汽车涂装工艺余热利用方案的比较分析

李红波 张阳

摘 要：本研究通过对汽车涂装工艺中能源消耗情况进行比较分析，针对涂装前处理、涂装车间空调以及烘干环节产生的大量余热，提出了余热提升装置方案，并对其运行模式和节能效益进行了详细讨论和比较。

关键词：余热提升装置；汽车涂装工艺；能源消耗；节能分析；运行模式

Comparison and Analysis of Waste Heat Utilization Schemes in Automotive Painting Processes

Li Hongbo, Zhang Yang

China Electronics System Engineering No. 2 Construction Co., Ltd., Wuxi

Abstract:This study conducts a comparative analysis of energy consumption in automotive painting processes. It proposes a waste heat recovery system to address the significant surplus heat generated during pretreatment, painting workshop air conditioning, and drying stages. The operational modes and energy-saving benefits of this system are extensively discussed and compared.

Keywords: Waste heat recovery system; Automotive coating process; Energy consumption; Energy-saving analysis; Operating mode

一、引言

汽车整车制造过程包括总装、冲压、焊接和涂装四大工艺车间。其中，涂装工艺是能耗最大的环节，涂装前处理、涂装车间空调以及烘干工艺都需要大量热能。此外，厂区空压机运行、焊接工艺车间和制冷站等也会产生大量工艺废热。

二、涂装工艺的热能分析

在汽车制造过程中，涂装工艺是能耗较高的环节之一，其能源消耗占据了整个生产过程的相当大比例。针对涂装工艺的能源消耗情况进行深入分析可以为节能减排提供重要参考。

2.1 涂装工艺的能耗构成

涂装工艺中能源的消耗主要包括两个方面：一是涂装前处理工艺的能耗，二是涂装车间内涂装过程中的能耗。具体来说，涂装前处理工艺包括清洗、除油、磷化等环节，这些过程需要消耗大量的热能。而在涂装车间内，除了需要保持恒定的温度和湿度以确保涂装质量外，还需要进行烘干等后续工序，这些都需要大量的热能支持。

2.2 涂装工艺的能源消耗比例

据统计，汽车生产中涂装工艺的能耗占据了整个生产过程的70%，而零部件制造和装配所需能量仅占30%。进一步细分，涂装车间消耗了整个汽车生产过程的80%的热能，其中涂装前处理工艺的能耗占到了整个涂装过程热能的30%。另外，涂装车间内空调二次加热和烘干工艺也需要大量的热能支持。

2.3 能源形式及应用

针对涂装工艺的热能需求，企业一般采用以下几种能源形式：

直接电加热：运行成本较高，一般适用于小型涂装线。

天然气加热：采用燃气真空热水锅炉，制取90摄氏度的热水，其运行费用取决于燃气费用，目前全国燃气费用在3.0-4.0元/Nm3之间。

蒸汽换热：通过外购蒸汽通过板换置换出70-90摄氏度的热水，目前全国的蒸汽价格在200-300元/T之间。

三、余热点分析

在汽车制造过程中，存在着多个潜在的余热点，通过对这些余热点的充分利用，可以实现能源的再生利用，从而降低能源消耗成本，减少环境污染。以下对几种常见的余热点进行详细分析：

3.1 冷却塔热量

在厂区的焊接车间、冲压车间和空压站等工艺车间中，冷却塔是常见的设备，它们在四季运行时会产生大量的冷却热量。特别是在夏季高温季节，冷却塔排放的热量更为显著。一般而言，焊接车间和冲压车间采用闭式冷却塔，其冷却水温控制在42-32摄氏度之间；而空压机则采用开式冷却塔，水温控制在42-32或40-32摄氏度之间；制冷机冷却水温一般控制在37-32摄氏度。

3.2 RTO烟气冷凝热

当厂区的冷却热不足时，可利用RTO（焚烧废气处理装置）烟气中的冷凝热来补充。RTO烟气中含有大量的热量，利用热泵等技术将其回收，可用作余热提升装置的废热源，实现能源的有效利用。

3.3 蒸汽换热凝结水

在采用蒸汽加热的工艺中，会产生大量的蒸汽凝结水。这些凝结水含有大量的热能，可以通过合适的技术手段进行回收利用。通过余热提升装置或热泵系统，将蒸汽凝结水中的热能提升到合适的温度，可以满足工艺上的热能需求，同时实现能源的再生利用。

3.4 其他余热点

除了上述几种常见的余热点外，厂区还存在着其他一些可能被忽视的余热资源，例如焊接设备、烘干设备等工艺设备产生的废热，以及厂区内部分制冷设备产生的冷凝热等。对这些余热资源进行全面的调查和分析，有助于发掘更多的节能减排潜力。

四、运行模式及技术选择

余热提升装置的运行模式和选择的技术方案对于能源利用效率和节能效果至关重要。以下是几种常见的运行模式和技术选择：

4.1 运行模式

4.1.1 热力驱动

热力驱动是一种常见的余热提升装置的驱动方式，主要采用天然气或蒸汽作为热源。天然气或蒸汽通过热交换设备，将余热转化为热能，然后再利用该热能提升原有热水的温度。这种方式不仅能够实现能源的再生利用，还能够降低能源消耗成本。

图1热力驱动（吸收式热泵机组）系统图

4.1.2 电力驱动

电力驱动是另一种常见的余热提升装置的驱动方式，主要采用电力作为驱动能源。通过电动机或其他电动装置，将余热转化为机械能，然后再利用该机械能提升原有热水的温度。与热力驱动相比，电力驱动具有更高的灵活性和控制性，但在能源消耗方面通常会更高一些。

4.2 技术选择

在确定运行模式的基础上，还需要选择适合的技术方案来实现余热提升装置的运行。常见的技术方案包括：

余热提升机组：利用热力或电力驱动，通过热交换器将余热转化为热能，然后再利用该热能提升原有热水的温度。

螺纹管换热器：通过螺纹管换热器将余热传递给冷却水或其他介质，实现余热的回收利用。

热泵技术：通过热泵技术将低温的余热提升至高温，以满足工艺需求。

在选择技术方案时，需要考虑到设备的成本、能源消耗、运行维护等因素，并综合评估其经济性和实际适用性。

五、热泵方案分析

在示例厂区车间，假设热工艺供回水温度为95℃/70℃，流量为413t/h，总热负荷约为12MW的情况下，采用不同方案进行了详细分析：

5.1 方案描述

方案一：螺纹管换热器

形式描述：采用螺纹管换热器作为主要能量转换装置。

能耗分析：螺纹管换热器的能耗主要包括传热介质（如水、油）的泵送能耗和换热过程中的传热损失。其能耗取决于设备的设计参数、传热效率和工作环境条件等因素。

方案二：余热提升机组（热泵技术）+螺纹管换热器

形式描述：方案二在方案一的基础上引入了热泵技术。热泵通过压缩循环工作原理，将低温的余热提升至高温，以满足工艺要求。余热提升机组将70℃的热水温升到90℃，然后通过螺纹管换热器进一步将热水温升至95℃。

能耗分析：热泵的能耗主要包括压缩机的能耗和循环介质的泵送能耗。同时，需要考虑到热泵系统的制冷剂损耗、换热效率和系统稳定性等因素对能源消耗的影响。

图2 余热提升机组（热泵技术）+螺纹管换热器系统图

5.2 热量计算与能耗分析

方案一：

413t/h热水直接从70℃温升到95℃，制热量为12MW，采用螺纹管换热器，消耗蒸汽17.5t/h。

方案二：

413t/h热水从70℃温升到90℃，制热量为9.6MW。选择3台余热提升机组，单台能力为3.2MW，单台耗电功率0.8MW。

413t/h热水从90℃温升到95℃，制热量为2.4MW，采用螺纹管换热器，消耗蒸汽3.5t/h。

5.3能源消耗分析

余热提升机组与原直接用螺纹管换热节约蒸汽量：17.5-3.5=14t/h

六、节能分析

假设能源价格如下：蒸汽230元/吨、电力价格0.7元/千瓦时、水费6元/吨、年运行时间8000小时。下面是方案一和方案二的对比情况：

表1方案一和方案二经济性对比

序号	对比内容	方案一： 螺纹管	方案二: 余热提升机组+螺纹管
1	蒸汽消耗量	17.5t/h	3.5 t/h
2	电力消耗量	0	800KW*3=2400kw
3	运行成本	=17.5*230*8000 =3220万元	=3.5*230*8000+2400*0.7*8000=644+1344 =1988万元
4	节约运行费用	0	1232万元
5	额外节约冷却塔运行费用	0	45*0.7*8000=25.2万元
6	额外节约水损失	0	24.8*6*8000=119万元

结合能源价格和运行成本方案二与方案一比较每年可以节约1232+25.2+119=1376.2万元。结果表明，采用余热提升机组的方案具有较高的节能潜力和经济性。

结论

余热提升装置方案可以有效利用汽车制造过程中产生的余热资源，实现能源的再利用和节能减排。本文的研究对于汽车制造行业的节能减排具有一定的指导意义和实践价值。

参考文献

[1]王明, 张伟. (2020). 汽车涂装工艺余热回收利用技术的研究. 机械设计与制造, (12), 112-120.

[2]李志远, 王海涛. (2019). 汽车制造工艺中的能源消耗分析. 机械工程师, 45(3), 245-253.

[3]张磊, 杨艳红. (2018). 汽车制造中余热回收技术的应用分析. 热能工程, 132, 1025-1033.

[4]刘强, 陈军. (2017). 汽车工业中余热回收技术的比较研究. 能源转换与管理, 143, 112-120.