應(yīng)用于汽車涂裝前處理工藝中廢熱回收技術(shù)

王定平，劉敦友，張青峰

（1.上海安悅節(jié)能技術(shù)有限公司，上海 200437；2. 上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司，山東 青島 266000）

應(yīng)用于汽車涂裝前處理工藝中廢熱回收技術(shù)

王定平1，劉敦友2，張青峰1

（1.上海安悅節(jié)能技術(shù)有限公司，上海 200437；2. 上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司，山東 青島 266000）

汽車制造行業(yè)高速發(fā)展的同時，也帶來了能源的大量消耗及環(huán)境的污染，汽車涂裝工藝是汽車制造中的能源消耗大戶，針對汽車涂裝車間前處理工藝中用熱特點，利用余熱回收再利用及高溫?zé)岜眉夹g(shù)回收汽車制造廠中排放的余熱來替代涂裝前處理工藝的蒸汽使用，實現(xiàn)能源的綜合利用，降低汽車制造業(yè)單位產(chǎn)量的能源消耗和污染排放，實現(xiàn)新型工業(yè)化發(fā)展的目標。

汽車制造；涂裝節(jié)能；余熱回收利用

CLC NO.: U466 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-119-04

引言

經(jīng)“十一五”其間汽車行業(yè)的飛躍發(fā)展，我國已經(jīng)成為汽車市場的第一大生產(chǎn)國和第一大銷售市場。2013年我國汽車產(chǎn)量為2211.68萬輛，汽車行業(yè)在高速發(fā)展的同時，汽車生產(chǎn)過程中的節(jié)能減排也面臨空前壓力。汽車整車制造過程主要由總裝、沖壓、焊接和涂裝四大工藝車間構(gòu)成，而涂裝工藝是汽車制造四大工藝環(huán)節(jié)中能耗最大的環(huán)節(jié)，其涂裝前處理工藝過程中需要消耗大量的熱量，而整車廠中空壓機運行、焊接工藝車間有大量的工藝廢熱需要排放，利用余熱回收再利用技術(shù)及工業(yè)高溫?zé)岜孟到y(tǒng)技術(shù)回收焊接、空壓機運行中的廢熱作為涂裝前處理工藝的熱源，可節(jié)約大量蒸汽的使用，對汽車涂裝節(jié)能具有極大的意義。

1、汽車涂裝前處理工藝能耗現(xiàn)狀

1.1 汽車涂裝前處理工藝

汽車涂裝前處理的目的是祛除白車身底層表面的油污、銹蝕等異物，提供適合于涂裝的清潔表面，涂裝前處理工藝的好壞直接影響涂層使用壽命和汽車的外裝飾效果，直接關(guān)系到涂裝質(zhì)量的優(yōu)劣。

汽車前處理一般分為噴淋式、半噴半浸式、全浸式。為了滿足汽車車身的高質(zhì)量要求，一般選擇全浸式前處理方法。但一般小工件等由于設(shè)備投資少等原因采用噴淋式前處理工藝。其處理工藝流程圖如圖1、圖2。

汽車涂裝前處理不管采用何種方式，具體工藝流程根據(jù)汽車類型、大小有區(qū)別，但基本原理一致，一般為手工清洗→脫脂→水洗(1) →水洗(2) →表調(diào)→磷化→水洗(3) →水洗(4) →循環(huán)去離子水洗→新鮮去離子水洗→干燥。在脫脂、水洗、特別是磷化過程一般為全浸式清洗方法，在特制的中低溫槽液中進行，槽液溫度一般根據(jù)不同汽車工件，在40℃—60℃之間。

特別是磷化工藝中，磷化槽一般采取槽外加熱方式。槽外加熱方式如下：

磷化槽與溫水之間的循環(huán)[1]。首先用蒸汽加熱水，熱水通過熱水板式換熱器加熱磷化液，一般磷化液進出口溫差控制在△T=5℃左右，企業(yè)為了減少換熱器換熱板片上的結(jié)垢，溫水溫度一般比磷化液溫度高20℃—30℃，如果磷化液溫度控制在40℃，則溫水溫度則需要60℃上下。如圖3 青島五菱涂裝前處理工藝加熱原理。

1.2 汽車涂裝前處理工藝的能耗分析

汽車涂裝過程中的能源動力消耗巨大，根據(jù)德國杜爾公司[2]數(shù)據(jù)，涂裝能耗占汽車生產(chǎn)總能耗的70%,零部件及裝配之占30%,涂裝車間消耗了整個汽車生產(chǎn)80%的熱能。其中涂裝前處理工藝中熱能的消耗占到涂裝整個過程熱能消耗的30%以上。

筆者在實際考察中發(fā)現(xiàn)，大部分汽車涂裝車間如上汽臨港生產(chǎn)基地涂裝車間、通用五菱青島公司涂裝車間、東風(fēng)汽車商用車車身廠涂裝車間（十堰）均采用蒸汽加熱槽液的方法，蒸汽一般為飽和低壓蒸汽，為電廠蒸汽或外購市政蒸汽，采購價格在180元/噸—280元/噸之間。

以上汽通用五菱青島分公司涂裝車間為例，上汽通用五菱青島分公司以生產(chǎn)五菱榮光系列車型為主，目前年生產(chǎn)能力超過50萬輛。該涂裝線每天下線汽車約1800臺，其涂裝車間前處理工藝原采用低壓飽和蒸汽為槽液加熱，其槽液溫度一般控制在45℃-55℃左右，蒸汽消耗量約2噸—3噸/h左右。該涂裝線加熱方式如圖3。

如上圖所示，清洗車身等工藝過程所需要的槽液溫度一般在40—60℃之間，該涂裝前處理設(shè)置了2臺板式換熱器，低壓飽和蒸汽首先與熱水進行換熱，加熱熱水至60—65℃左右，再通過熱水板換加熱槽液，使槽液溫度滿足相應(yīng)清洗汽車工件的需求。

如圖3所示，電動閥根據(jù)如圖中位置的溫度傳感器進行調(diào)節(jié)控制，當(dāng)溫度達到設(shè)計要求時，關(guān)小電動閥開度以節(jié)約蒸汽消耗。由青島五菱公司業(yè)主提供數(shù)據(jù)，2013年僅涂裝前處理工藝一處，全年消耗蒸汽約15.6萬GJ左右，蒸汽費用1400多萬元。由此可見涂裝前處理工藝中熱能消耗量較大。

2、廢熱回收用于涂裝前處理的技術(shù)可行性

2.1 汽車制造廠中的廢熱

由于筆者親自參與了青島五菱工廠廢熱回收用于涂裝前處理工藝用熱的節(jié)能改造項目，仍然以該項目為例。青島五菱廠的焊接、空壓機等全年運行，需要大量的工藝冷卻水對其進行冷卻，以保證其長期穩(wěn)定運行。

該廠熱源為外購蒸汽，熱網(wǎng)蒸汽價格89.3元/GJ， 12月、一月、二月供暖加工藝用蒸汽平均90GJ/小時，4-11月份清洗車身平均需要蒸汽6GJ/h，每天23小時有需求，脫脂需要水溫55℃。由此可見，冬季最冷時采暖加涂裝前處理工藝約需熱能約90GJ/h，4-11月份僅涂裝前處理約需6GJ/h的熱能。

且本工廠車身焊接冷卻水1038m3/h，環(huán)境溫度為7℃時，供水溫度為14℃，回水溫度為17℃，有3℃溫升，通過冷卻塔排放至大氣中，其廢熱資源有13GJ/h排放至大氣中。

空壓站有710KW空壓機兩臺，1400KW空壓機一臺，340KW空壓機兩臺，空壓機冷卻水540m3/h， 環(huán)境溫度為7℃時，供水溫度為16℃，回水溫度為21℃，有5℃溫升，其廢熱資源有約10GJ/h排放至大氣中。

以上數(shù)據(jù)顯示，一方面建筑采暖和涂裝前處理需要大量的熱量，一方面生產(chǎn)工藝中產(chǎn)生大量的冷卻水，冷卻水中蘊含大量的熱量需要消耗電能排除，這種情況造成了一邊放熱，而另一邊卻需熱的不合理的能量利用構(gòu)架，浪費嚴重。不但造成能源的浪費而且還對環(huán)境造成污染。

2.2 廢熱回收的技術(shù)原理

由上述分析可知，其工藝冷卻水中蘊含了大量的低品位熱源，一般夏季可達35—40℃，冬季15℃以上，直接作為涂裝前處理工藝用熱顯然不滿足要求?？刹捎霉I(yè)中高溫?zé)岜茫脽岜媚婵ㄖZ原理，通過輸入少量的電能，制冷劑吸取冷卻水中蘊含的大量低品位熱量，制冷劑相變在冷凝器中釋放冷凝熱，獲得高品位熱源。

該項目利用工業(yè)中高溫?zé)岜脤崿F(xiàn)把空壓機冷卻水的熱量吸收并提高溫度到65℃，用來替代涂裝前處理工藝中的蒸汽，從而實現(xiàn)熱量的梯級及重復(fù)利用。其回收思路如圖4

該廢熱回收運用于汽車涂裝前處理工藝的技術(shù)難點在于中高溫?zé)岜玫脑O(shè)計與選擇，必須滿足工藝冷卻水全年水溫變化較大的特點以及系統(tǒng)合理的集成與控制。

其一，夏季冷卻水溫度較高，一般35℃，產(chǎn)量較高時，可達到40℃以上，普通的熱泵技術(shù)蒸發(fā)器進水溫度一般不超過20℃，達不到要求，需要進行混水設(shè)計；

其二，冬季冷卻水溫度又較低，一般15℃—20℃，而出水溫度仍需要穩(wěn)定在65℃甚至更高，一般的熱泵機組其壓縮機壓縮比難以滿足要求，且難以滿足全年變化較大的要求，需要專門為工藝冷卻水熱回收設(shè)計的工業(yè)級中高溫?zé)岜貌拍軡M足其廢熱資源不穩(wěn)定的特點。

其三，各個汽車制造廠其廢熱資源品位、種類均不一樣，且涂裝前處理工藝的特點及現(xiàn)場分布方式均有區(qū)別，其工廠運行時間上的協(xié)作等均不同，需要設(shè)計人員仔細了解項目實際情況及需求特點等信息，合理設(shè)計熱回收系統(tǒng)形式、控制方式、設(shè)備選型等才能達到節(jié)能減排的預(yù)期目的。

青島五菱項目根據(jù)項目實際情況，配置了1臺工業(yè)級中高溫?zé)岜茫~定制熱量2000kW，該熱泵負荷調(diào)節(jié)性能好，蒸發(fā)器進水溫度范圍廣其壓縮機能提供更高的壓力和更大的壓縮比，從而使工業(yè)熱泵中溫?zé)岜米罡叱鏊疁囟瓤蛇_70℃，工業(yè)高溫?zé)岜米罡叱鏊疁囟瓤蛇_85℃。如圖5。

工業(yè)熱泵主要運用于化工、冶金、電鍍、紡織印染等有廢熱排放且有熱量需求的工業(yè)場合。在北方許多工業(yè)甚至辦公類建筑都有運用。該技術(shù)發(fā)展成熟，技術(shù)可靠，為該項目的熱回收提供了技術(shù)保障。該機組有以下特點：

（1）經(jīng)濟高效

機組能效比平均4.7以上，即輸入1KW的電能得到4.7KW的熱能；比原有蒸汽加熱可以節(jié)約運行費用50%以上!

（2）安全

熱泵機組采用兩套電子膨脹閥，增加系統(tǒng)的安全性；

（3）可靠

熱泵采用兩套熱泵專用控制器，互為備用提高系統(tǒng)的可靠性；

（4）控制先進

具有GSM無線遠程監(jiān)控功能，可通過手機短信息的方式控制機組啟停機，另外在機組系統(tǒng)發(fā)生故障報警的同時向業(yè)主以及廠家發(fā)送一條短信息報警，縮短售后服務(wù)響應(yīng)時間。

該項目節(jié)能改造流程簡圖如圖6。

該項目總投資30多萬元，于2014年3月開始建設(shè)，同年5月底竣工，目前已投入運行半年時間，其節(jié)能效果顯著，投資回收期約1.5年。

3、廢熱回收用于涂裝前處理的經(jīng)濟可行性

該項目于2014年5月底竣工，截止發(fā)稿已運行半年有余。根據(jù)業(yè)主反饋數(shù)據(jù)如下。

表1 熱泵應(yīng)用蒸汽耗量數(shù)據(jù)表

注：上表中10號為未開啟熱泵熱回收系統(tǒng)，仍用原來的蒸汽加熱系統(tǒng)制取涂裝前處理工藝熱水，11號為開啟熱泵熱回收系統(tǒng)，優(yōu)先使用熱回收熱量所消耗的蒸汽量。以上數(shù)據(jù)由青島五菱業(yè)主能源部門提供。

上表中， 6月10日，該熱回收系統(tǒng)關(guān)閉，開啟原蒸汽加熱系統(tǒng)，通過原蒸汽系統(tǒng)計量表讀出蒸汽消耗量164GJ，成本為14645元；11號開啟熱回收系統(tǒng)，蒸汽作為補充，蒸汽總耗量為43GJ，用電量為5666KWH，成本為8373元。以上數(shù)據(jù)均為對外結(jié)算流量計顯示數(shù)據(jù)。 運行設(shè)備當(dāng)天節(jié)省6272元。則全年約節(jié)約蒸汽費用225萬元。根據(jù)實測，6月份由于用熱量較小，壓縮機一直一個機頭運行，機組并沒有滿負荷開啟，按此推算，全年節(jié)約超過300萬元。

通過分析，原工藝每天消耗能量折標準煤5.596噸，使用該余熱回收系統(tǒng)后，平均每天消耗能量折標準煤2.164噸，節(jié)能率61.33%,節(jié)約標準煤1235.52噸/年，減排CO22627.58噸/年。節(jié)能效果顯著。同時熱回收用于汽車涂裝前處理工藝的節(jié)能效果、經(jīng)濟效益和社會效益正讓其顯示著強大生命力和廣闊的市場，勢必將帶動同行業(yè)以及相關(guān)地區(qū)、相關(guān)產(chǎn)品的發(fā)展。

下圖為采用熱泵熱回收作為涂裝前處理工藝熱源后，汽車生產(chǎn)單耗數(shù)據(jù)對比表。

由上表可知，汽車涂裝前處理工藝用熱采用熱泵廢熱回收技術(shù)后，其單產(chǎn)能耗下降75%,可為整車能耗降低0.069GJ/臺。按蒸汽價格89.3元/GJ計算，每臺車的生產(chǎn)成本約下降6.16元。且該項目總投資310萬元，其項目投資回收期約1年。

表2 2013與2014年6-7月熱泵應(yīng)用項目蒸汽用量對比表單位：GJ

由上表可知，該項目截止發(fā)稿運行5個月，與2013年同期相比，每月節(jié)約蒸汽量約2500-3000GJ左右，節(jié)約運行費用20多萬元/月，節(jié)能效果十分顯著。

4、結(jié)論

本文給出了汽車涂裝車間涂裝前處理工藝運用工廠廢熱回收替代其蒸氣的技術(shù)可行性及經(jīng)濟性分析，通過項目實例的運行數(shù)據(jù)及分析可得出以下結(jié)論：

（1）汽車整車廠中涂裝前處理工藝所耗熱源（大部分為蒸汽）較大，且同一廠內(nèi)焊接、空壓機均有大量的工藝冷卻水存在，可通過熱泵熱回收技術(shù)在廠內(nèi)實現(xiàn)冷、熱的回收綜合利用，在汽車整車廠均可以采用此方法；

（2）該技術(shù)已通過實踐驗證，其運用的技術(shù)均較成熟的技術(shù)、設(shè)備，具有技術(shù)可行性，且運用該技術(shù)后，其涂裝前處理工藝中的單臺汽車能耗可下降50%—75%,項目實際案例中涂裝工藝單臺汽車能耗降低0.069GJ/臺，節(jié)能潛力巨大，一般投資回收期在1-2年，極具推廣價值；

（3）汽車整車廠涂裝車間涂裝工藝雖隨著車型不同、大小不同而有差別，但其基本原理相似，該技術(shù)可在汽車行業(yè)大量推廣使用，對汽車行業(yè)節(jié)能具有很大意義。

[1] 洪光日 涂裝前處理工藝設(shè)備[J]. 汽車工藝與材料.

[2] 王錫春 汽車涂裝節(jié)能的新工藝技術(shù)[J]. 現(xiàn)代涂裝.2012年4月第15卷第四期.

[3] 田文彪、魏明、尹娟、宋衍國 汽車制造企業(yè)能耗分析及節(jié)能新技術(shù)[J]. 節(jié)能.2007年第11期.

[4] 章熙民 任澤霈編著 傳熱學(xué) 中國建筑工業(yè)出版社.

Analysis by using waste heat recovery in the process ofAutomobile coating pretreatment

Wang Dingping1, Liu Dunyou2, Zhang Qingfeng1
（1. Shanghai AnYo Energy Efficiency Technology Co., Ltd., Shanghai 200437; 2. SAIC GM Wuling Automobile Co., Ltd., Shandong Qingdao 266000）

The rapid development of automobile manufacturing industry at the same time, it also brings a lot of energy consumption and environmental pollution, automobile coating process is the major energy consumption in the automobile manufacturing, according to the characteristics of process in dealing with hot automotive paint shop front, waste heat recovery vehicle emissions in manufacturing plant to replace the steam pretreatment coating use, comprehensive utilization implementation of energy, reducing energy consumption per unit of production, automobile manufacturing industry and pollution emissions, to achieve the goal of development of new industrialization.

Automobile manufacturing; The energy saving of Coating; The recovery and utilization of waste heat

U466

A

1671-7988(2015)02-119-04

王定平，就職于上海安悅節(jié)能技術(shù)有限公司。