車架涂裝線前處理加熱系統改造

侯建永， 吳永福， 于在洋

（北汽黑豹（威海）汽車有限公司，山東 威海 264400）

1 車架涂裝線前處理加熱系統現狀

1.1 車架涂裝線前處理工藝現狀

產品類型：1027、1030、1035系列車型車架及部分零部件；工序內容：預清理、上線轉掛、預脫脂、脫脂、水噴淋、表調、磷化、水噴淋、水浸洗、瀝水;生產方式：自動流水線生產；操作方式：手工輔助；總生產節拍：約420 s/組（105 s/臺）；設備運轉率＞90；年工作日：251～303 d（視產量大小調節）；每班工作時間：8 h（其中準結時間按5計）；預脫脂液溫度：（35±5）℃；脫脂液溫度：（55±5）℃；磷化液溫度：（30±5）℃；各槽容裝量：1架；各種槽子大小：7870 mm×1700 mm×2000 mm。

1.2 車架涂裝線前處理加熱系統現狀

工廠動力車間設有高壓燃煤鍋爐，高壓燃煤鍋爐通過管道向車架涂裝線提供高壓蒸汽，高壓蒸汽通過三個換熱裝置分別提供（80±5）℃、（55±5）℃、（60±5）℃三種溫度的熱水。（80±5）℃熱水循環為脫脂槽加熱；（60±5）℃熱水循環為預脫脂槽加熱；（55±5）℃熱水為磷化槽進行加熱。各套換熱裝置、循環加熱裝置的溫度單獨控制，相互沒有聯系。

1.3 車架涂裝線前處理加熱系統存在的問題

根據市場需求變化，工廠生產方式由批量連續式生產改為小批量定單式生產。燃煤鍋爐點火升溫時間長，系統熱量損失多，不適合頻繁點火，不適合間歇式生產。高壓燃煤鍋爐環保及安檢方面的要求越來越嚴，維護保養費用越來越高。各種換熱裝置及管路獨立，散熱面積太多，整體熱效率低。

2 車架涂裝線前處理加熱系統改造設計方案

2.1 鍋爐選擇

根據環保局《燃煤鍋爐拆除或改造限期治理通知書》的要求，于2015年底前需使用集中供熱或者改用天然氣、電等清潔能源，拆除燃煤設施。目前環保鍋爐有天然氣鍋爐、生物質鍋爐、電鍋爐、現將這三種鍋爐價格及運行費用等比較如下（為計算方便鍋爐按6 t計算）。

2.1.1 新購天然氣鍋爐、生物質鍋爐、電鍋爐的詢價

1）新購置生物質鍋爐預算費用在50萬元左右（需新增3名鍋爐工）。需新建一倉庫（按存儲5 d量計算，需100 m2的車間），費用在6萬元左右。

2）新購置天然氣鍋爐預算費用在60萬元左右。天然氣管道鋪設預算費用在17萬元左右。

3）新購置電鍋爐預算費用在50萬元左右。需新增2臺2500 kVA變壓器，預算費用在35萬元左右（不含配電盤等）。

2.1.2 后續運行成本

計算依據：煤的熱值為20 900 kJ/kg，鍋爐理論熱效率為80；生物質燃料的熱值為15 466 kJ/kg，鍋爐理論效率為80；天然氣的熱值為35 530 kJ，鍋爐理論效率為90，6 t鍋爐功率4000 kW，按75的負荷計算。

1）天然氣鍋爐運行成本包含天然氣消耗費用、電費。a.天然氣消耗費用：6 t天然氣鍋爐1 h消耗天然氣470 m3。天然氣價格為4.625元/m3。消耗費用為2173元/h。每年按620 h計算，消耗費用為134.7萬元/a。b.電費：補水泵及控制系統10 kW左右，按每年620 h計算，消耗費用為0.8萬元/a。合計費用為135.6萬元/a。

2）生物質鍋爐運行成本包含生物質燃料費用、電費、人工費、運輸費用、卸車費用。a.生物質燃料費用：6 t生物質燃料蒸汽鍋爐生物質消耗為1216 kg/h，生物質燃料價格為1120元/t（生物質燃料價格根據質量等波動較大）。消耗費用：1362 元/h。每年按620 h計算，消耗費用為84.5萬元/a。b.電費：引風機功率30 kW、除渣機功率1.1 kW、鼓風機功率7.5 kW、上料電動機2.2 kW，水泵7.5 kW共計48.3 kW，電費62.79元/h。每年按620 h計算，消耗費用為3.9萬元/a。c.人工費（5人）：費用為16.5 萬元/a。d.運輸費用按每年消耗690 t計算，13 m高欄運送，運輸車次為22車，按300 km計算，每車3000 元，總價格為22×3000=6.6萬元/a。e.卸車費用：僅來車卸車費用，按每年690 t計算，18元/t，費用為1.2萬元/a。合計總費用為112.7萬元/a。

3）6 t電鍋爐運行成本：1 h耗電3000 kW·h，電費按1.3 元/kW·h。費用為3900 元/h。每年按620 h計算，總費用為241.8萬元/a。

根據以上數據可以得出，在安裝及運行成本方面，生物質鍋爐成本最低，天然氣鍋爐成本適中，電鍋爐成本最高。

2.1.3 生物質、天然氣、電鍋爐優劣勢分析

1）天然氣鍋爐。優勢：清潔環保，鍋爐占地小，故障率低，可顯著改善生產現場環境。天然氣鍋爐點火升溫快、熄火迅速，既能滿足批量連續生產又能滿足定單式生產。劣勢：由于天然氣在環保方面的優勢及其在能源方面所占比重的日益擴大，價格以后有可能會繼續增加。

2）生物質鍋爐。優勢：符合國家可再生能源政策及減排政策。劣勢：a.目前國內大多數生物質燃料廠的規模有限，年產量都在1~2萬t/a左右，無法滿足鍋爐用量的需求；b.生物質燃料對儲存場地要求大（每天需儲存6 t左右的生物質燃料），防火等級要求高；c.鍋爐本體結構、司爐操作、煙氣處理等方面技術仍不成熟。煙氣處理需消耗大量水電資源，處理不當則PM 2.5的排放將極大地影響空氣環境。這也是珠三角地區在大面積推廣生物質燃料幾年后又全部要求改為天然氣鍋爐的原因之一；d.生物質鍋爐低溫結渣、積灰導致運行效率低下的問題世界范圍內尚無較好辦法解決，中小型工業鍋爐基本只能靠人工定期清理；e.生物質鍋爐點火升溫時間長，不適合頻繁點火，不適合間歇式生產。

3）電鍋爐。由于成本最高，且危險性相比其他兩種也比較高，故不考慮使用電鍋爐。

綜合考慮以上情況，最終選擇天然氣鍋爐作為前處理系統的加熱設備。慮提溫過程中的熱量損失（損失按15計），7969202/（1-15）＝9375531 kJ,需用總熱量為9 375 531 kJ；2 t熱水鍋爐每1 h提供5 016 000 kJ熱量，如選用2 t熱水鍋爐需用時間為937553/5016000＝1.87 h。通過計算2 t熱水鍋爐滿足工藝要求。

表1 各槽液達到工藝溫度需用熱量

2.3 換熱系統設計

換熱系統的設計要求：在能控制各槽液溫度達到工

圖2 加熱系統方案一

2.2 鍋爐型號及參數確定

正常生產的情況下，鍋爐提供的熱量主要包括：生產線啟動前各槽液達到工藝溫度需用的熱量；整個加熱系統損失的熱量；產品帶走的熱量。這三種熱量消耗中第一種用量是最多的，確定鍋爐參數可按生產線升溫需用熱量進行。公司所在地冬天車間溫度最低為零上10℃，要求整條生產線不超2 h達到工藝溫度。根據車間條件及生產線槽液參數計算各槽液達到工藝溫度需用熱量如表1所示。

根據表1得出生產線提溫需用熱量7 969 202 kJ；考藝溫度的前提下盡量縮短供熱距離，減少換熱損失。

圖3 加熱系統方案二

各槽液換熱工藝要求：預脫脂液工藝溫度范圍（30～40）℃，脫脂液工藝溫度范圍（50～60）℃，換熱介質溫度不能超85℃，脫脂液超過85℃成份會發生變化；磷化液工藝溫度（25～35）℃，換熱介質溫度不能超過70℃，磷化液超過70℃會產生太多的廢渣。

根據以上工藝要求設計車間平面布置圖及兩套加熱系統方案圖，分別如圖1~圖3所示。

2.4 加熱方案說明

方案一說明：（80～85）℃的常壓熱水通過熱水泵從鍋爐出來后進入分水包，分水包熱水分成三部分，分別進入A、B、C三個換熱器為槽液加溫，三個換熱器為并聯，各個槽液的溫度由各自的電動三通調節閥控制。從換熱器出來的熱水匯到回水包后回到鍋爐，完成工作循環。

方案二說明：（80～85）℃常壓熱水通過熱水泵從鍋爐出來后進入A槽換熱器，從A槽換熱器出來的熱水直接進入B槽換熱器，從B槽換熱器出來的熱水返回鍋爐，完成一個循環，A槽液溫度由鍋爐熱水溫度控制，B槽液的溫度由電動三通調節閥控制；熱水泵從A槽吸入（50～60）℃槽液進入C槽換熱器，C槽液的溫度由C槽的電動三通調節閥控制，從C槽換熱器出來的槽液又回到A槽，完成另一個循環。

2.5 換熱方案對比

結合車間平面圖對以上兩種方案進行分析對比。根據涂裝工藝規程要求，脫脂槽與預脫脂槽相鄰，磷化槽與脫脂槽相距約20 m。脫脂槽液要求（50～60）℃，預脫脂槽液要求（30～40）℃，磷化槽液要求（25～35）℃。考慮脫脂槽需用熱量最多，把鍋爐布置在脫脂槽附近。方案一與方案二都能夠滿足工藝要求，只是方案一的熱量損失比方案二更多：方案一中，三個換熱器并聯，鍋爐進出需配分回水包，各種相關的管路與閥體較多，系統的散熱面積大；三個槽液全部用（80～85）℃高溫熱水加熱，系統高溫管路多，散熱溫差大。方案二中脫脂槽與預脫脂槽串聯，（80～85）℃高溫熱水先進入溫度要求高的脫脂槽，從脫脂槽出來的熱水大約60℃再直接進入溫度要求較低的預脫脂槽。鍋爐、脫脂槽、預脫脂槽相鄰，整個加熱系統簡單、緊湊。磷化槽的加熱采用（50～60）℃的脫脂液做為介質，使用單獨的熱水泵循環。磷化槽與鍋爐及脫脂槽相距較遠，由于使用脫脂液做為加熱介質使整個系統的溫度較低，散熱溫差較小。另外磷化工序使用低溫磷化液（25～35）℃，夏天磷化槽加熱系統不用工作。通過以上分析對比，最終選擇方案二作為前處理系統加熱方式的改造方案。

3 使用情況

車架涂裝線前處理加熱系統改造已使用接近1 a時間，效果良好，冬天整條生產線提溫時間不超過2 h，連續生產時，第二天生產線提溫時間不用1 h。夏天整條生產線提溫時間不超30 min，并且夏天車間溫度比改造前明顯降低，1 a中接近0.5 a不用運行磷化槽加熱循環。前處理加熱系統溫度自動控制，鍋爐最高水溫85℃，升溫時，循環水為85℃，當脫脂槽溫度達到60℃時，溫控系統自動調節鍋爐燃燒機天然氣供給量，達到控制水溫的目的。預脫脂槽與磷化槽溫度分別由各自的電動三通調節閥控制。

4 結論

車架涂裝線前處理加熱系統改造后，解決了原系統生產機動性差、燃煤鍋爐達不到環保法規要求、加熱系統復雜、熱損耗多等各種問題。升級改造后的新系統使生產線適合市場小批量訂單式生產的要求；使生產環境達到環保要求；使整個加熱系統簡單、緊湊、高效。