熱處理行業(yè)節(jié)能潛力研究

佟冬雪，劉星宇，李振清，王 婧，殷和平，魏興釗，呂東顯，佟曉輝

(1.機械工業(yè)發(fā)展基金會，北京 100825； 2.常州市熱處理行業(yè)協(xié)會，江蘇 常州 213022；3.廣東省熱處理協(xié)會，廣東 廣州 510640； 4.中國熱處理行業(yè)協(xié)會，北京 100101)

熱處理是裝備制造的重要基礎(chǔ)工藝，是提升機電產(chǎn)品性能和可靠性、延長使用壽命、提高市場競爭力的核心技術(shù)，是金屬零件制造過程中消耗能源較多卻不可或缺的重點工序，也是裝備制造業(yè)節(jié)能節(jié)材的重要工藝技術(shù)。據(jù)行業(yè)統(tǒng)計，我國每年熱處理加工量約5000多萬噸，熱處理消耗電能總量達200億kWh，天然氣和液化氣約4億Nm3，淬火油10余萬噸，以及其他工藝材料消耗，總計每年耗能約合1000多萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，排放二氧化碳約3000多萬噸[1]。由此可見，熱處理節(jié)能是裝備制造業(yè)實現(xiàn)“碳達峰”目標(biāo)的重要抓手是毋庸置疑的。為滿足熱處理行業(yè)節(jié)能工作需求，幫助熱處理企業(yè)深挖節(jié)能潛力，推動熱處理工業(yè)綠色發(fā)展，中國熱處理行業(yè)協(xié)會依托機械工業(yè)節(jié)能與資源利用中心，于2021年以15家熱處理企業(yè)為典型案例，開展了節(jié)能診斷服務(wù)和節(jié)能潛力研究。

1 研究內(nèi)容與方法

1.1 研究內(nèi)容

依據(jù)熱處理企業(yè)特點，明確節(jié)能診斷重點研究內(nèi)容見表1。

1.2 研究方法

熱處理企業(yè)診斷依據(jù)：主要包括國家及企業(yè)所在地方相關(guān)法律法規(guī)和產(chǎn)業(yè)政策、用能和節(jié)能相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、節(jié)能技術(shù)和裝備(產(chǎn)品)推薦目錄等。具體的方法手段：包括現(xiàn)場觀察法、數(shù)據(jù)分析法、對標(biāo)法和檢測法。其中，對標(biāo)法是通過對照相關(guān)節(jié)能法律法規(guī)、政策、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，對診斷對象的能源利用是否科學(xué)合理進行分析診斷，對診斷對象運行和用能情況、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進行對比，對平面布局、生產(chǎn)工藝、用能工藝等與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行對比，主要用能設(shè)備與能效標(biāo)準(zhǔn)進行對比，總體能效水平與能耗限額標(biāo)準(zhǔn)進行對比等。

現(xiàn)場調(diào)查內(nèi)容包括：結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)情況，對企業(yè)能源消費數(shù)據(jù)計量及統(tǒng)計進行現(xiàn)場核對，確定企業(yè)能源統(tǒng)計范圍是否對應(yīng)，能源消費表編制是否規(guī)范和完整，各項能源消耗指標(biāo)計算是否符合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，折標(biāo)系數(shù)使用是否準(zhǔn)確[2]，查看企業(yè)是否使用淘汰類用能設(shè)備以及能源計量器具是否有效，調(diào)查企業(yè)的節(jié)能組織機構(gòu)和管理制度的落實情況等。

能源利用診斷：核算企業(yè)各類能源使用和消耗總量，各類工藝(工序)的能源消耗情況，得出企業(yè)的綜合能耗、單位產(chǎn)值綜合能耗和單位產(chǎn)品(工序)能源消費量。核算企業(yè)能源購入、庫存、轉(zhuǎn)出量和企業(yè)能源消費量等，對熱處理企業(yè)能源計量及統(tǒng)計狀況進行評估。判斷企業(yè)采用的設(shè)備、技術(shù)、工藝、材料等是否先進節(jié)能，重點用能工序和能源結(jié)構(gòu)是否科學(xué)合理。熱處理主要工藝(工序)用能關(guān)注要素見表2。

表2 熱處理企業(yè)主要工藝(工序)用能關(guān)注要素

能源效率診斷：重點核算熱處理企業(yè)主要工藝(工序)能耗及單位產(chǎn)品綜合能耗，評估企業(yè)能源利用效率、工序或車間能源利用效率、主要用能設(shè)備能效水平和實際運行情況，核查重點先進節(jié)能技術(shù)應(yīng)用情況。熱處理企業(yè)重點用能設(shè)備及能源利用種類見表3。

表3 熱處理企業(yè)重點用能設(shè)備及能源利用種類

能源管理診斷：重點核查企業(yè)能源管理組織構(gòu)建和責(zé)任劃分、能源管理制度建立及執(zhí)行、能源計量器具配備與管理、能源管理體系的信息化運行、節(jié)能宣傳教育活動開展等情況。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 診斷企業(yè)總體用能情況

15家診斷企業(yè)的總體能源消費情況，見表4。按照文獻[2]標(biāo)準(zhǔn)核算，單位產(chǎn)值平均能耗為0.46 tce/萬元，單位產(chǎn)量平均能耗為0.074 tce/t。基本符合文獻[3]標(biāo)準(zhǔn)要求。在消費能源結(jié)構(gòu)方面，使用電能占比75%，與文獻[1]統(tǒng)計數(shù)據(jù)相比減少了5%，符合熱處理行業(yè)“十四五”發(fā)展規(guī)劃的發(fā)展目標(biāo)要求。

表4 診斷企業(yè)用能數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2.2 加熱設(shè)備能源損失

老舊用能設(shè)備仍是能源損失的主要因素。對8家擁有正火和退火工藝的企業(yè)能耗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，結(jié)果見表5。由表5可知，目前用于正火和退火的加熱設(shè)備仍是老舊的箱式爐、井式爐和臺車爐。正火加工量占比18.7%，用能占比13.3%，平均單位能耗0.057 tce/t(460 kWh/t)；退火加工量占比8.6%，用能占比8.3%，平均單位能耗0.078 tce/t(630 kWh/t)。能耗均高于文獻[4]標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 診斷企業(yè)正火和退火工藝用能數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2.3 工藝材料和非加熱能源消耗

表6為診斷企業(yè)消耗的淬火油統(tǒng)計情況。若按30%零件使用淬火油估算，平均每噸零件淬火消耗淬火油約4 kg。由表6可知，隨著熱處理裝備和工藝技術(shù)的進步，淬火油的消耗已明顯減少，但在熱處理總能耗中占比仍高達2.4%。表7為12家熱處理企業(yè)滲碳和碳氮共滲工序的甲醇消耗情況。由表7可知，其能耗占比已達工藝總能耗的3.4%。表8為使用密封箱式多用爐滲碳的6家企業(yè)天然氣消耗(非加熱功能)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果。由表8可知，這些企業(yè)的滲碳熱處理加工量約占總加工量的18%，而用于原料氣和爐門火簾的天然氣消耗占總能耗達3.8%，這是一個不容忽視的耗能點。

表6 診斷企業(yè)淬火油能源消耗

表7 滲碳和碳氮共滲工藝甲醇消耗數(shù)據(jù)

表8 多用爐氣體滲碳和碳氮共滲工藝天然氣(非加熱用)消耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

綜上所述，熱處理工藝材料和非加熱用輔助功能的能耗約達到總能耗的10%，這一點在以往的熱處理工藝和熱處理裝備能耗中都被忽略掉，在以后的熱處理節(jié)能工作中應(yīng)給予重視。

2.4 企業(yè)能源管理體系

在能源管理方面，診斷企業(yè)均建立了能源消費原始記錄和統(tǒng)計臺賬，但在企業(yè)能源管理制度建設(shè)和執(zhí)行方面仍需進一步加強。大部分企業(yè)未設(shè)立明確的能源管理部門；無專業(yè)的能源管理人員；未編制能源管理程序文件，如計量管理制度、統(tǒng)計管理制度、定額管理制度、考核管理制度和對標(biāo)管理制度等；未建立能源計量器具使用和維護檔案；未實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的在線采集和實時監(jiān)測；缺少能耗數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計結(jié)果。此項工作的節(jié)能潛力明顯，需要進一步加強。

3 節(jié)能技術(shù)改造建議

3.1 完善企業(yè)能源管理體系

完善能源管理體系，包括設(shè)立能源管理部門、設(shè)置能源管理崗位、明確工作職責(zé)、聘用有能源相關(guān)專業(yè)背景和節(jié)能實踐經(jīng)驗的管理人員。編制能源管理程序文件，如《企業(yè)能源管理手冊》和《主要用能設(shè)備管理程序》等。編制能源管理制度文件，如計量管理制度、統(tǒng)計管理制度、定額管理制度、考核管理制度和對標(biāo)管理制度等。制定企業(yè)節(jié)能相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如部門、工序和設(shè)備的能耗定額標(biāo)準(zhǔn)等。完善能源計量器具清單，建立能源計量器具使用和維護檔案，實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的在線采集和實時監(jiān)測，及時進行能耗數(shù)據(jù)分析，按時上報統(tǒng)計結(jié)果。加強節(jié)能宣傳教育活動，對能源計量、統(tǒng)計、管理和用能設(shè)備操作人員進行崗位培訓(xùn)等。

3.2 用能設(shè)備升級及運行優(yōu)化控制

可采取以下措施進行用能設(shè)備升級及運行優(yōu)化控制：

1)對能效下降的箱式爐、井式爐和臺車爐的纖維爐襯進行改造；

2)用數(shù)字化控制系統(tǒng)替換老舊的爐溫控制系統(tǒng)(柜)；

3)用數(shù)字化多用爐滲碳淬火生產(chǎn)線替換現(xiàn)用井式爐滲碳生產(chǎn)設(shè)備；

4)用數(shù)字化推盤滲碳淬火生產(chǎn)線替換老型號井式滲碳爐、緩冷坑、二次加熱淬火爐、淬火槽、回火爐生產(chǎn)線；

5)優(yōu)先選用燃氣密封箱式多用爐生產(chǎn)線；

6)用數(shù)字化控制的臺車式燃氣加熱爐替換現(xiàn)用的高耗能電加熱臺車爐；

7)用數(shù)字化精密控制滲氮爐替換現(xiàn)用的老舊型號滲氮爐；

8)用IGBT電源改造老舊的中頻感應(yīng)加熱設(shè)備；

9)用數(shù)字化高頻感應(yīng)加熱淬火和回火生產(chǎn)線替換耗能高的老型號設(shè)備；

10)在加熱設(shè)備上增加余熱回收裝置用于零件清洗和燃氣預(yù)熱；

11)完善熱處理車間煙氣收集和處理系統(tǒng)；

12)用變頻空壓機替換現(xiàn)用的老型號空壓機；

13)淘汰或更換現(xiàn)在使用的Y系列電機；

14)建設(shè)包括能源管理信息化的數(shù)字化熱處理工廠等。

3.3 開發(fā)和使用新能源

對車間屋頂改造，開發(fā)光伏發(fā)電，替代并減少企業(yè)消費的電網(wǎng)電能；在廠區(qū)內(nèi)安裝光伏路燈。

4 節(jié)能潛力分析

通過對15家熱處理企業(yè)的節(jié)能診斷，分析企業(yè)的用能潛力點并提出以上相關(guān)節(jié)能技改建議61項，技改完成后，預(yù)計每年可節(jié)省4800噸標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于現(xiàn)消耗能源的22%，每年可減少二氧化碳排放12000噸。所提建議項目三年內(nèi)需投資16763萬元，萬元投資節(jié)能量0.29 tce/萬元，萬元投資減排CO2量0.72噸/萬元。若按全國熱處理行業(yè)年使用能源1000萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤計算，通過節(jié)能診斷指導(dǎo)企業(yè)節(jié)能技改，熱處理行業(yè)每年可節(jié)省220萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，減少二氧化碳排放550萬噸。

5 致謝

此項工作得到相關(guān)企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)和工作人員的大力協(xié)作，作者謹此一并致以感謝。