汽車輪胎生產過程節能優化方案設計

趙斌

(同濟大學汽車學院，上海 200092）

2014 年，全球輪胎銷售額為1,799 億美元，2005 ～2010年新興國家輪胎市場增速為6.17%。在我國作為新興國家，隨著汽車制造業發展，輪胎市場的增速遠高于世界平均水平。

輪胎生產屬于典型的能源消耗型加工工業，從其生產能耗構成，蒸汽鍋爐設備燃料消耗占企業總能耗的70%。電力占30%。輪胎制造行業中，大量使用蒸汽，蒸汽來源可以是輪胎企業的鍋爐設備或熱電廠輸出的過熱蒸汽通過減溫器輸出到生產線，蒸汽在其二次能源轉換過程的損耗大致在50%，而輪胎本身的制造過程中還有損耗，最終的能源利用率在30%左右。

本文分析了某輪胎廠制造過程中的蒸汽系統的節能點，分別從鍋爐房的運行、冷凝水與閃蒸蒸汽的回收系統以及用汽設備優化三個方面做了詳盡的分析，評估了相應的節能潛力、安全性和環境效益等，并在此基礎上提出了合理的改進建議和解決方案。

1 現場提供參數

1.1 蒸汽參數

輪胎制造廠使用蒸汽設備，蒸汽參數如下表1。

表1 蒸汽參數列表

2 鍋爐房節能方案

2.1 鍋爐房現狀

整套鍋爐房系統運行穩定，天然氣耗量與產蒸汽量比值已達到1:13 以上，鍋爐房運行在較高水平。鍋爐補水使用的是RO 水，這樣鍋爐補充水質保持在較高水平，可以降低鍋爐加藥量與連續排污量。

每臺鍋爐出口都配備有流量計，并且每4 臺鍋爐出口又配備一個總流量計。這樣的配置方式可以校核流量計是否精準。每條輸送至車間的蒸汽主管上也配置有流量計。計量系統非常完善。

貫流式鍋爐，每臺鍋爐自帶連續排污功能。

2.2 問題分析及優化方案

記錄標準規定了電氣傳導率應在650mS/m 以下，但每臺鍋爐實際運行時鍋爐的電氣傳導率只有幾十或者一百多，遠低于標準。這樣雖然不會影響鍋爐的正常運行，但是鍋爐排污率太大，浪費能源。

鍋爐的排污率可以用公式1 進行計算：

排污率=排污量/蒸發量 （1）

按照規定要求，電氣傳導率不得高于650mS/m，那么鍋爐排污率可控制在0.3%。保守起見，把鍋爐排污率控制在0.5%。當前的蒸發量為148500t/年，見表2。

表2 調整排污率節能量表

由此，每年的排污量減小5,197t，排污費用減少30.3萬元，減少CO2排放量314t/年。

3 硫化車間節能方案

3.1 硫化車間現狀

鍋爐房分汽缸由20bar 減壓至10bar 供給硫化機外溫使用，蒸汽流量約為8.6t/h；鍋爐房分汽缸由20bar 減壓至13bar 供給硫化機內溫使用，蒸汽流量約為2.4t/h；外溫蒸汽產生冷凝水進入冷凝水罐暫存，冷凝水暫存期間給洗澡水加熱，最終回收至鍋爐房除氧器；內溫冷凝水會混有橡膠或其他氣體，不易回收，大部分回收的閃蒸汽在除氧器排放掉，造成了大量浪費。

3.2 問題分析及優化方案

閃蒸汽與蒸汽含有熱量一樣多，如任其由除氧器直接排向大氣，不但浪費大量熱量，還影響工廠整體環境。硫化機內溫蒸汽使用量較少，且里面混有其他氣體，不易回收。硫化機外溫所產生冷凝水較多，壓力高，所有產生的冷凝水與閃蒸汽回收至鍋爐房除氧器。但是鍋爐房的冷源有限，消耗不完的閃蒸汽排放。

如果這些蒸汽能夠被回收利用，將可以降低生產成本。利用引射裝置回收直排的閃蒸汽，用于現有蒸汽系統的加熱。優化方案如圖1 所示。

圖1 硫化車間外溫冷凝水回收系統優化方案

優化方案原理：增加一套閃蒸罐及疏水閥組，車間冷凝水全部回收至閃蒸罐；

冷凝水通過疏水閥排到增加的閃蒸灌，閃蒸罐設定運行壓力約3bar；

去掉鍋爐房的減壓裝置，以20bar 主管蒸汽為動力蒸汽，通過二級引射將3bar 的閃蒸蒸汽引射至10bar，供給硫化機外溫使用。

閃蒸罐排放的冷凝水，仍有低壓閃蒸汽產生，這部分閃蒸蒸汽可以用于鍋爐水的預熱。

3.3 方案特點、可行性分析&風險評估

根據現場情況，分析如下：

（1）該方案可回收絕大部分閃蒸汽，大大降低了蒸汽系統能耗，基本消除了排空口處的冒汽現象。

（2）系統回收閃蒸汽后，大約占總供氣量的90%，對現有系統基本沒有影響，也不會導致系統超壓，工廠原有減壓閥作為整套系統的旁通，如果系統發生故障，可以立即啟動旁通，確保生產安全正常的運行。

按以上的節能方案，硫化車間節能匯總如下表3。

表3 硫化車間節能表

根據系統回收能源后，大約1 年可以實現設備投資的回收。設備投資與回收匯總如表4。

表4 設備投資與回收表

4 壓延車間和密煉車間節能方案

疏水閥作為影響蒸汽系統效率的關鍵節點，保證疏水閥工作狀態的完好是蒸汽系統節能的重要手段。壓延車間和密煉車間使用較多蒸汽輸水閥，因此，通過優化蒸汽輸水閥來達到節能目的。

4.1 輸水閥現狀

使用疏水閥的設備有壓延機、干燥滾，使用的是熱動力疏水閥用于換熱器的排水。現場經常會發生設備加熱慢的情況。這種情下，只能打開疏水閥旁通提高設備的加熱速度，從而造成能源浪費。

4.2 問題分析及優化方案

（1）熱動力疏水閥沒有排空氣功能，在設備啟動階段冷凝水中可能混有空氣，無法排水，導致設備加熱慢。

（2）換熱器負荷變化會引起冷凝水量的變化，但是熱動力疏水閥的排水量無法變化，影響設備的正常運行。

熱動力疏水閥工作原理是由于二次蒸汽的作用工作，間斷排放冷凝水，只能適用于小負荷的應用，如管道疏水。

其結構和工作原理如圖2。

圖2 熱動力疏水閥原理圖

熱動力疏水閥唯一的活動部件是位于控制室內平面上的一個碟片。

在啟動階段，由于壓力的左右，碟片被頂起，冷凝水和空氣越過內側閥座經碟片下部從外圍出口的小孔排出。

高溫冷凝水經過入口，進入閥腔碟片的下部后壓力下降，產生閃蒸蒸汽并以高速流動。由于速度升高，所以碟片下壓力降低，把碟片拉向閥座。

同時，一部分閃蒸蒸汽進入碟片上面的腔體內，產生的壓力克服冷凝水向上的壓力把碟片關閉。

最后，當碟片上方的閃蒸蒸汽冷凝后，碟片被冷凝水頂開，如此重復循環。

閃蒸汽的冷凝，可以控制熱動力疏水閥碟片上下浮動，但是空氣無法冷凝，所以熱動力疏水閥無法排放空氣。

對于換熱器的應用，優化方案是將熱動力疏水閥替換為浮球疏水閥，如圖3 所示。它工作時連續排放冷凝水，并可根據冷凝水量的大小，浮球上下浮動自動調節閥門開度與負荷相匹配，冷凝水一旦產生便可迅速被排出設備。其閥門處于水封以下，蒸汽不會泄漏。內部配備自動排氣閥，冷態時處于常開，能快速排出設備內的空氣和冷態冷凝水。生產線疏水閥數量一共267 臺。

根據系統回收能源后，大約1.6個月可以實現設備投資的回收。通過優化，提高換熱器加熱速度，避免開啟疏水閥旁通，減少泄漏量。同時，也提高了換熱工藝的穩定性。

圖3 浮球疏水閥

5 結語

（1）鍋爐房節能方案。通過鍋爐房電導率的檢測，重新調整鍋爐排污率，優化了鍋爐的運行情況。將排污率由原4%降至0.5%。

（2）硫化車間節能方案。設計一套閃蒸罐及疏水閥組，車間冷凝水全部回收至閃蒸罐，而后利用引射裝置回收直排的閃蒸汽，用于現有蒸汽系統的加熱。通過優化，回收絕大部分閃蒸蒸汽，降低蒸汽系統能耗，并消除排空氣口的冒汽現象。

（3）壓延車間和密煉車間的節能方案：壓延機、干燥滾上的疏水閥改進為浮球疏水閥，增加了系統的排氣功能，根據換熱負荷變化，冷凝水排放能力增加，避免了開放旁通導致的蒸汽損失，同時降低了蒸汽的泄漏率，在節約能源的同時，也提高了工藝的穩定性。