想涂装工场燃气辐射加热系统研究与应用

摘 要：研制了第一套适用于造船及海洋工程产业涂装工场的燃气辐射加热系统并应用成功，且获国家专利，实现了以辐射加热方式替代传统的锅炉供热和对流换热方式，取得了节能减排的新突破，改变了涂装工场一直靠锅炉供热的局面，实现了柔强辐射加热系统在涂装工场等防爆场所首次应用成功。

关键词：造船及海工 涂装 辐射加热系统 应用

中图分类号：U416.217文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）05（a）-0021-03

目前，锅炉仍是被广泛采用的供热设备，锅炉耗能是能源消耗的重要组成部分，锅炉的烟尘及烟气排放仍是造成环境污染的重要方面。锅炉从燃料燃烧到生成蒸汽（热水），要历经燃料燃烧传热、热交换等多个环节，有各环节的效率损失、散热损失（锅炉、供热管、用热设备）、余热损失（烟气排放、蒸汽凝结）、泄漏损失以及因用热方式不合理造成的用热损失，使实际综合热效率大大降低。自20世纪80年代以来，虽经“汽暖改水暖”、实行“集中供热”到锅炉设备的节能技术取得重要成果，但终究还是离不开锅炉。

对流换热仍是国内普遍的传热方式，即由热源加热空气，再由空气与受热体进行对流换热，特别是在高大空间，换热效率低，热损失大。

国内外船舶制造企业的涂装工场，由于油漆固化需要一定的温度，需要对船体制造分段进行加热，均在冬季以锅炉供应的蒸汽为热源加热空气后送入喷漆间，由空气向被加热体进行对流换热，由于形成“上高下低”的温度梯度及强制换风的原因，能耗大、效果差，特别在北方寒冷地区，油漆固化成为船舶建造的瓶颈环节，不得不用增加锅炉容量和增加喷漆间数量的方式解决，因此而造成能耗增加、建设投资增大。

本课题立项旨在以燃气在发生器内直接燃烧替代锅炉、通过辐射加热直接加热工件以取代传统的对流换热，实现耗能少、效率高又减排的目标，以开拓节能减排新途径、取得节能减排的新突破。

1 总体思路

本项目课题属供、用热工程专业范畴，以改变企业能源结构，转变传统的供、用热方式，实现节能、减排为目标进行研究、攻关并实现创新和突破。本项目技术已申请专利，并获国家知识产权局颁发的实用新型专利证书，专利号：ZL 2009 2 027 9068.2，本项技术为国内首创。此前，船舶企业涂装工场的分段喷漆固化加热，均需配置大容量蒸汽锅炉，以煤炭为主要燃料（少数为水煤浆、燃油或燃气）。涂装工场的“分段”加热方式为配置蒸汽加热箱，用蒸汽加热空气并将空气送入喷漆间，靠被加热的空气与“分段”进行对流换热，升温慢、效果差、效率低，且由于喷漆间空间大，“上高下低”的温度梯度和换风次数多，造成67%的热量白白浪费，所以改变传统的供热方式和对流换热的加热方式势在必行。而且几年来，大型船厂和海工基地的建设风起云涌，实现新建的、原有的同类企业涂装工场供、用热方式改变意义重大。据目前了解，国外船厂的涂装工场也没有采用辐射加热的先例。

探索并实现在船舶企业取代普遍的、传统的锅炉供热，是新的用热理念；以天然气这一清洁能源为燃料、模拟太阳的热能辐射波（波长2～20μm）产生低强度电磁辐射加热“分段”是一项新的加热技术；引进RG公司先进的CRV辐射装置，并针对船厂涂装间的特点，设计、配置、形成了新的CRV辐射加热系统为首次用于船舶企业涂装工场的新产品；针对辐射加热方式和原喷漆工艺研究形成的“喷漆前预热——喷漆时互锁——固化时升温”的加热新工艺也是在涂装工场首次采用的

2 技术方案

2.1 辐射加热新工艺研究

（1）喷漆过程冬季油漆的附着温度≥5 ℃，而固化温度为≥15 ℃；每遍漆后的喷涂过程约需3 h，蒸汽加热的固化时间均在18 h以上。一方面油漆附着对温度的要求低、需要的时间短，另一方面油漆的固化对温度的要求高、需要的时间长，所以固化阶段的加热工艺是降低能耗、提高效率的关键所在。

（2）尽管在喷漆阶段，由于换风次数多、室内二甲苯气体浓度仅为54.9 mg/m3，为报警下限浓度的1/182，但为安全起见当喷漆过程不能满足温度要求时，采取喷漆前预热的方式来解决，形成喷漆前预热（CRV开启）→喷漆（CRV关闭）→固化升温（CRV开启并进行温度控制）的加热工艺。采用喷漆前预热工艺，由于不需要进行室内换风，完全避免了因换风而发生的热量损失，比在喷漆过程加热有更好的节能效果，又满足了产品制造国的规范要求。

2.2 温度梯度的研究与对应措施

（1）分段受热分析：分段作为辐射受热体，由于形状各异，特别是双层底分段，在辐射管照射下的受热面部分，由于直接吸收辐射热，温升较快，温度较高；不被直接照射部分要靠“分段”自身的导热实现温度的升高，这样由于受热方式的差异而产生在分段上面板→中间构件（肋板、衍材）→底面板之间的温度差异，并随加热过程的进行，差异会有所减小，实测的温度差异在一般在4～9 ℃。由于固化阶段对分段加热是一动态过程和立体分段构造的原因，必然存在一定的温度梯度，但梯度不大，对油漆固化的效果不会产生不利影响，如需要进一步缩短固化时间，可以采用以下办法。

①辅助送热风来提高内舱室的温度以减少被加热分段的自身温度梯度。

②间断加热，靠分段内部传热趋向温度均衡。

③对地面预热，以提高分段底面温度。

④固化后期停止加热。

（2）室内温度分层：室内空气不直接接受CRV装置的辐射热，而由被加热物体（船体分段）向周边的空气进行对流换热，另在辐射加热45 ℃辐射角照射范围的墙壁与地面也直接接收辐射热，故亦向周边空气传热，室内空气的温度总体上低于辐射受热分段的温度；室外空气由上部进入，向下部进风口排出，上部空气温度低于下部温度。与对流传热方式形成上高下低的温度梯度相比，无效热量和因换风带走的热量均明显减少。

2.3 防止辐射管油漆附着

CRV系统长期运行要防止油漆附着，虽然由于喷漆间有漆雾处理措施，上部空气洁净，一般不会产生油漆附着而影响辐射效果，但仍要防止喷漆作业时的违章操作，另在冬季作业完成后，应对CRV辐射装置加装护罩。

2.4 辐射加热系统的优化设计

（1）相关参数的选择：船厂喷漆间屋架梁下高度一般在13～16 m，CRV辐射装置的安装高度应在≤20 m的范围内，经现场检测，辐射距离与温度的变化关系为1 ℃/m由于辐射管与发生器连接段温度较高（<450 ℃）应控制分段最近受热距离≥3 m，辐射管与邻近建筑物钢构件的安全距离控制在≥0.5 m。

（2）关于CRV系统的优化配置：①布置在喷漆间上方，尽可能利用屋架梁以上空间而不占用涂装原有工作空间；②实行4×1配置，每组可公用一台真空泵，新风管分组设置；③充分发挥每组辐射管的18m有效长度，可改善辐射加热效果，并可降低真空泵排气温度。

（3）配置独立的新风系统，进风管进口在室外，出风口与发生器连接并做到密封，以保证CRV加热系统封闭运行，并与喷漆间室内空气隔绝；进风管选用金属材料（薄皮钢管或镀锌铁皮）、并选用阻燃材料做保温层。

（4）针对船舶及海工涂装工厂的特点，在北船重工涂装工场（一期）、青岛北船管业涂装工场工程实例及北船重工涂装工场（二期）设计方案的基础上，结合涂装工场的布置形式和不同的空间尺寸、不同地区的气候差异，编制完成了“标准技术规程”。

2.5 涂装工场控制系统的综合设计

（1）CRV辐射加热系统的自动控制包括安全保障措施的实现、加热时间与温度控制等。

（2）喷漆间生产过程的全程控制与安全报警及控制措施。

（3）CRV辐射加热系统的自动控制与集中控制系统的结合和联动。

2.6 安全保障措施监测与CRV辐射加热的效能测试

（1）安全保障措施监测：十项安全保障措施的落实是保证系统安全运行的前提，系统安装、调试完成，应首先对十项安全保障措施进行逐项检查、测试的验收。包括检查并确认发生器内的“零压调节阀”、系统的“全封闭、无明火”状态、“燃气应急切断伐”的安装位置、供气管道的“回路排气阀”、新风进口及系统末端排气口位置、燃气报警及二甲苯浓度报警探头的安装位置；测试“预制负压”功能、“动态保护”功能、“延时排空”功能、“应急切断”功能、“联动报警”与“交叉互锁”功能的完好及有效性；另外，对喷漆、固化阶段喷漆间内二甲苯气体的空间分布状态进行浓度检测，以确认作业环境的安全性。

（2）效能测试：CRV系统进行效能检测包括：被加热体的温度效果、油漆固化的效率变化以及节能效果测试。①温度测试：包括预热阶段室内温度场及被预热分段的温度场、油漆固化阶段室内及被加热分段温度场的变化；室内环境测温点按高度、平面位置（包括墙壁、地面）设置，被加热分段按上表面、中部构件、下底面分层并兼顾平面位置设置；测温需定时进行，以观测温度场的动态变化，结合时间效果与质量效果求得最佳温度控制值。②效率测试：包括对喷涂全过程（预热、喷漆、固化）各阶段的时间测定，重点应做好固化过程每遍漆固化的时间详细记录，以便计算喷涂全过程和固化阶段的效率变化。③节能效果测试：包括分别按每间、每批次、每遍油漆并按时记录燃气流量计读数，另需按月、按每采暖期统计燃气耗量及相应的分段数量、尺寸、重量，以计算能耗和节能效果。

3 实施效果

3.1 测试数据分析

3.1.1 喷漆间二甲苯浓度检测：

2010年1月13日至15日分4次对1#喷漆间，5#喷漆间进行定时检测，结果如下：

（1）地面以上10 m、5 m、1 m空间测点各时段平均浓度分别为：86.4 mg/m3、106.8 mg/m3、260 mg/m3，高空浓度低于低处浓度值；

（2）各批次室内二甲苯气体平均浓度为报警浓度的1.04%、1%、0.44%、0.57%，平均为0.76%，即平均为报警浓度的1/132，远低于固化阶段的浓度计算值1/57。

3.1.2 予热效果检测

（1）按墙壁测温点计算的空室升温速度为8.89 ℃/h，分段进入后升温速度为4.93 ℃/h；

（2）分段予热升温速度为：1#喷漆间1#分段6.01 ℃/h，2#分段6.27 ℃/h。

3.1.3 分段喷漆固化阶段升温速度检测

检测固化初期升温阶段统计5 h内的温度值，结果如下：

（1）1#喷漆间：1#分段2.53 ℃/h，2#分段2.29 ℃/h，3#分段2.51 ℃/h，平均升温速度：2.44 ℃/h。

（2）2#喷漆间：1#分段1.77 ℃/h，2#分段2.50 ℃/h，3#分段2.23 ℃/h，平均升温速度：2.17 ℃/h。

3.1.4 温度梯度检测

按每个分段9组分上中下共27个测温点数据分析，结果如下：

（1）固化升温初期阶段直接辐射受热面与远端导热面间温度梯度：

①1#喷漆间：1#分段8.49 ℃，2#分段12.87 ℃，3#分段5.62 ℃。1#分段为典型半封闭型双层底分段，2#分段为高差较大的异形分段，实际包含辐射距离的温度梯度。

②2#喷漆间：1#分段3.89 ℃，2#分段5.27 ℃，3#分段5.33 ℃，平均：4.83 ℃

通常情况下，分段自身的温度梯度在3～9 ℃范围之内，固化中后期逐渐减少，对特殊形状的双层底及高差大的分段，可采用辅助热风和间断供热的方法以减少温度梯度、缩短固化时间。

（2）分段与室内环境（空气）的温度梯度：

通过2010年1月25日至26日的专项测试，经空气测温点与邻近分段测温点的比较，结果如下：

①空气测温点比邻近分段测温点平均值（每间隔2 h）低：1.33 ℃、3.63 ℃、0.17 ℃、3.2 ℃、0.43 ℃、3.70 ℃、，平均低2.08 ℃；

②空气测温点比邻近分段直接辐射受热测温点（每间隔2小时）低：5.5 ℃、7.3 ℃、4 ℃、6.4 ℃、3.1 ℃、9.3 ℃，平均低5.93 ℃；

③换风出口温度为9.5 ℃，比空气测点平均温度低4.04 ℃；

可见，辐射加热分段，室内空气温度比分段温度低，换风出口温度又比室内空气温度低，故因换风而带走的热量少、节能效果好。

（3）离辐射管不同距离的受热面温度梯度：

按高差较大的1#间2#分段数据计算，垂直辐射距离的温度梯度为：（28～20.16 ℃）/7m=1.12 ℃/m。

3.1.5 天然气耗量检测

（1）1#喷漆间：一遍漆固化用气：

（2）2#喷漆间：一遍漆固化用气：

（3）予热阶段单耗：喷漆间予热：

3.1.6 效率测试

（1）2009年项目投入运行后，每遍漆固化时间比供热所需时间缩短一半；

（2）固化时间与分段平均温度关系密切，实际生产过程中，当需要缩短固化时间时可适当调整加热控制温度；当对时间要求不高时，可调低加热温度以减少耗气量。

3.1.7节能减排效果

（1）节能效果计算：

①辐射加热燃气平均单耗：

天然气折标煤系数为1.214，故折标煤单耗：44.07 kg标煤/h。

②传统蒸汽加热单耗计算：

“三喷六涂”蒸汽单耗：九院设计值：12.75 T/h、611设计值：10.2 T/h（另耗电396 km/h），取611所设计值计算每间喷漆间额定出力蒸汽单耗为：10.2/6=1.7 T蒸汽/h。

蒸汽折标煤系数为：0.143，故折标煤单耗=1.7×0.143=243 kg标煤/h，按50%折取平均单耗为：121.5 kg标煤/h。

③按每喷漆间单耗计算，辐射加热比蒸汽加热方式单耗降低：63.7%；“三喷六涂”年节约标准煤：（121.5-44.07）×16×120×6=892T。

全厂“涂装工场”年节约标准煤：892T÷6×16=2378.64T标准煤。

（2）减排效果计算：

①CRV排气的CO2排放量：

②传统蒸汽加热锅炉CO2排放量：

③CO2减排率为：（161.02-36.31）/161.02=77.4%。

④SO2排放率为：100%。

“三喷六涂”SO2减排量：1.033 kg/h×16×120×6=11.9 t/年

“三喷六涂”年CO2减排量：

⑤全厂“涂装工场”年CO2减排量：

3.1.8 经济效益测算

（1）初始投资节约：

按一期工程（三喷六涂）计算：原锅炉供热投资概算：1042万元；现燃气辐射加热系统投资：473万元；投资节约：569万元。

（2）涂装工场供热成本节约：

一期工程：

蒸汽供热成本：12.75 T/h×16h/d ×120 d/g×235元/T×0.5=287.64万元/年；

辐射加热成本：

年节约成本费用：287.64-141.38=146.26万元/年，成本降低50.8%。

一、二期工程合计：

蒸汽供热成本：767.04万元/年；辐射加热成本：377.01万元/年；年节约成本费用：390.03万元/年，成本降低率50.8%。

（3）生产效率：

由于加热快、温度高，油漆固化时间缩短，涂装生产效率明显提高。

4 节能减排取得重要突破

（1）研制了第一套适用于造船及海洋工程产业涂装工场的燃气辐射加热系统并应用成功，且获国家专利，实现了以辐射加热方式替代传统的锅炉供热和对流换热方式，取得了节能减排的新突破，改变了涂装工场一直靠锅炉供热的局面。

（2）研制了完备的安全保障措施，实现了柔强辐射加热系统在涂装工场等防爆场所首次应用成功。

（3）结合船舶涂装场所的环境特点，在柔强辐射加热系统中增加了喷涂与加热运行互锁、室外新风封闭供给及循环系统安全保护装置等控制措施，提高了系统的安全可靠和适用性。

（4）研究并成功应用了“喷漆前预热—喷漆时互锁—固化时升温”的涂装工场加热新工艺。

（5）针对船舶涂装工场的加热要求，提出了相关柔强辐射燃气辐射加热系统企业技术标准。

5 结语

涂装工场成功应用CRV柔强辐射技术是一次传统用热理念和对流换热加热方式的重要变革，在船厂供热工程中完全取代锅炉是节能减排事业的一项重要突破，在船舶涂装工场采用辐射加热方式在国内外尚属首例。项目实施后，有典型示范作用和推广价值，一旦得以推广、应用，将会产生可观的社会效益和节能减排效果。

（1）国内船厂、海工项目、船舶管子、舾装件加工配套工厂均可采用本系统，扩大应用后实现船舶喷涂工场加热方式的重大变革，可取得节能、减排、提高生产效率、节约生产成本、节约初始投资的效果和重大的社会效益。

（2）其他行业同类工程亦可借鉴采用、扩大节能减排效果。

（3）为实现在工厂取代锅炉供热解决了关键问题，结合利用余热、海水的热泵技术，可在部分地区实现无锅炉供热，对改变能源结构、改变环境产生重要作用。

参考文献

[1]齐福江.动力工程师手册[M].北京：机械工业出版社，1999.

[2]中国有色金属工业总公司.供暖通风与空气调节设计规范GB50019-2003[S].北京：中国标准出版社.

[3]消防技术标准规范汇编[S].北京.中国计划出版社，2011.

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