想涂裝工場燃氣輻射加熱系統(tǒng)研究與應用

摘 要：研制了第一套適用于造船及海洋工程產(chǎn)業(yè)涂裝工場的燃氣輻射加熱系統(tǒng)并應用成功，且獲國家專利，實現(xiàn)了以輻射加熱方式替代傳統(tǒng)的鍋爐供熱和對流換熱方式，取得了節(jié)能減排的新突破，改變了涂裝工場一直靠鍋爐供熱的局面，實現(xiàn)了柔強輻射加熱系統(tǒng)在涂裝工場等防爆場所首次應用成功。

關(guān)鍵詞：造船及海工 涂裝 輻射加熱系統(tǒng) 應用

中圖分類號：U416.217文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）05（a）-0021-03

目前，鍋爐仍是被廣泛采用的供熱設(shè)備，鍋爐耗能是能源消耗的重要組成部分，鍋爐的煙塵及煙氣排放仍是造成環(huán)境污染的重要方面。鍋爐從燃料燃燒到生成蒸汽（熱水），要歷經(jīng)燃料燃燒傳熱、熱交換等多個環(huán)節(jié)，有各環(huán)節(jié)的效率損失、散熱損失（鍋爐、供熱管、用熱設(shè)備）、余熱損失（煙氣排放、蒸汽凝結(jié)）、泄漏損失以及因用熱方式不合理造成的用熱損失，使實際綜合熱效率大大降低。自20世紀80年代以來，雖經(jīng)“汽暖改水暖”、實行“集中供熱”到鍋爐設(shè)備的節(jié)能技術(shù)取得重要成果，但終究還是離不開鍋爐。

對流換熱仍是國內(nèi)普遍的傳熱方式，即由熱源加熱空氣，再由空氣與受熱體進行對流換熱，特別是在高大空間，換熱效率低，熱損失大。

國內(nèi)外船舶制造企業(yè)的涂裝工場，由于油漆固化需要一定的溫度，需要對船體制造分段進行加熱，均在冬季以鍋爐供應的蒸汽為熱源加熱空氣后送入噴漆間，由空氣向被加熱體進行對流換熱，由于形成“上高下低”的溫度梯度及強制換風的原因，能耗大、效果差，特別在北方寒冷地區(qū)，油漆固化成為船舶建造的瓶頸環(huán)節(jié)，不得不用增加鍋爐容量和增加噴漆間數(shù)量的方式解決，因此而造成能耗增加、建設(shè)投資增大。

本課題立項旨在以燃氣在發(fā)生器內(nèi)直接燃燒替代鍋爐、通過輻射加熱直接加熱工件以取代傳統(tǒng)的對流換熱，實現(xiàn)耗能少、效率高又減排的目標，以開拓節(jié)能減排新途徑、取得節(jié)能減排的新突破。

1 總體思路

本項目課題屬供、用熱工程專業(yè)范疇，以改變企業(yè)能源結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的供、用熱方式，實現(xiàn)節(jié)能、減排為目標進行研究、攻關(guān)并實現(xiàn)創(chuàng)新和突破。本項目技術(shù)已申請專利，并獲國家知識產(chǎn)權(quán)局頒發(fā)的實用新型專利證書，專利號：ZL 2009 2 027 9068.2，本項技術(shù)為國內(nèi)首創(chuàng)。此前，船舶企業(yè)涂裝工場的分段噴漆固化加熱，均需配置大容量蒸汽鍋爐，以煤炭為主要燃料（少數(shù)為水煤漿、燃油或燃氣）。涂裝工場的“分段”加熱方式為配置蒸汽加熱箱，用蒸汽加熱空氣并將空氣送入噴漆間，靠被加熱的空氣與“分段”進行對流換熱，升溫慢、效果差、效率低，且由于噴漆間空間大，“上高下低”的溫度梯度和換風次數(shù)多，造成67%的熱量白白浪費，所以改變傳統(tǒng)的供熱方式和對流換熱的加熱方式勢在必行。而且?guī)啄陙?，大型船廠和海工基地的建設(shè)風起云涌，實現(xiàn)新建的、原有的同類企業(yè)涂裝工場供、用熱方式改變意義重大。據(jù)目前了解，國外船廠的涂裝工場也沒有采用輻射加熱的先例。

探索并實現(xiàn)在船舶企業(yè)取代普遍的、傳統(tǒng)的鍋爐供熱，是新的用熱理念；以天然氣這一清潔能源為燃料、模擬太陽的熱能輻射波（波長2～20μm）產(chǎn)生低強度電磁輻射加熱“分段”是一項新的加熱技術(shù)；引進RG公司先進的CRV輻射裝置，并針對船廠涂裝間的特點，設(shè)計、配置、形成了新的CRV輻射加熱系統(tǒng)為首次用于船舶企業(yè)涂裝工場的新產(chǎn)品；針對輻射加熱方式和原噴漆工藝研究形成的“噴漆前預熱——噴漆時互鎖——固化時升溫”的加熱新工藝也是在涂裝工場首次采用的

2 技術(shù)方案

2.1 輻射加熱新工藝研究

（1）噴漆過程冬季油漆的附著溫度≥5 ℃，而固化溫度為≥15 ℃；每遍漆后的噴涂過程約需3 h，蒸汽加熱的固化時間均在18 h以上。一方面油漆附著對溫度的要求低、需要的時間短，另一方面油漆的固化對溫度的要求高、需要的時間長，所以固化階段的加熱工藝是降低能耗、提高效率的關(guān)鍵所在。

（2）盡管在噴漆階段，由于換風次數(shù)多、室內(nèi)二甲苯氣體濃度僅為54.9 mg/m3，為報警下限濃度的1/182，但為安全起見當噴漆過程不能滿足溫度要求時，采取噴漆前預熱的方式來解決，形成噴漆前預熱（CRV開啟）→噴漆（CRV關(guān)閉）→固化升溫（CRV開啟并進行溫度控制）的加熱工藝。采用噴漆前預熱工藝，由于不需要進行室內(nèi)換風，完全避免了因換風而發(fā)生的熱量損失，比在噴漆過程加熱有更好的節(jié)能效果，又滿足了產(chǎn)品制造國的規(guī)范要求。

2.2 溫度梯度的研究與對應措施

（1）分段受熱分析：分段作為輻射受熱體，由于形狀各異，特別是雙層底分段，在輻射管照射下的受熱面部分，由于直接吸收輻射熱，溫升較快，溫度較高；不被直接照射部分要靠“分段”自身的導熱實現(xiàn)溫度的升高，這樣由于受熱方式的差異而產(chǎn)生在分段上面板→中間構(gòu)件（肋板、衍材）→底面板之間的溫度差異，并隨加熱過程的進行，差異會有所減小，實測的溫度差異在一般在4～9 ℃。由于固化階段對分段加熱是一動態(tài)過程和立體分段構(gòu)造的原因，必然存在一定的溫度梯度，但梯度不大，對油漆固化的效果不會產(chǎn)生不利影響，如需要進一步縮短固化時間，可以采用以下辦法。

①輔助送熱風來提高內(nèi)艙室的溫度以減少被加熱分段的自身溫度梯度。

②間斷加熱，靠分段內(nèi)部傳熱趨向溫度均衡。

③對地面預熱，以提高分段底面溫度。

④固化后期停止加熱。

（2）室內(nèi)溫度分層：室內(nèi)空氣不直接接受CRV裝置的輻射熱，而由被加熱物體（船體分段）向周邊的空氣進行對流換熱，另在輻射加熱45 ℃輻射角照射范圍的墻壁與地面也直接接收輻射熱，故亦向周邊空氣傳熱，室內(nèi)空氣的溫度總體上低于輻射受熱分段的溫度；室外空氣由上部進入，向下部進風口排出，上部空氣溫度低于下部溫度。與對流傳熱方式形成上高下低的溫度梯度相比，無效熱量和因換風帶走的熱量均明顯減少。

2.3 防止輻射管油漆附著

CRV系統(tǒng)長期運行要防止油漆附著，雖然由于噴漆間有漆霧處理措施，上部空氣潔凈，一般不會產(chǎn)生油漆附著而影響輻射效果，但仍要防止噴漆作業(yè)時的違章操作，另在冬季作業(yè)完成后，應對CRV輻射裝置加裝護罩。

2.4 輻射加熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

（1）相關(guān)參數(shù)的選擇：船廠噴漆間屋架梁下高度一般在13～16 m，CRV輻射裝置的安裝高度應在≤20 m的范圍內(nèi)，經(jīng)現(xiàn)場檢測，輻射距離與溫度的變化關(guān)系為1 ℃/m由于輻射管與發(fā)生器連接段溫度較高（<450 ℃）應控制分段最近受熱距離≥3 m，輻射管與鄰近建筑物鋼構(gòu)件的安全距離控制在≥0.5 m。

（2）關(guān)于CRV系統(tǒng)的優(yōu)化配置：①布置在噴漆間上方，盡可能利用屋架梁以上空間而不占用涂裝原有工作空間；②實行4×1配置，每組可公用一臺真空泵，新風管分組設(shè)置；③充分發(fā)揮每組輻射管的18m有效長度，可改善輻射加熱效果，并可降低真空泵排氣溫度。

（3）配置獨立的新風系統(tǒng)，進風管進口在室外，出風口與發(fā)生器連接并做到密封，以保證CRV加熱系統(tǒng)封閉運行，并與噴漆間室內(nèi)空氣隔絕；進風管選用金屬材料（薄皮鋼管或鍍鋅鐵皮）、并選用阻燃材料做保溫層。

（4）針對船舶及海工涂裝工廠的特點，在北船重工涂裝工場（一期）、青島北船管業(yè)涂裝工場工程實例及北船重工涂裝工場（二期）設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合涂裝工場的布置形式和不同的空間尺寸、不同地區(qū)的氣候差異，編制完成了“標準技術(shù)規(guī)程”。

2.5 涂裝工場控制系統(tǒng)的綜合設(shè)計

（1）CRV輻射加熱系統(tǒng)的自動控制包括安全保障措施的實現(xiàn)、加熱時間與溫度控制等。

（2）噴漆間生產(chǎn)過程的全程控制與安全報警及控制措施。

（3）CRV輻射加熱系統(tǒng)的自動控制與集中控制系統(tǒng)的結(jié)合和聯(lián)動。

2.6 安全保障措施監(jiān)測與CRV輻射加熱的效能測試

（1）安全保障措施監(jiān)測：十項安全保障措施的落實是保證系統(tǒng)安全運行的前提，系統(tǒng)安裝、調(diào)試完成，應首先對十項安全保障措施進行逐項檢查、測試的驗收。包括檢查并確認發(fā)生器內(nèi)的“零壓調(diào)節(jié)閥”、系統(tǒng)的“全封閉、無明火”狀態(tài)、“燃氣應急切斷伐”的安裝位置、供氣管道的“回路排氣閥”、新風進口及系統(tǒng)末端排氣口位置、燃氣報警及二甲苯濃度報警探頭的安裝位置；測試“預制負壓”功能、“動態(tài)保護”功能、“延時排空”功能、“應急切斷”功能、“聯(lián)動報警”與“交叉互鎖”功能的完好及有效性；另外，對噴漆、固化階段噴漆間內(nèi)二甲苯氣體的空間分布狀態(tài)進行濃度檢測，以確認作業(yè)環(huán)境的安全性。

（2）效能測試：CRV系統(tǒng)進行效能檢測包括：被加熱體的溫度效果、油漆固化的效率變化以及節(jié)能效果測試。①溫度測試：包括預熱階段室內(nèi)溫度場及被預熱分段的溫度場、油漆固化階段室內(nèi)及被加熱分段溫度場的變化；室內(nèi)環(huán)境測溫點按高度、平面位置（包括墻壁、地面）設(shè)置，被加熱分段按上表面、中部構(gòu)件、下底面分層并兼顧平面位置設(shè)置；測溫需定時進行，以觀測溫度場的動態(tài)變化，結(jié)合時間效果與質(zhì)量效果求得最佳溫度控制值。②效率測試：包括對噴涂全過程（預熱、噴漆、固化）各階段的時間測定，重點應做好固化過程每遍漆固化的時間詳細記錄，以便計算噴涂全過程和固化階段的效率變化。③節(jié)能效果測試：包括分別按每間、每批次、每遍油漆并按時記錄燃氣流量計讀數(shù)，另需按月、按每采暖期統(tǒng)計燃氣耗量及相應的分段數(shù)量、尺寸、重量，以計算能耗和節(jié)能效果。

3 實施效果

3.1 測試數(shù)據(jù)分析

3.1.1 噴漆間二甲苯濃度檢測：

2010年1月13日至15日分4次對1#噴漆間，5#噴漆間進行定時檢測，結(jié)果如下：

（1）地面以上10 m、5 m、1 m空間測點各時段平均濃度分別為：86.4 mg/m3、106.8 mg/m3、260 mg/m3，高空濃度低于低處濃度值；

（2）各批次室內(nèi)二甲苯氣體平均濃度為報警濃度的1.04%、1%、0.44%、0.57%，平均為0.76%，即平均為報警濃度的1/132，遠低于固化階段的濃度計算值1/57。

3.1.2 予熱效果檢測

（1）按墻壁測溫點計算的空室升溫速度為8.89 ℃/h，分段進入后升溫速度為4.93 ℃/h；

（2）分段予熱升溫速度為：1#噴漆間1#分段6.01 ℃/h，2#分段6.27 ℃/h。

3.1.3 分段噴漆固化階段升溫速度檢測

檢測固化初期升溫階段統(tǒng)計5 h內(nèi)的溫度值，結(jié)果如下：

（1）1#噴漆間：1#分段2.53 ℃/h，2#分段2.29 ℃/h，3#分段2.51 ℃/h，平均升溫速度：2.44 ℃/h。

（2）2#噴漆間：1#分段1.77 ℃/h，2#分段2.50 ℃/h，3#分段2.23 ℃/h，平均升溫速度：2.17 ℃/h。

3.1.4 溫度梯度檢測

按每個分段9組分上中下共27個測溫點數(shù)據(jù)分析，結(jié)果如下：

（1）固化升溫初期階段直接輻射受熱面與遠端導熱面間溫度梯度：

①1#噴漆間：1#分段8.49 ℃，2#分段12.87 ℃，3#分段5.62 ℃。1#分段為典型半封閉型雙層底分段，2#分段為高差較大的異形分段，實際包含輻射距離的溫度梯度。

②2#噴漆間：1#分段3.89 ℃，2#分段5.27 ℃，3#分段5.33 ℃，平均：4.83 ℃

通常情況下，分段自身的溫度梯度在3～9 ℃范圍之內(nèi)，固化中后期逐漸減少，對特殊形狀的雙層底及高差大的分段，可采用輔助熱風和間斷供熱的方法以減少溫度梯度、縮短固化時間。

（2）分段與室內(nèi)環(huán)境（空氣）的溫度梯度：

通過2010年1月25日至26日的專項測試，經(jīng)空氣測溫點與鄰近分段測溫點的比較，結(jié)果如下：

①空氣測溫點比鄰近分段測溫點平均值（每間隔2 h）低：1.33 ℃、3.63 ℃、0.17 ℃、3.2 ℃、0.43 ℃、3.70 ℃、，平均低2.08 ℃；

②空氣測溫點比鄰近分段直接輻射受熱測溫點（每間隔2小時）低：5.5 ℃、7.3 ℃、4 ℃、6.4 ℃、3.1 ℃、9.3 ℃，平均低5.93 ℃；

③換風出口溫度為9.5 ℃，比空氣測點平均溫度低4.04 ℃；

可見，輻射加熱分段，室內(nèi)空氣溫度比分段溫度低，換風出口溫度又比室內(nèi)空氣溫度低，故因換風而帶走的熱量少、節(jié)能效果好。

（3）離輻射管不同距離的受熱面溫度梯度：

按高差較大的1#間2#分段數(shù)據(jù)計算，垂直輻射距離的溫度梯度為：（28～20.16 ℃）/7m=1.12 ℃/m。

3.1.5 天然氣耗量檢測

（1）1#噴漆間：一遍漆固化用氣：

（2）2#噴漆間：一遍漆固化用氣：

（3）予熱階段單耗：噴漆間予熱：

3.1.6 效率測試

（1）2009年項目投入運行后，每遍漆固化時間比供熱所需時間縮短一半；

（2）固化時間與分段平均溫度關(guān)系密切，實際生產(chǎn)過程中，當需要縮短固化時間時可適當調(diào)整加熱控制溫度；當對時間要求不高時，可調(diào)低加熱溫度以減少耗氣量。

3.1.7節(jié)能減排效果

（1）節(jié)能效果計算：

①輻射加熱燃氣平均單耗：

天然氣折標煤系數(shù)為1.214，故折標煤單耗：44.07 kg標煤/h。

②傳統(tǒng)蒸汽加熱單耗計算：

“三噴六涂”蒸汽單耗：九院設(shè)計值：12.75 T/h、611設(shè)計值：10.2 T/h（另耗電396 km/h），取611所設(shè)計值計算每間噴漆間額定出力蒸汽單耗為：10.2/6=1.7 T蒸汽/h。

蒸汽折標煤系數(shù)為：0.143，故折標煤單耗=1.7×0.143=243 kg標煤/h，按50%折取平均單耗為：121.5 kg標煤/h。

③按每噴漆間單耗計算，輻射加熱比蒸汽加熱方式單耗降低：63.7%；“三噴六涂”年節(jié)約標準煤：（121.5-44.07）×16×120×6=892T。

全廠“涂裝工場”年節(jié)約標準煤：892T÷6×16=2378.64T標準煤。

（2）減排效果計算：

①CRV排氣的CO2排放量：

②傳統(tǒng)蒸汽加熱鍋爐CO2排放量：

③CO2減排率為：（161.02-36.31）/161.02=77.4%。

④SO2排放率為：100%。

“三噴六涂”SO2減排量：1.033 kg/h×16×120×6=11.9 t/年

“三噴六涂”年CO2減排量：

⑤全廠“涂裝工場”年CO2減排量：

3.1.8 經(jīng)濟效益測算

（1）初始投資節(jié)約：

按一期工程（三噴六涂）計算：原鍋爐供熱投資概算：1042萬元；現(xiàn)燃氣輻射加熱系統(tǒng)投資：473萬元；投資節(jié)約：569萬元。

（2）涂裝工場供熱成本節(jié)約：

一期工程：

蒸汽供熱成本：12.75 T/h×16h/d ×120 d/g×235元/T×0.5=287.64萬元/年；

輻射加熱成本：

年節(jié)約成本費用：287.64-141.38=146.26萬元/年，成本降低50.8%。

一、二期工程合計：

蒸汽供熱成本：767.04萬元/年；輻射加熱成本：377.01萬元/年；年節(jié)約成本費用：390.03萬元/年，成本降低率50.8%。

（3）生產(chǎn)效率：

由于加熱快、溫度高，油漆固化時間縮短，涂裝生產(chǎn)效率明顯提高。

4 節(jié)能減排取得重要突破

（1）研制了第一套適用于造船及海洋工程產(chǎn)業(yè)涂裝工場的燃氣輻射加熱系統(tǒng)并應用成功，且獲國家專利，實現(xiàn)了以輻射加熱方式替代傳統(tǒng)的鍋爐供熱和對流換熱方式，取得了節(jié)能減排的新突破，改變了涂裝工場一直靠鍋爐供熱的局面。

（2）研制了完備的安全保障措施，實現(xiàn)了柔強輻射加熱系統(tǒng)在涂裝工場等防爆場所首次應用成功。

（3）結(jié)合船舶涂裝場所的環(huán)境特點，在柔強輻射加熱系統(tǒng)中增加了噴涂與加熱運行互鎖、室外新風封閉供給及循環(huán)系統(tǒng)安全保護裝置等控制措施，提高了系統(tǒng)的安全可靠和適用性。

（4）研究并成功應用了“噴漆前預熱—噴漆時互鎖—固化時升溫”的涂裝工場加熱新工藝。

（5）針對船舶涂裝工場的加熱要求，提出了相關(guān)柔強輻射燃氣輻射加熱系統(tǒng)企業(yè)技術(shù)標準。

5 結(jié)語

涂裝工場成功應用CRV柔強輻射技術(shù)是一次傳統(tǒng)用熱理念和對流換熱加熱方式的重要變革，在船廠供熱工程中完全取代鍋爐是節(jié)能減排事業(yè)的一項重要突破，在船舶涂裝工場采用輻射加熱方式在國內(nèi)外尚屬首例。項目實施后，有典型示范作用和推廣價值，一旦得以推廣、應用，將會產(chǎn)生可觀的社會效益和節(jié)能減排效果。

（1）國內(nèi)船廠、海工項目、船舶管子、舾裝件加工配套工廠均可采用本系統(tǒng)，擴大應用后實現(xiàn)船舶噴涂工場加熱方式的重大變革，可取得節(jié)能、減排、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約生產(chǎn)成本、節(jié)約初始投資的效果和重大的社會效益。

（2）其他行業(yè)同類工程亦可借鑒采用、擴大節(jié)能減排效果。

（3）為實現(xiàn)在工廠取代鍋爐供熱解決了關(guān)鍵問題，結(jié)合利用余熱、海水的熱泵技術(shù)，可在部分地區(qū)實現(xiàn)無鍋爐供熱，對改變能源結(jié)構(gòu)、改變環(huán)境產(chǎn)生重要作用。

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