淺談燃氣輻射加熱技術在海洋工程裝備建造行業的應用

張亞西，劉 上

(海油工程運營中心，天津 300452)

為落實中央和國家節能減排戰略決策，工信部、科技部、財政部等三部委遴選確定了國家第一批節能減排先進適用技術，其中“船舶及海工涂裝車間燃氣輻射加熱技術”確定為我國船舶海工涂裝生產工藝中一項國家推廣的先進適用技術[1]。該技術于2010年由中船重工集團研發成功，被國家知識產權局授予實用新型專利，并已應用于青島北海船舶重工公司等單位。根據實踐單位的測量數據，與傳統熱風對流加熱方式相比，該技術具有快速升溫縮短余熱時間等技術優點，可提升涂裝生產效率40%～60%，實現節能率約50%。該項技術節能減排、涂裝效率提升和節約成本效果明顯[2-3]。

從節能減排、綠色發展的理念出發，結合海洋工程裝備建造涂裝工藝的特點和要求，經過對該項技術的安全性、可靠性、對人體健康的影響、對涂裝質量影響等方面進行論證，結合該技術實際應用的案例，認為該技術可以應用于海洋工程裝備工件涂裝加熱環節。

1 海工裝備建造涂裝工藝特殊性

海工涂裝車間內的涂裝生產工藝加熱，不同于一般機電生產車間的生產采暖，其特殊性體現在三個方面：1.加熱能力，須把體積45 m×40 m×8 m(長×寬×高)、質量480 t、冬季溫度-20 ℃的冷鋼鐵海工工件加熱到+20 ℃左右，以達到高效優質的涂裝工藝要求；2.加熱方式，須符合國家防火消防安全標準要求并獲得書面批準；3.加熱效率，須在涂裝車間4～12次/h通風換氣的條件下保持高效節能。

任何傳統的熱風對流加熱方式以及一般的燃氣輻射加熱裝置，都不能同時滿足上述三個條件。目前，國家工信部等三部委及國家消防安全標準部門確認批準的、能夠同時滿足海工涂裝車間生產工藝加熱上述三個特殊性條件的，只有涂裝車間燃氣輻射加熱技術。

2 燃氣輻射加熱技術

2.1 燃氣輻射加熱技術原理

自然界熱傳遞的方式只有三種，熱傳導、熱對流、熱輻射。涂裝車間燃氣輻射加熱技術原理是熱輻射理論。輻射是物質保持其原有化學性質基礎上而發生電磁能量釋放，熱輻射是宇宙熱能量傳播的基本方式。熱輻射不是放射，對人體是安全的。電磁波的波長范圍，從幾納米到幾千米，包括：宇宙射線、X 射線、紫外線(波長小于紫光波長0.38 μm以下)、可見光(0.38～0.76 μm)、紅外線(波長大于紅光波長0.76～1 000 μm以上)，以及微波、無線電波(雷達波、視頻波、廣播波)。人類利用不同波長的電磁波效應，實現不同的服務目的，如圖1所示。

圖1 燃氣輻射加熱技術熱輻射波段示意圖

燃氣輻射加熱系統是一種低強度電磁波(波長1～20 μm)輻射加熱系統，將燃氣內含熱能，通過熱能發生、輻射、反射裝置，轉換為輻射熱能；通過熱輻射直接對分段加熱，使分段首先接收熱能之后，通過熱傳導使分段溫度達到均衡，有效滿足分段涂裝工藝的溫度要求；并因其與環境溫度的差異，釋放儲熱量，通過熱對流，使整個涂裝車間環境溫度加熱。其特點是快速升溫、均衡加熱、縮短干燥固化時間、提高涂裝生產效率。可實現節能、減排目的，顯著提高涂裝生產效率。加熱升溫時間為0.5 h。

燃氣輻射加熱技術把一次能源(天然氣、液化氣等)轉換輻射熱能，而且只產生波長為2～20 μm的熱射線(即一種特定波長的電磁波)。這一段波長的熱射線，既能有效地提供熱輻射能，又避免了產生可見光的能源浪費及紫外線傷害，又避免了0.76～2 μm波段高溫引起火災及爆炸的危險性。同時，輻射熱發射源(即輻射管集成)溫度≤400 ℃，物理表觀是輻射管“不發紅”，物理接觸溫度尚不至于“引燃”油漆，消除了安全隱患。

2.2 燃氣輻射加熱技術與傳統熱風加熱方式對比

燃氣輻射加熱技術加熱原理，決定了其應用對于海工涂裝加熱工藝的技術特性，與傳統熱風加熱方式相比，對涂裝工藝具有其獨特的技術優點。

(1)熱量損失少，升溫快。傳統熱風加熱需要7個環節，才能讓工件受熱，而輻射加熱只需要兩個環節，減少傳遞環節熱能損耗，提高加熱升溫速度。

(2)消除涂裝生產微塵污染隱患。燃氣輻射加熱技術傳熱方式是輻射，避免了傳統的熱風加熱而導致的微塵吹拂，從而從加熱工藝的技術上，根本性地避免了海工涂裝加熱可能造成的微塵污染。

(3)避免涂裝橘皮現象。傳統熱風加熱為了提高溫度須加大風流，有時則可能導致海工工件漆面被熱氣流造成吹紋起皺，甚至橘皮。燃氣輻射加熱技術的輻射加熱可避免這種質量隱患。

(4)提高涂裝潤澤感觀。對比熱風吹干的漆膜表面， 燃氣輻射加熱技術加熱傳熱過程中不會產生氣流，可以使海工工件涂裝表面更加明亮、潤澤，提高涂裝表面品質感觀。

(5)加熱效率高。由于熱空氣向上漂、冷空氣向下沉，傳統的熱風對流加熱方式，熱能集中在屋頂，車間下部涂裝作業的工件缺少熱量輸入，且傳熱速率低，影響生產效率。燃氣輻射加熱技術的輻射熱能不加熱空氣，直接把熱能傳遞給工件及地面，當工件和地面受熱后溫度升至高于環境溫度的情況下，再向環境空氣中散發熱量，整個涂裝車間可形成一個上下基本均衡的溫度體系，加熱效率大幅度提升。

2.3 燃氣輻射加熱技術流程

涂裝車間燃氣輻射加熱技術的范圍包括天津海工基地4個涂裝車間加熱、涂漆、指干和室內固化生產過程中的加熱工藝。

涂裝車間燃氣輻射加熱技術加熱系統運行流程如圖2所示。

圖2 系統加熱運行流程

3 燃氣輻射加熱技術實踐案例分析

3.1 青島北海船廠涂裝車間燃氣輻射加熱系統

青島北海船廠是燃氣輻射加熱技術的研發單位之一，于2008年起應用燃氣輻射加熱技術起先后新建、改造了工廠全部14個船舶涂裝車間。經過十多年的平穩運行，證明燃氣輻射加熱技術是安全、可靠的，對人體健康和涂裝質量是沒有負面影響的，其節能減排效果是顯著的(節能率達63.7%)。

3.2 天津海洋工程裝備制造基地項目

在建的天津海工基地采用了燃氣輻射加熱技術，考慮到實際工藝要求，其采用了“燃氣輻射加熱系統+燃氣熱風加熱系統”方式，預計其節能減排效果和經濟效益明顯。

1)節能減排效果分析

天津海工基地共計4間噴漆間，尺寸分別為46 m×48 m二間，凈空高度13.0 m；39 m×48 m二間，凈空高度10.0 m。假設室外溫度-9 ℃，涂裝需要溫度約20 ℃，冬季按120天計算。

(1)“燃氣輻射加熱系統+燃氣熱風加熱系統”方案，計算考慮分段加熱0.5 h(燃氣輻射加熱系統)，噴漆4 h(燃氣熱風加熱系統)，固化11 h(燃氣輻射加熱系統)。經計算，0.5 h加熱(燃氣輻射加熱系統)燃氣耗量約為355 m3，4 h噴漆作業(燃氣熱風加熱系統)燃氣耗量約為1 657 m3，11 h固化作業(燃氣輻射加熱系統)燃氣耗量約為1 420 m3，總計每天燃氣耗量約為3 432 m3，則年耗量約3 432×120=411 840 m3。

(2)只采用燃氣熱風加熱方案，計算考慮分段加熱2 h，噴漆、固化14 h。經計算，2 h加熱燃氣耗量約為1 396 m3，14 h噴漆、固化燃氣耗量約為5 863 m3,總計每天燃氣耗量約為7 259 m3，則年耗量約7 259×120=871 080 m3。

綜上所述：相比傳統熱風對流加熱方案，“燃氣輻射加熱系統+燃氣熱風加熱系統”方案，理論上比采用燃氣熱風加熱方案年節省燃氣871 080-411 840=459 240 m3，節能率為53%，減排CO21 450 t。

2)經濟效益分析

按照上述節能預測，按天津工業天然氣3.25元/m3計算，可節約企業生產成本149.3萬元/年?！叭細廨椛浼訜嵯到y+燃氣熱風加熱系統”方案中燃氣輻射加熱系統投資為950萬。經計算，則燃氣輻射加熱系統投資回收期約為6.4年。

4 結 論

綠色發展是國家“十三五”五大發展理念之一，節能增效是企業降低成本、提高核心競爭力的有效手段。天津海工基地采用國家遴選推廣的涂裝車間燃氣輻射加熱技術，即可以為企業節約生產成本，又可以取得明顯的減排效果，降低和控制空氣污染。天津海工基地應用該技術具有顯著的企業效益和的社會效益。