全柏銘 劉聰 張亞南

中國汽車工業(yè)工程有限公司

能源與環(huán)境已成為中國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要矛盾點(diǎn)，節(jié)能減排，發(fā)展綠色、低碳、可持續(xù)能源勢在必行。2007 年中國已被列為全世界最大的碳排放國家 [1]，2009 年哥本哈根氣候變化大會前夕，中國明確的提出了量化指標(biāo)：到 2020 年，中國單位內(nèi)國民生產(chǎn)總值CO2的排放比2005 年下降40%～45%。而在整車生產(chǎn)環(huán)節(jié)，涂裝車間能耗約占整廠能耗 70%以上，其所產(chǎn)生的廢氣、廢水也是環(huán)?？紤]的重點(diǎn)問題[2]。涂裝生產(chǎn)工藝中前處理電泳、噴漆等環(huán)節(jié)需要消耗大量熱水，用于前處理升溫和空調(diào)加熱調(diào)濕。而烘干環(huán)節(jié)則消耗大量天然氣，用于烘干爐加熱并產(chǎn)生大量的高溫廢氣。如果將前處理及空調(diào)的用熱與烘干廢氣的余熱合理的規(guī)劃，會產(chǎn)生一定節(jié)能減排及環(huán)保效益。

1 問題的提出

某汽車廠涂裝車間烘干廢氣采用熱回收式熱力焚燒系統(tǒng)（TNV），烘干爐在涂裝工件烘烤過程中不斷產(chǎn)生的含有VOC 的廢氣，通過廢氣引風(fēng)機(jī)引入焚燒爐，廢氣直接與火焰接觸，在750 ℃高溫下燃燒分解為二氧化碳和水，同時將焚燒廢氣產(chǎn)生的高溫?zé)煔庾鳛楹娓蔂t的加熱熱源送到烘干爐的各個換熱單元供熱，經(jīng)過各區(qū)換熱后的煙氣余熱再經(jīng)過新鮮風(fēng)換熱器換熱，最終排除車間外。經(jīng)TNV 焚燒后的高溫廢氣采用汽水換熱裝置回收高溫廢氣熱量，噴漆等組合式空調(diào)回水經(jīng)過余熱回收裝置充分換熱后，升溫后的熱水回水與前處理熱水回水混合，最終流回鍋爐，再由鍋爐升溫為前處理及空調(diào)提供相應(yīng)的熱水，整個車間的熱水循環(huán)系統(tǒng)如圖1 所示，其中余熱回收裝置總的熱水流量設(shè)計值為120 m3/ h。

圖1 熱水系統(tǒng)流程圖

安裝完成后，試生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，廢氣風(fēng)管的旁通閥一直處于常開狀態(tài)，高溫廢氣沒有進(jìn)入余熱回收裝置，并且該裝置熱水管理的電動二通閥一直處于最大開度。于是，現(xiàn)場對關(guān)鍵裝置的熱水流量在日常生產(chǎn)的狀態(tài)下，進(jìn)行了 35 天左右的測試跟蹤，具體數(shù)據(jù)如圖2 所示，從實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)中不難發(fā)現(xiàn)，空調(diào)機(jī)組總的實(shí)測流量在 10～20 m3/ h 左右，前處理工藝中磷化用熱穩(wěn)定，穩(wěn)定運(yùn)行過程中流量基本在 120 m3/ h 左右。這種實(shí)際偏差，帶來了兩個問題：1）即使全部進(jìn)入余熱回收裝置也不能滿足設(shè)計要求，導(dǎo)致汽水換熱余熱回收裝置無法正常使用，廢氣排放溫度過高，不能滿足環(huán)保要求，廢熱無法得到有效利用。2）低熱水流量狀態(tài)下余熱回收裝置的安全性很差，如果廢氣風(fēng)管上的風(fēng)閥損壞或動作不正確時會導(dǎo)致余熱回收的熱水干燒，容易發(fā)生爆炸。因此，整個熱水系統(tǒng)亟需進(jìn)行改造，以提高系統(tǒng)的安全可靠性，滿足環(huán)保要求。

圖2 實(shí)際運(yùn)行的熱水流量

2 改造方案

經(jīng)過分析，其中的直接原因就是進(jìn)入余熱回收裝置的熱水回水流量不足，根本的設(shè)計原因可能有以下幾點(diǎn)：

1）工藝按最大生產(chǎn)節(jié)拍提供輸入資料，實(shí)際運(yùn)行過程中最大生產(chǎn)節(jié)拍狀態(tài)下較少，間斷運(yùn)行，導(dǎo)致空調(diào)回風(fēng)中濕度遠(yuǎn)低于設(shè)計值，空調(diào)調(diào)整濕度所需的熱量遠(yuǎn)低于資料中要求的熱量。

2）實(shí)際控制采用末端（即噴漆線上）溫濕度控制方式，從空調(diào)出風(fēng)口到末端管道較長，設(shè)計過程中考慮的溫升不夠充分，溫升在在此處相當(dāng)于空氣再熱，調(diào)整空氣的相對濕度，可以大大降低熱水用量。

3）由于室外氣溫的溫濕度也經(jīng)常處于非設(shè)計工況，導(dǎo)致空調(diào)運(yùn)行過程中所需的熱量也存在很大差距。為了徹底解決環(huán)境保護(hù)排放問題，提高能源的利用率以及系統(tǒng)的安全性，在利用已有管道系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)的改造，提高余熱回收裝置的熱水流量，將前處理磷化工位穩(wěn)定的熱水回水引入余熱回收裝置，更改日常運(yùn)行策略。具體措施有：1）在前處理線上增加管路及閥門DEF，使磷化工位熱水換熱器回水不直接返回鍋爐，而是進(jìn)入余熱回收裝置。2）由于空調(diào)熱水管路較小，不能將全部磷化熱水回水引入空調(diào)機(jī)組，因此給空調(diào)機(jī)組增加旁通管，并增加閥門 C 和閥門G。3）正常運(yùn)行時，閥門 A 和閥門D 常閉，其余閥門常開，即由磷化工位放熱后的水和鍋爐供水混合為空調(diào)機(jī)組和余熱回收裝置供水，改造后的熱水流程圖如圖 3 所示。改造過程中的難點(diǎn)在于，車間擇機(jī)停產(chǎn)7 天，管道施工空間狹小，兩處改動均為室體上方高空（10 m 以上）吊裝及焊接作業(yè)，采取掛吊籃，設(shè)防護(hù)網(wǎng)及提前測量預(yù)制，現(xiàn)場僅進(jìn)行吊裝、焊接等方式進(jìn)行改造，改造作業(yè)點(diǎn)的具體位置如圖4 所示。最終該項(xiàng)改造工作實(shí)際發(fā)生費(fèi)用為 69935 元，其中包含人工，材料，安全防護(hù)，措施費(fèi)，管理費(fèi)及稅金等費(fèi)用。

圖3 改造后的熱水系統(tǒng)圖

圖4 改造工作作業(yè)點(diǎn)

3 經(jīng)濟(jì)性與節(jié)能性分析

改造后的實(shí)際運(yùn)行過程中，分別測量電泳烘干、膠烘干和面漆烘干余熱回收裝置的熱水進(jìn)出口溫度及流量，通過Q=cρV△t/3600（其中，Q為回收熱量，kW；c為水的比熱，4.2 kJ/(kg·℃)；ρ為水的密度，1000 kg/m3；V為熱水流量，m3/ h；△t為余熱回收進(jìn)回水溫差，℃ ）計算回收的熱量，并記錄余熱回收裝置廢氣的進(jìn)出口溫度，具體數(shù)據(jù)見圖5。

圖5 改造后余熱回收裝置的運(yùn)行情況

通過圖5 可以看出：

1）改造后電泳烘干的廢氣溫度由進(jìn)口的平均溫度308 ℃降低到出口平均溫度130 ℃左右，膠烘干廢氣溫度由進(jìn)口的平均溫度170 ℃降低到出口平均溫度140 ℃左右，面漆烘干廢氣溫度由進(jìn)口的平均溫度345 ℃降低到出口平均溫度 150 ℃，排放廢氣溫度大大降低，達(dá)到廢氣經(jīng)過余熱回收裝置的理論排氣溫度160 ℃，滿足使用及環(huán)保要求。

2）改造后，電泳烘干，膠烘干及面漆烘干平均回收的熱量分別為564.4 kW，252.3 kW 和527.1 kW，總計約1343.7 kW，相當(dāng)于同時間前處理正常生產(chǎn)時（非升溫階段）的全部用熱，實(shí)際運(yùn)行中鍋爐的臺數(shù)及使用時間均有減少，節(jié)能效果顯著。

3）以當(dāng)?shù)靥烊粴鉄嶂?8600 Kcal/m3，實(shí)際價格 2.4元/m3，工廠全年生產(chǎn) 292 天（占 80%），每天生產(chǎn) 8 小時為依據(jù)，通過M=3600×Q×D×h×a/G/4.18（其中，M為年運(yùn)行費(fèi)用，元；Q為回收熱量，kW；D為全年運(yùn)行天數(shù)，天 ；h為每天運(yùn)行時間，h；a為天然氣單價，元 /m3；G為天然氣熱值，8600 kcal/m3），每年大概節(jié)約 754422元，改造費(fèi)用當(dāng)年即可回收，日常運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性顯著。

4 結(jié)論

從整體考慮車間的用熱情況，充分利用烘干廢氣余熱，提高熱水系統(tǒng)鍋爐的回水溫度，可以節(jié)約能耗，降低廢氣溫度，經(jīng)濟(jì)性好。合理的系統(tǒng)設(shè)計是本質(zhì)與關(guān)鍵，設(shè)計不僅考慮最不利狀態(tài)下的運(yùn)行情況，更應(yīng)該考慮在日常工況下的運(yùn)行與控制。后續(xù)設(shè)計該類項(xiàng)目，應(yīng)該注意保證余熱回收裝置的水流量，將熱水消耗量大的前處理熱水回水或整個車間的熱水回水供應(yīng)余熱回收裝置，可以充分發(fā)揮余熱回收裝置的節(jié)能減排及環(huán)境保護(hù)的作用。