汽車涂裝線余熱回收系統(tǒng)及其應(yīng)用

李海超，王云飛，華云*，李志勇，陳少永

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

如何合理利用有限資源，回收有價資源進行二次利用，已成為各大汽車廠的立項重點。隨著環(huán)境保護的深度推行，針對涂裝廢物排放的要求也越來越嚴格。在整車制造系統(tǒng)中，降低涂裝能耗已成為成本管控的重要課題。新工廠在建設(shè)初期就需考慮涂裝廢氣的再利用，而老工廠的改造重點之一也是有價資源的二次利用。本文探討了汽車涂裝生產(chǎn)線中烘干室的排放廢氣余熱回收系統(tǒng)的應(yīng)用，與同行分享。

1 烘干室廢氣排放余熱回收利用的可行性

涂裝車間前處理工藝中的脫脂和磷化槽液均需高溫，加熱方式主要都靠蒸汽加熱。加熱不僅消耗能源，而且對當?shù)丨h(huán)境也有一定程度的破壞，因此需減少蒸汽等熱源的使用量。涂裝車間的烤房中廢氣排放溫度很高，經(jīng)現(xiàn)場測量，排煙溫度一般為180 ~ 220 °C，均遠高于前處理槽液所需溫度(一般最高55 °C)，因此回收廢氣熱量到前處理槽液加熱中是可行的。其原理是使用熱交換器，以高溫廢氣加熱介質(zhì)，回收煙氣中的熱量，同時將此熱量與前處理槽液換熱，使前處理槽液溫度升高以減少蒸汽消耗量，降低生產(chǎn)成本。

2 余熱回收利用改造方案

整個系統(tǒng)基本包括氣水換熱系統(tǒng)、熱水循環(huán)系統(tǒng)、補水系統(tǒng)、水液換熱系統(tǒng)及相應(yīng)的配套裝置，設(shè)備形式根據(jù)各整車廠烤房廢氣的處理方式做相應(yīng)的調(diào)整，但主要構(gòu)成不變，如圖1 所示。

2.1 余熱回收流程

首先將廢氣的溫度通過熱交換器應(yīng)用到脫脂槽和預(yù)脫脂槽，然后將剩余熱量應(yīng)用到磷化槽，磷化槽在保溫階段需要開啟蒸汽換熱器加熱以維持溫度，具體流程見圖2。

2.2 余熱回收技術(shù)方案

2.2.1 余熱回收系統(tǒng)溫度設(shè)置

為保證最大化回收余熱，前處理各槽液溫度設(shè)計要求見表1。

圖1 余熱回收系統(tǒng)示意圖Figure 1 Schematic diagram for waste heat recovery system

圖2 余熱回收系統(tǒng)流程圖Figure 2 Process flow of waste heat recovery system

表1 前處理各槽溫度設(shè)計Table 1 Designed temperatures for pretreatment tanks

2.2.2 設(shè)備設(shè)計要求

由于各工廠的設(shè)備狀態(tài)及形式不同，余熱回收設(shè)備的形式及要求均有差別，但主體思路改變不大。根據(jù)現(xiàn)場的設(shè)備及運行情況，確定相應(yīng)的、滿足使用的系統(tǒng)改造方案。

主要是加裝氣水換熱和水循環(huán)系統(tǒng)中兩處管路和板式換熱器，具體如下：

(1) 氣水換熱系統(tǒng)：經(jīng)裂解后的廢氣排放溫度在180 °C 以上，排放前通過氣水換熱裝置加熱裝置內(nèi)毛細水管中的循環(huán)水以達到設(shè)定溫度(80 ~ 85 °C)，此處需增加換熱器。

(2) 水循環(huán)系統(tǒng)：將已加熱到預(yù)定溫度的水通過管道輸送至板式換熱器用來加熱藥劑槽槽液到工藝溫度，設(shè)置此換熱器是為保證余熱回收循環(huán)水和原有的蒸汽加熱系統(tǒng)能同時加熱槽液。

對水循環(huán)要求如下：

(1) 水泵應(yīng)保證水流量≥65 t/h，揚程按滿足現(xiàn)場使用需求選取。

(2) 水管選擇鍍鋅管。管路內(nèi)水流速≤2 m/s，耐壓能力應(yīng)滿足使用需求；管路外用優(yōu)質(zhì)巖棉保溫(保溫層厚度50 mm)。

(3) 保溫層外部，在室內(nèi)和車間外都用鍍鋅板咬口密封。

2.2.3 傳熱介質(zhì)的選擇

傳統(tǒng)的工業(yè)水將導(dǎo)致循環(huán)管道及氣水換熱器內(nèi)壁大量結(jié)垢，后期會造成熱轉(zhuǎn)化效率降低、管道堵塞等問題，為避免出現(xiàn)槽液局部溫度過高造成藥劑失效以及換熱管路堵塞，在水質(zhì)的選用上，使用二級純水作為煙氣與槽液間的熱傳遞介質(zhì)(后稱介質(zhì)水)。

2.2.4 余熱回收系統(tǒng)的設(shè)置

將余熱回收系統(tǒng)與原加熱系統(tǒng)串聯(lián)，用余熱回收系統(tǒng)初步加熱槽液，通過控制介質(zhì)水的流量調(diào)控溫度；原加熱系統(tǒng)通過控制板式換熱器的蒸汽流量來實現(xiàn)對溫度的精確調(diào)控。串聯(lián)原理見圖3。

用串聯(lián)的形式將余熱回收系統(tǒng)接入到原有加熱循環(huán)系統(tǒng)的主要原因如下：

(1) 涂裝生產(chǎn)線一般并不是24 h 生產(chǎn)，兩班生產(chǎn)制居多。開線時，槽液從冷態(tài)到工藝溫度所需熱量最大，但此時烘干室也剛處于升溫狀態(tài)，廢氣排放的溫度不能使循環(huán)水在短時間內(nèi)加熱槽液，因此需借助蒸汽同時加熱槽液。

(2) 串聯(lián)可使管路布置簡單，無需增加太多循環(huán)管路。

(3) 當烘干室生產(chǎn)異常造成循環(huán)水溫度不滿足要求時，可用蒸汽補充，不影響正常生產(chǎn)。

2.3 注意事項

(1) 保溫層外壁溫度不得高于環(huán)境溫度15 °C，夏季最高不得超過50 °C。

(2) 維持循環(huán)水溫度為60 ~ 82 °C。低于60 °C 時，循環(huán)水不與槽液進行熱交換，即新增板式換熱器被自動短路(也可手動操作)；當超過85 °C 時，將自動調(diào)整通過余熱回收裝置與RTO(Regenerative Thermal Oxidizer，蓄熱式熱力焚燒系統(tǒng))原排煙管路的煙量比例，直至全部通過RTO 原排煙管路排出(也可手動調(diào)整)。在實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)換功能時，還需與槽液溫度進行互鎖，當槽液溫度低于設(shè)定最小值時自動開啟原有蒸汽加熱系統(tǒng)以快速升溫。而余熱回收系統(tǒng)基本上用于保持槽液恒溫。

(3) 循環(huán)管道中純水在持續(xù)加熱過程中會產(chǎn)生氣體，因此需考慮氣體的排放，否則影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

2.4 設(shè)計亮點

為便于員工觀察循環(huán)水質(zhì)狀態(tài)，在密閉的水循環(huán)管道中增加了可視窗口(通過旁通實現(xiàn))，可方便快捷地觀察水質(zhì)變化，確認板式換熱器是否泄露及是否需要更換循環(huán)水，如圖4。

圖3 余熱回收系統(tǒng)與原加熱系統(tǒng)串聯(lián)示意圖Figure 3 Schematic diagram for series connection of waste heat recovery system and original heating system

圖4 方便觀察的可視窗口Figure 4 Visual window for convenient observation

2.5 運行效果

歷時20 天對一年產(chǎn)20 萬輛轎車的涂裝生產(chǎn)線進行了余熱回收系統(tǒng)改造，重點對脫脂槽及磷化槽進行改造補溫，涉及兩處管路、板式換熱器的加裝和循環(huán)水泵的更換。經(jīng)過半年的正式使用，脫脂槽液除每天開線時由冷態(tài)升溫需開啟蒸汽外，其余保溫時間全靠余熱回收系統(tǒng)輸送的熱水來滿足工藝要求。經(jīng)理論計算，每小時可節(jié)約蒸汽約0.8 t，折合人民幣123 元/h，按每天生產(chǎn)時間16 h 計算，每月節(jié)約成本大概5 萬元(參照蒸汽價格55 元/GJ，每噸蒸汽熱量約為2.8 GJ 計算)。

3 結(jié)語

(1) 使用余熱回收系統(tǒng)降低了烤房廢氣裂解后的排煙溫度，在保護環(huán)境的同時也降低了蒸汽的使用量，節(jié)約了成本。

(2) 涂裝車間屬于耗能大戶，合理回收有價資源將減少能源消耗，降低運行成本，為當?shù)丨h(huán)境保護做出貢獻。

(3) 在設(shè)計新的涂裝生產(chǎn)線時，要探討廢氣、廢渣、廢水和余熱等的回收利用，根據(jù)實際線體排布、空間位置等確定具體的能源再利用方案，避免后期再改造。