汽車輪胎生產(chǎn)過程節(jié)能優(yōu)化方案設(shè)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(yè)發(fā)展，輪胎市場的增速遠高于世界平均水平。

輪胎生產(chǎn)屬于典型的能源消耗型加工工業(yè)，從其生產(chǎn)能耗構(gòu)成，蒸汽鍋爐設(shè)備燃料消耗占企業(yè)總能耗的70%。電力占30%。輪胎制造行業(yè)中，大量使用蒸汽，蒸汽來源可以是輪胎企業(yè)的鍋爐設(shè)備或熱電廠輸出的過熱蒸汽通過減溫器輸出到生產(chǎn)線，蒸汽在其二次能源轉(zhuǎn)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(tǒng)的節(jié)能點，分別從鍋爐房的運行、冷凝水與閃蒸蒸汽的回收系統(tǒng)以及用汽設(shè)備優(yōu)化三個方面做了詳盡的分析，評估了相應的節(jié)能潛力、安全性和環(huán)境效益等，并在此基礎(chǔ)上提出了合理的改進建議和解決方案。

1 現(xiàn)場提供參數(shù)

1.1 蒸汽參數(shù)

輪胎制造廠使用蒸汽設(shè)備，蒸汽參數(shù)如下表1。

表1 蒸汽參數(shù)列表

2 鍋爐房節(jié)能方案

2.1 鍋爐房現(xiàn)狀

整套鍋爐房系統(tǒng)運行穩(wěn)定，天然氣耗量與產(chǎn)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(zhì)保持在較高水平，可以降低鍋爐加藥量與連續(xù)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(tǒng)非常完善。

貫流式鍋爐，每臺鍋爐自帶連續(xù)排污功能。

2.2 問題分析及優(yōu)化方案

記錄標準規(guī)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(fā)量 （1）

按照規(guī)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(fā)量為148500t/年，見表2。

表2 調(diào)整排污率節(jié)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(jié)能方案

3.1 硫化車間現(xiàn)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(nèi)溫使用，蒸汽流量約為2.4t/h；外溫蒸汽產(chǎn)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(nèi)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(yōu)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(huán)境。硫化機內(nèi)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(chǎn)生冷凝水較多，壓力高，所有產(chǎn)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(chǎn)成本。利用引射裝置回收直排的閃蒸汽，用于現(xiàn)有蒸汽系統(tǒng)的加熱。優(yōu)化方案如圖1 所示。

圖1 硫化車間外溫冷凝水回收系統(tǒng)優(yōu)化方案

優(yōu)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(shè)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(chǎn)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(jù)現(xiàn)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(tǒng)能耗，基本消除了排空口處的冒汽現(xiàn)象。

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

按以上的節(jié)能方案，硫化車間節(jié)能匯總?cè)缦卤?。

表3 硫化車間節(jié)能表

根據(jù)系統(tǒng)回收能源后，大約1 年可以實現(xiàn)設(shè)備投資的回收。設(shè)備投資與回收匯總?cè)绫?。

表4 設(shè)備投資與回收表

4 壓延車間和密煉車間節(jié)能方案

疏水閥作為影響蒸汽系統(tǒng)效率的關(guān)鍵節(jié)點，保證疏水閥工作狀態(tài)的完好是蒸汽系統(tǒng)節(jié)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(yōu)化蒸汽輸水閥來達到節(jié)能目的。

4.1 輸水閥現(xiàn)狀

使用疏水閥的設(shè)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(xiàn)場經(jīng)常會發(fā)生設(shè)備加熱慢的情況。這種情下，只能打開疏水閥旁通提高設(shè)備的加熱速度，從而造成能源浪費。

4.2 問題分析及優(yōu)化方案

（1）熱動力疏水閥沒有排空氣功能，在設(shè)備啟動階段冷凝水中可能混有空氣，無法排水，導致設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(nèi)側(cè)閥座經(jīng)碟片下部從外圍出口的小孔排出。

高溫冷凝水經(jīng)過入口，進入閥腔碟片的下部后壓力下降，產(chǎn)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(nèi)，產(chǎn)生的壓力克服冷凝水向上的壓力把碟片關(guān)閉。

最后，當?shù)戏降拈W蒸蒸汽冷凝后，碟片被冷凝水頂開，如此重復循環(huán)。

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(yōu)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(xù)排放冷凝水，并可根據(jù)冷凝水量的大小，浮球上下浮動自動調(diào)節(jié)閥門開度與負荷相匹配，冷凝水一旦產(chǎn)生便可迅速被排出設(shè)備。其閥門處于水封以下，蒸汽不會泄漏。內(nèi)部配備自動排氣閥，冷態(tài)時處于常開，能快速排出設(shè)備內(nèi)的空氣和冷態(tài)冷凝水。生產(chǎn)線疏水閥數(shù)量一共267 臺。

根據(jù)系統(tǒng)回收能源后，大約1.6個月可以實現(xiàn)設(shè)備投資的回收。通過優(yōu)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(wěn)定性。

圖3 浮球疏水閥

5 結(jié)語

（1）鍋爐房節(jié)能方案。通過鍋爐房電導率的檢測，重新調(diào)整鍋爐排污率，優(yōu)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(jié)能方案。設(shè)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(xiàn)有蒸汽系統(tǒng)的加熱。通過優(yōu)化，回收絕大部分閃蒸蒸汽，降低蒸汽系統(tǒng)能耗，并消除排空氣口的冒汽現(xiàn)象。

（3）壓延車間和密煉車間的節(jié)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(tǒng)的排氣功能，根據(jù)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(jié)約能源的同時，也提高了工藝的穩(wěn)定性。