)中。

CGEC結(jié)合該輪胎公司污水水質(zhì)，全廠用水需求以及相關(guān)過往工程經(jīng)驗，確定了缺氧+好氧+多級膜分離工藝的全廠生產(chǎn)廢水和生活污水資源化技術(shù)方案，處理量為87.5 t/hr。處理后的產(chǎn)水分級回用至沖廁與綠化、冷卻循環(huán)水補(bǔ)充水和鍋爐補(bǔ)給水，具體工藝流程圖如圖1所示。

根據(jù)設(shè)計方案（按年開工330日計），某輪胎公司污水資源化工程建成后，可日節(jié)水1 920 t，年節(jié)水633 600 t。顯而易見，本項工程將為該輪胎公司不僅帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，減少公司生產(chǎn)成本，同時在國家大力提倡節(jié)能減排的今天，更為企業(yè)帶來豐厚的社會效益，如圖2所示。

3.3 某輪胎公司硫化廢氣治理項目

某輪胎公司硫化過程所產(chǎn)生硫化煙氣臭味較大，CGEC采用光裂解+活性焦吸附工藝對該種廢氣進(jìn)行了有效處理，具體處理工藝如下圖3所示，裝置外觀如圖4所示。

圖1 某輪胎公司污水資源化流程圖

圖2 某輪胎公司污水資源化項目現(xiàn)場設(shè)備圖片

圖3 某公司硫化廢氣處理工藝

新型光電+活性焦吸附工藝在該輪胎公司實施后，當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門對原始硫化廢氣、處理后廢氣主要污染指標(biāo)進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果表明新型光電+活性焦吸附工藝處理效果穩(wěn)定，各項指標(biāo)完全達(dá)到并由于相關(guān)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求，具體檢測結(jié)果如表1所示。

圖4 光電-吸附過濾聯(lián)合煙氣處理系統(tǒng)

表1 新型光電-吸附過濾聯(lián)合工藝處理效果