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涂装车间中高温烟气余热回用技术的应用分析

2020-05-22 222 上传者：管理员

摘要：烘炉是涂装车间的主要设备之一，它的工作过程中涉及气体燃烧，燃烧需要废烟气排放，烘炉最终的排烟温度较高，一般在200～250℃，直接排放，造成了能源的浪费，同时，对环境也有不好的影响。而采用余热回用技术，可以回收烟气余热，实现较好的经济效益和环保效益。

关键词：
余热回用器
安全设计
气-水式
烘炉排烟
热管
节能效果
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上汽通用五菱青岛分公司涂装车间B线烘炉采用TCU焚烧炉+独立燃烧器方式供热，采用3C1B工艺，主要烘干炉包括电泳烘炉和面漆烘炉，分别用于整车电泳后与面漆后烘烤，它们的排烟温度在200～250℃，主要成分为二氧化碳和水，两个烘炉设计标况排放量为32000Nm³/h，烟气热量具有非常高的回收价值。青岛涂装车间B线工艺空调的温湿度调控采用热水加热新风方式，热水由厂区减温减压站统一供应，春秋季尤其冬季需要大量热水对外界新风进行升温，夏季因为需要调湿，仍然对热水有一定需求，且空调区域距离烘炉排烟位置较近，适合进行余热回收利用。项目总体思路是把电泳和面漆烘炉的高温排烟，通过余热回用器设备进行热量回收，然后，把回收的热量用于空调温湿度调控需求。2018年经过系列筹措，公司在10月启动了青岛分公司涂装车间B线烘炉烟气余热回收利用项目。

1、余热回用器

1.1 余热回用器类型选择

高温烟气可以采用气-气换热和气-水换热两种方式进行回收，对于本案，气-气换热可以通过厂房屋顶，直接把废气引入空调采风口；气-水换热可以通过布局热水管道，把余热引入空调回水系统。对两种换热方式进行比较，见表1。最终选择气-水换热方式的热管式余热回用器，并且加热的是涂装B线空调的工艺回水，这样做的好处有两个：一是加热回水，不影响工艺控制和关键参数，二是工艺回水被加热后，统一回到换热站的工艺回水集水器，换热站再根据回水温度自动控制供水温度，供水可以供给到全车间用热点。

1.2 热管式余热回用器工作原理及优点

余热回用器的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成1.3×（10-1～10-4)Pa的负压后，充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后进行密封。管的一端为蒸发段（加热段），另一端为冷凝段（冷却段），根据应用需要在两段中间可布置绝热段。

表1 气-气换热与气-水换热比较

热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件，具有超常的热活性和热敏感性，遇热而吸，遇冷而放。热管工作原理图示，见图1，在蒸发段，工作液体被高温烟气加热后，吸热由液态变为气态，离开吸热芯，然后，进入热管管壳。在冷凝段，低温循环水经过热管外侧，工作液体放热，由气态变为液态，进入吸热芯，然后，在自身重力作用下，回到蒸发段，周而复始。热管余热回用器安全可靠性高；传热效率高，节能效果显著；具有良好的防腐蚀能力；安装及结构布置灵活；使用寿命长；投资回收期短。

图1 热管工作原理示意图

1.3 热管余热回用器主要工作参数

根据实际工况选择合适的余热回用器，本案回用器具体数据见表2。

表2 上汽通用五菱青岛涂装B线烘炉余热回用器主要工作参数

图2 余热系统烟气流程图

图3 余热系统循环水流程图

3、节能效果

该项目于2019年9月完工，经过一系列调试完善后，运行效果良好。根据运行参数，计算理论节能热量：Q=C×M×△T=1.003kJ/(kg·℃)×32000Nm3/h×1.29kg/m3×100℃=4140384kJ/h≈4.14吉焦/h，理论每小时节能约为1.48吨蒸汽。年节约金额换算：

C=4.14吉焦/h×83.9元/吉焦×24h/天×25天/月×12月≈250万元。从节能数据上来看，节能效益是非常显著的，并且一年内就可以收回投资成本。

就实际运行来看，在春夏秋季节，涂装B线烘炉余热回用器完全可以满足现场工艺用热需求，包括B线底漆，B线空调，C线空调等区域，并且在夏季，因为现场需求小，循环水频繁达到高温报警温度，余热回用器有1/3的时间会出现高温烟气直排。

4、关键技术点

4.1 换热后排烟温度控制

换热后，烟气排烟温度不能低于100℃。如果换热后温度偏低，达到露点温度，就会冷凝成油，在此过程中会产生硫酸，对换热器有强烈腐蚀作用；且冷凝成的积油附着在换热器上，会严重降低换热效率，并且很难清洗；冷凝油属于易燃物，存在较大安全隐患，很多换热器出现的燃烧事故都与此有关。排烟温度与水泵的频率采用PID控制的方法，我们设置排烟温度为120℃，排烟温度高了，水泵会升频，循环水吸收更多的热量，排烟温度降低；反之，水泵降频，排烟温度升高。当然，最关键的还是在设计阶段根据排烟量、温度等条件，选择合适的换热器。

4.2 风机入口压力控制

风机入口的风道压力由新增引风机的变频器通过PID指令控制，本项目设为-100Pa，如果太低，抽力过大，会影响烘炉的风平衡，造成能源浪费；太高了，不能克服余热回用器的阻力，堵塞烘炉排烟，影响烘炉正常运行。

5、安全设计

余热回用设备涉及到高温烟气，高温热水，必须在设计中采取安全措施，防止出现极端情况，例如，循环水被长时间过度加热超过100℃，出现高温气化或者在循环水停止的情况下，换热器仍然长时间地通入高温烟气，而导致设备火灾隐患等。

5.1 意外断电保护

电泳及面漆烟囱出口的气动三通联动风阀，它们的控制压缩空气的220V电磁阀电源采用继电器常开点控制，一旦系统意外断电，烘炉排烟烟囱会立即直排，停止向余热回用器供气。

5.2 压缩空气意外停止保护

停止供气后，风阀开或关到位信号丢失，会立即进行报警停机。循环水系统的两台水泵设置为交替运行，24小时运行，全年不停，应对类似极端情况。本项目没有使用自复位气缸，如果采用该气缸，在意外断电和停气后，气缸都会立即在弹簧力的作用下自动关闭，这是最安全的设计。

5.3 关键安全联锁

把余热回用系统处于安全状态的联锁信号，采用硬线分别与电泳和面漆烘炉MCP柜相连，并连入程序中燃烧器及废气风机运行条件中，采用继电器的常开点。启动时，如果余热回用系统控制柜处于断电状态，关键联锁信号断开，两个烘炉都不能启动。运行中，一旦水泵出现停止，但是，风阀没有直排到位信号反馈，这时，联锁条件不成立，对应的烘炉立即停机及熄火，并报警提示。

5.4 高温保护逻辑

出水温度超过90℃时，面漆烟囱直排，继续高温92℃，电泳烟囱直排，系统待机；继续超温95℃以上，报警停机。减温减压站对进水温度进行相关监控，严重高温时，会补水降温。

6、日常维护

余热回用器本体基本不用维护，不过回用器都具备手动清洗功能，一般使用一年后，利用循环水管道反清洗回用器内部的风道，去除积尘以及部分冷凝物质，提升设备的换热效率。冬季长时间假期，如果需要停止循环泵，必须把循环水排空，防止换热器内部水路结冰涨裂。本案余热回用器的附属阀门、传感器、电磁阀、风机及动力控制线缆等都位于室外，室外环境比较恶劣，首先，在选型上要选择IP65等防护等级高的产品。另外，需要定期点检巡查。

王磊,李梁.高温烟气余热回用技术在涂装车间的应用[J].中国设备工程,2020(10):181-183.