汽车涂装喷漆室循环风系统节能减排分析   

作者:王品懿1 杨新院2  时间:2022-01-13 11:09:30  来源:  阅读次数:35次 ]

  (1.中汽(天津)系统工程有限公司,天津 300112;2.中国汽车工业工程有限公司,天津 300112)摘 要:随着社会经济的发展,节能环保问题得到越来越多国家的关注和重视。在汽车涂装行业中,喷漆室能耗占很大比重,所以喷漆室的节能减排一直是涂装节能环节的重中之重。基于此,本文重点探讨了汽车涂装喷漆室循环风系统的节能减排问题。

  关键词:汽车涂装;喷漆室循环风;节能减排

  涂装行业是汽车制造领域的主要能耗户及排废户,喷漆室是汽车涂装车间能耗最大的设备,约占涂装车间总能耗的 50%,其中空调能耗占40%。在满足漆膜质量、安全生产、卫生条件前提下,在喷漆室中采用循环风系统,能有效降低喷漆室能耗。

  一、喷漆室概述

  喷漆室是涂装室之一,涂装室是指装备有涂装机具且进行涂装作业的房间。它是提供涂装作业专用环境的设备,在喷漆室中制造的人工环境,能满足涂装作业对环境的温度、湿度、照度、洁净度等需求;为操作人员创造相对舒适、安全的工作环境;能处理涂装作业产生的漆雾,保护喷涂物免遭二次污染,从而保证喷涂质量。

  二、喷漆室循环风系统

  1、构成。喷漆室循环风系统由送风空调系统、排风系统、喷漆室文丘里构成。送风空调系统由进风段、初效过滤段、中效过滤段、表冷段、加热段和风机段构成。排风系统由混风箱、回风管、排风管、地下风道、排风机构成。喷漆室文丘里按设备布置,从上至下大致分为三部分:上部为均压室,包括动压室、静压室等送风装置;中部喷漆室作业区,包括作业室体、照明、格栅操作平台等;下部为漆雾处理设施,包括漆雾捕捉装置、漆渣处理装置、通风装置、供水装置等。

  2、原理。来自新风喷涂段的排风通过循环风空调系统设备过滤、表冷、加热,达到喷漆工艺要求后由风管送入喷漆室上方动压室,经动压室按风量要求送入下方的静压室,由静压室向下均匀地送到喷漆室自动喷涂段,通过作业区后由排风机抽出,携带漆雾的空气被送入漆雾捕捉装置,经漆雾分离后,经风道排向环保设备。

  三、工程案例

  1、工程概况。本案例以我国某整车厂实际应用为例,其基础工艺设计参数为:生产纲领:20 万台/a;年时基数:200d/a;生产有效时间:

  3200h/a(双班 16h 制);涂装工艺:3C2B 溶剂型漆;定义循环率:

  c

  h =

  喷漆室排风循环风量/喷漆室总风量。

  2、循环风方案设计。若不采用循环风工艺,喷漆室采用全新风上送风下排风的方式,则排风风量等于送风风量 141.4m3 /h。若采用循环风,理论上来讲喷漆室排风的循环利用率越高,则节能效果越显著,但循环比的选取还受如下因素制约。

  1)必须确保喷漆作业的人身、消防安全,必须严控喷漆作业工位空气中的 VOC 含量,可理解为:有人操作的作业区 VOC 含量应维持在卫生许可浓度内,自动作业区(无人区)VOC 含量应维持在消防浓度以下(即可燃气体爆炸下限浓度的 25%以下)。结合本案例涂料及溶剂实际情况,无人区 VOC 含量应小于 20g/m3 ,人工操作区卫生许可浓度小于200mg/m3 。

  2)在不改变生产纲领(车身喷涂总量)前提下提高循环比,相当于浓缩挥发性气体,会增大喷漆室排风 VOC 浓度,且浓缩比 r 与循环比 r关系如下式所示。

  r=l/(1- r )×100

  根据 DB 50/577《汽车整车制造表面涂装大气污染物排放标准》规定Ⅱ时段的排放标准。循环风改造前烟气 VOC 排放浓度实测为200mg/m3 ,若转轮的吸附效率按 95%计算(一般低于 95%),可计算出喷漆室 VOC 排放浓度最大值为:20/(1-95%)=400mg/m3 。因而浓缩比最大为:400/200=2,则根据上式计算可得最大循环比为 50%。

  为保证人工操作区空气满足卫生许可要求,本方案循环原理基本原则为将手工喷漆室的排风作为自动喷漆室供风使用,以色漆 1 线送排风原理为例,如图 1 所示。按此原理分别设计中涂线、色漆 1、2 线及清漆 1、2 线循环风方案。其中中涂及面漆人工擦净室循环风不作为喷漆线循环风循环比计算范围(擦净段不产生 VOC)。经计算,本案例“PC(中涂)+BC(色漆)+CC(清漆)”总供风量为 125.73m3 /h,其中循环风供风量为49.47m3 /h,根据公式可得本项目循环比为 39.3%。

  图 1 循环风系统送排风方案原理

  四、循环风节能效果

  1、循环风能耗。本案例采用溶剂型漆喷涂,全年温湿度控制为:

  温度(25±1)℃,相对湿度(65±15)%。根据当地气象部门公布的近十年气象统计平均数据显示,平均环境温湿度为:冬季环境温度为 8.9℃,湿度为 80%;夏季环境温度为 29.1℃,湿度为 70%;春秋季环境温度为 18.4℃,湿度为 75%。

  由全年恒定温湿度控制、环境状态,计算出空调制冷、加热、加湿量需求,其中湿空气焓(kJ/kg(干空气))值可由下式计算得出。

  I=Cgt+(ro+Cvt)H=roH+(Cg+CvH)t

  式中:ro 为 0℃时水蒸气汽化潜热,其值为 2492 kJ/kg;Cg 为干空气平均定压比热容,kJ/(kg·K);Cv 为水蒸气平均定压比热容,kJ/(kg·K);H 为空气的含湿量,kg/k(干空气)。

  本文主要对比分析喷漆线全新风模式与循环风模式各类能源耗量的差异,并通过对全年不同外界环境空调温湿度控制的能耗计算,分析全年循环风节能效果差异。其中新风空调功能段分布为:进风段-初效段-表冷段-加热段-加湿段(喷淋)-风机段-消声段-中效段-送风段;循环风空调功能段分布为:进风段-初效段-中效段-表冷段-加热段(热水)-亚高效段-送风段。工厂实际生产过程中,空调冷热能源耗量通常以一次能源天然气作为衡量标准,由此可见空调主要能耗种类为天然气、电、水。由于本案例春秋季及夏季基本无需加湿,且冬季平均气温较高,气候较为湿润,加湿量不大,与寒冷干燥地区相比,循环风节水效果较显著。

  由公式计算可得空调加热制冷量,并可进一步换算为天然气耗量,如表 1 所列,其中工业用天然气热值取 8500 kcal/m3 。由于循环风减少喷漆室排风量 49.47 万 m3 /h,因而喷漆室排风机可减少或降频使用,从而能节约电能约 324kW·h。

  表 1 空调加热、制冷能耗对比

  由表 1 分析数据可得:

  1)春秋季节能比最低,这是由于外界环境温湿度与空调控制目标点温湿度差距较小。

  2)加热制冷能耗越大,则循环风节能效果越显著。

  3)冬季新风空调无需制冷,循环风空调需制冷,导致制冷节能量为负值。这是由于喷漆室排风进入循环风空调循环再用前,需经文丘里(湿式)漆雾捕集装置,循环风经近似等焓加湿过程导致绝对含湿量增大,进而必须经循环风空调表冷除湿段及加热段处理才能满足喷漆室送风温湿度需求。

  为了便于对各种类型能源的计算、对比和分析,先要选定某种统一标准的燃料作为计算依据;然后用能源折算系数(即各种能源实际热值与标准燃料热值的比值),计算出各种能源折算成标准燃料的数量。由于我国能源结构以煤为主,煤炭在全国的使用较普遍和广泛,标准燃料通常取标准煤,常用单位有吨标煤(tce)和千克标煤(kgce)。

  因此,在计算能源消耗总量时,应取实际消耗的各种能源实物量按规定的计算方法和单位分别折算为标准煤后的总和。按综合能耗计算通则进行折标计算,其中电力的等价折标煤系数为 3.34 tec/(104 ·kW·h),天然气折标系数为 1.214 tec/(103 ·m 3 )。根据生产年时基数 200d/a 及双班生产 16h/d 可计算出全年折标节约能源总量。标煤的 CO 2 排放因子为2.8t/tce。计算可得循环风年节能折标量及降低碳排放量,一次能源(天然气)全年节约实物量为 7.348*105 m 3 ,折合标煤 892.1t·a -1 ,降低碳排放2497.9t;二次能源(电)全年节约实物量为 1.037*106 kW·h,折合标煤346.3t·a-1 ,降低碳排放 969.6t。由此可见,综合节能量折合标煤为1238.4t·a-1 ,降低碳排放 3467.5t。

  工业用电及用气的全年拉通平均价格为电力 0.62 元/kW·h,天然气 1.90 元/m3 ,计算可得每年减少生产成本 203.90 万元/a,经济效益较可观。

  2、循环风对废气处理的影响。随着排放法规越来越严格,喷漆室排风 VOC 浓度已无法达到 DB 50/577《汽车整车制造表面涂装大气污染物排放标准》规定要求,越来越多的企业开始增加各种类型的废气后处理装置。以本案例为例,废气处理采用“转轮浓缩+TNV 废气焚烧”方式进行,降低喷漆室排风量可降低转轮及转轮风机数量,减小 TNV 尺寸,减少风管及各种管道材料投入、减小过滤器尺寸及耗材安装数量等,保守估计节约 600 万元设备建设成本。由于处理废气风量的减少,风机运行能耗降低 500kW,全年运行节约电力约 160 万 kW·h/a,降低运行成本 99.2 万元/a。同时,由于滤材数量的减少,滤材更换的人工成本及材料成本都会降低。

  五、推广应用循环风喷漆室的现实价值

  汽车涂装喷漆废气的特征是流量大、浓度低,按《大气污染物综合排放标准》,涂装喷涂废气经漆雾分离处理后可高空排放。以往由于此类大流量、低浓度废气的处理技术不成熟、处理成本高,汽车企业涂装喷涂废气多数采用高空排放处理。汽车涂装喷漆废气高空排放,只是应对法规做合规处理,虽然浓度低,但绝对排放总量巨大,对大气环境造成的影响不容忽视。随着大气环境压力日益严峻,同时涂装喷漆废气处理技术不断进步,趋于成熟,2016 年国家工信部、财政部联合发布《重点行业挥发性有机物削减行动计划》,京、津、翼等重点省市纷纷出台相应的“拥抱蓝天行动计划”,其中明确要求汽车涂装中溶剂型涂料的喷涂废气需采用深度处理措施。根据各省市地方法规要求,汽车涂装企业若简单应对法规,对溶剂型涂料的喷涂废气采用深度处理措施,由于目前多数汽车涂装企业仍采用全新风喷漆室,喷涂废气风量巨大,处理设备的投资高,高昂的能耗等运行成本亦难以接受。因此,当前汽车企业应对法规做涂装废气深度处理改造,一定要结合循环风喷漆室改造,最大限度降低废气处理风量,在节省喷漆室空调能耗的同时,节省废气处理设备投资与废气处理运行成本。

  六、结语

  为建设“环境友好型、资源节约型”工厂,喷漆室排风循环利用是节能减排重要措施,并且随着水性漆喷涂的普及,相同喷涂量的水性漆比溶剂型漆 VOC 挥发量大幅降低,循环比得以大幅提高,具有更好的节能减排效果。

  经分析发现,环境温湿度工况点与空调控制点工况差异越大,循环风系统节能效果越显著。循环风系统具有良好的经济、社会效益。对年产 20 万辆的企业而言,保守估计年节约运行成本 200 万~300 万元以上,减少碳排放 3500t。

  因此,新建汽车涂装生产线应根据各自实际情况选择尽可能大的循环比,一方面可降低喷漆室送排风设备运行能耗,另一方面可为后期废气处理设备的建设降低成本。对于老厂溶剂型漆节能减排改造,可采取“水性漆+废气处理”或“循环风+废气处理”2 种方案,二者均可达到目前排放法规要求,但“水性漆+废气处理”改造投入成本大、运行成本高且改造施工周期长,因而越来越多的企业倾向于“循环风+废气处理”来满足排放法规的要求。

  参考文献:

  [1] 龚华伟.汽车涂装车间喷漆室循环风系统节能应用分析[J].现代涂料与涂装,2019(02).

  [2] 王铮昊.汽车涂装喷漆室循环风系统节能减排分析[J].现代涂料与涂装,2017(03).


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