想涂裝工場燃氣輻射加熱系統研究與應用

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

關鍵詞：造船及海工 涂裝 輻射加熱系統 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），要歷經燃料燃燒傳熱、熱交換等多個環節，有各環節的效率損失、散熱損失（鍋爐、供熱管、用熱設備）、余熱損失（煙氣排放、蒸汽凝結）、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“汽暖改水暖”、實行“集中供熱”到鍋爐設備的節能技術取得重要成果，但終究還是離不開鍋爐。

對流換熱仍是國內普遍的傳熱方式，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。

國內外船舶制造企業的涂裝工場，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，油漆固化成為船舶建造的瓶頸環節，不得不用增加鍋爐容量和增加噴漆間數量的方式解決，因此而造成能耗增加、建設投資增大。

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

1 總體思路

本項目課題屬供、用熱工程專業范疇，以改變企業能源結構，轉變傳統的供、用熱方式，實現節能、減排為目標進行研究、攻關并實現創新和突破。本項目技術已申請專利，并獲國家知識產權局頒發的實用新型專利證書，專利號：ZL 2009 2 027 9068.2，本項技術為國內首創。此前，船舶企業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多，造成67%的熱量白白浪費，所以改變傳統的供熱方式和對流換熱的加熱方式勢在必行。而且幾年來，大型船廠和海工基地的建設風起云涌，實現新建的、原有的同類企業涂裝工場供、用熱方式改變意義重大。據目前了解，國外船廠的涂裝工場也沒有采用輻射加熱的先例。

探索并實現在船舶企業取代普遍的、傳統的鍋爐供熱，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）產生低強度電磁輻射加熱“分段”是一項新的加熱技術；引進RG公司先進的CRV輻射裝置，并針對船廠涂裝間的特點，設計、配置、形成了新的CRV輻射加熱系統為首次用于船舶企業涂裝工場的新產品；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、提高效率的關鍵所在。

（2）盡管在噴漆階段，由于換風次數多、室內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換風，完全避免了因換風而發生的熱量損失，比在噴漆過程加熱有更好的節能效果，又滿足了產品制造國的規范要求。

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”自身的導熱實現溫度的升高，這樣由于受熱方式的差異而產生在分段上面板→中間構件（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過程和立體分段構造的原因，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）室內溫度分層：室內空氣不直接接受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，一般不會產生油漆附著而影響輻射效果，但仍要防止噴漆作業時的違章操作，另在冬季作業完成后，應對CRV輻射裝置加裝護罩。

2.4 輻射加熱系統的優化設計

（1）相關參數的選擇：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，經現場檢測，輻射距離與溫度的變化關系為1 ℃/m由于輻射管與發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件的安全距離控制在≥0.5 m。

（2）關于CRV系統的優化配置：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，新風管分組設置；③充分發揮每組輻射管的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，進風管進口在室外，出風口與發生器連接并做到密封，以保證CRV加熱系統封閉運行，并與噴漆間室內空氣隔絕；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）、青島北船管業涂裝工場工程實例及北船重工涂裝工場（二期）設計方案的基礎上，結合涂裝工場的布置形式和不同的空間尺寸、不同地區的氣候差異，編制完成了“標準技術規程”。

2.5 涂裝工場控制系統的綜合設計

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

（2）噴漆間生產過程的全程控制與安全報警及控制措施。

（3）CRV輻射加熱系統的自動控制與集中控制系統的結合和聯動。

2.6 安全保障措施監測與CRV輻射加熱的效能測試

（1）安全保障措施監測：十項安全保障措施的落實是保證系統安全運行的前提，系統安裝、調試完成，應首先對十項安全保障措施進行逐項檢查、測試的驗收。包括檢查并確認發生器內的“零壓調節閥”、系統的“全封閉、無明火”狀態、“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、“動態保護”功能、“延時排空”功能、“應急切斷”功能、“聯動報警”與“交叉互鎖”功能的完好及有效性；另外，對噴漆、固化階段噴漆間內二甲苯氣體的空間分布狀態進行濃度檢測，以確認作業環境的安全性。

（2）效能測試：CRV系統進行效能檢測包括：被加熱體的溫度效果、油漆固化的效率變化以及節能效果測試。①溫度測試：包括預熱階段室內溫度場及被預熱分段的溫度場、油漆固化階段室內及被加熱分段溫度場的變化；室內環境測溫點按高度、平面位置（包括墻壁、地面）設置，被加熱分段按上表面、中部構件、下底面分層并兼顧平面位置設置；測溫需定時進行，以觀測溫度場的動態變化，結合時間效果與質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，另需按月、按每采暖期統計燃氣耗量及相應的分段數量、尺寸、重量，以計算能耗和節能效果。

3 實施效果

3.1 測試數據分析

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計5 h內的溫度值，結果如下：

（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個測溫點數據分析，結果如下：

（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，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）分段與室內環境（空氣）的溫度梯度：

通過2010年1月25日至26日的專項測試，經空氣測溫點與鄰近分段測溫點的比較，結果如下：

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，室內空氣溫度比分段溫度低，換風出口溫度又比室內空氣溫度低，故因換風而帶走的熱量少、節能效果好。

（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#分段數據計算，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系密切，實際生產過程中，當需要縮短固化時間時可適當調整加熱控制溫度；當對時間要求不高時，可調低加熱溫度以減少耗氣量。

3.1.7節能減排效果

（1）節能效果計算：

①輻射加熱燃氣平均單耗：

天然氣折標煤系數為1.214，故折標煤單耗：44.07 kg標煤/h。

②傳統蒸汽加熱單耗計算：

“三噴六涂”蒸汽單耗：九院設計值：12.75 T/h、611設計值：10.2 T/h（另耗電396 km/h），取611所設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”年節約標準煤：（121.5-44.07）×16×120×6=892T。

全廠“涂裝工場”年節約標準煤：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 經濟效益測算

（1）初始投資節約：

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

（2）涂裝工場供熱成本節約：

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；年節約成本費用：390.03萬元/年，成本降低率50.8%。

（3）生產效率：

由于加熱快、溫度高，油漆固化時間縮短，涂裝生產效率明顯提高。

4 節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業涂裝工場的燃氣輻射加熱系統并應用成功，且獲國家專利，實現了以輻射加熱方式替代傳統的鍋爐供熱和對流換熱方式，取得了節能減排的新突破，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，實現了柔強輻射加熱系統在涂裝工場等防爆場所首次應用成功。

（3）結合船舶涂裝場所的環境特點，在柔強輻射加熱系統中增加了噴涂與加熱運行互鎖、室外新風封閉供給及循環系統安全保護裝置等控制措施，提高了系統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，提出了相關柔強輻射燃氣輻射加熱系統企業技術標準。

5 結語

涂裝工場成功應用CRV柔強輻射技術是一次傳統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能減排事業的一項重要突破，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，將會產生可觀的社會效益和節能減排效果。

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

（2）其他行業同類工程亦可借鑒采用、擴大節能減排效果。

（3）為實現在工廠取代鍋爐供熱解決了關鍵問題，結合利用余熱、海水的熱泵技術，可在部分地區實現無鍋爐供熱，對改變能源結構、改變環境產生重要作用。

參考文獻

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