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涂装生产线及其烘房的优化(2)-国内外烘房研究现状

主讲/胡玉兵

涂装生产线中,烘房占有重要的地位。工件表面被涂覆了涂料后,需经过烘房的烘干固化,才能形成美观牢固的涂层。高性能的涂料不仅对固化的温度、时间要求严格,而且对烘房设备的内部环境即烘房工作区内的温度均匀性也有很高的要求。只有优越的烘干环境和条件才能使烘干质量得到充分的保证。

针对烘房的能耗和工作区的温度均匀性问题,国内外的研究主要集中在结构、加热方式和工艺上。

 

1、结构上的改进研究

烘房在结构设计上应该满足烘干件表面涂层的均匀性,同时,应尽量减少烘干能源消耗。采用高效的保温材料和加热元件以控制室体保温壁热的损失,合理设计壁板间内骨架的结构和运输链的结构。烘房体积要尽可能的小,减少散热面积,从而减少通过围壁散失的热量。要注意结构应有利于热空气的循环流动,不要形成死角,尽量使烘房内温度均匀。目前国内外涂装线烘房的研究按结构可以分为:直通式烘房、桥型烘房和A型烘房。

①直通式结构

直通式是比较原始的烘房设计,其结构就是一般的长方体房间,国外钢桶涂装线烘房使用的基本上都是直通式,直通式的设计较为简便,成本也比较低,到目前多数企业使用直通式。但直通式烘房存在热损失大、进冷空气量大、废弃量大以及烘房中间和进、出口处存在着温度不均匀的梯度现象。

②桥型结构

桥型烘房,又叫U字型烘房,其结构就像桥的形状,桥型烘房能够弥补直通式烘房的不足,所以在将来,将会得到了广泛的应用。相对于直通式烘房,桥式烘房进、出口段热空气的密度较轻,热空气上浮,冷空气下沉从而能够形成气封,有效地阻止热量的溢出和外界灰尘的进入,同时,烘房内部温度的均匀性有了一定的改进。德国大众公司曾建成的一条水性漆涂装线的烘房,在烘房的入口和出口采用两种不同的提升机构,烘房内采用了往复式运输机,空气加热后进入烘房,可以解决滴液问题,废气量减少一半,节能20%~30%。

③A型结构

A型烘房在降低热损失和减少占地面积方面优于桥式烘房和直通式烘房,烘房的热风采用二道过滤,提高了热空气的清洁度,将油漆静置室内的空气引入烘房,在下一步的循环中和烘房中挥发的溶剂一起吸入燃烧炉进行燃烧。溶剂全部分解成二氧化碳和水,大大减少了污染,因此也得到了广泛的应用,A型烘房的热量封闭和热能利用更加合理。

 

2、加热方式上的改进研究

烘房加热方式的设计必须满足使房间具有一定的加热速度和烘房内部温度分布的均匀性。室内循环空气保持洁静并考虑防爆和废气处理,对于采用对流式加热的烘房,要控制排气热损失和室体出入口热损失,循环风速和冷空气量。热风循环管道和废气处理余热的利用,对于采用辐射式加热方式的烘房,要选择合适的辐射器,控制好工件表面与辐射器的最佳间距。

在热源的选择上要在满足工艺条件的的前提下选择尽可能经济的和比较方便维护的能源,最好选用具有控温精度高、稳定性好、利用率高、安全可靠、故障能自动判断和切断等综合优点的能源。烘房按不同的加热方式可以分为:对流式烘房、辐射式烘房和对流辐射式烘房。

①对流式结构

对流式烘房主要选择对流烘干为其主要加热方式,对流烘干是采用电、燃气、燃油燃烧生成物与空气的混合物或者采用燃气、燃油燃烧,间接加热的空气作为介质以对流换热方式加热工件。具有生产费用较低,能加热各种形状的工件,设备运行稳定性比较高等优点。但存在设备庞大、占空间、加热系统热惰性大、加热时间长、效率低、保温性能不佳、炉内温度不均匀等缺点。

②辐射式结构

辐射式烘房主要选择辐射烘干为其主要的加热方式,辐射烘干用电流加热辐射元件,使其产生适合涂层吸收的红外线,以辐射方式直接加热工件表面。由于远红外是直线传播的,对于形状复杂的工件,易产生阴影,要控制辐射器距工件的距离,要求涂层均匀,以免烘干时产生气泡。辐射烘干具有传热效率高,烘干速度快,烘干温度高,热惰性小,设备结构简单等优点。但烘干范围比较小,对于复杂的工件表面容易产生温度不均匀的现象。

③对流辐射式结构

对流辐射式烘房采用了对流和辐射相结合的加热方式,烘干温度高,并且比较均匀,能量利用率高,设备结构复杂,投资大,对于大中型形状复杂的工件比较有优势,也比较适合各种油性和水性涂料。

此外,电磁感应式烘干利用高频电流在导线内部造成快速脉动磁场,使工件机体表面产生感应电流而加热,对工件涂层进行干燥,干燥速度快,但需要大功率的高频发电设备,设备一次性投资费用大,仅适用于厚壁金属工件的涂层。

 

3、工艺上的改进研究

①涂装新工艺的改进

一些新的涂装工艺和涂装方法的应用对烘房的改进也有重大的影响,日本马自达公司开发成功的3C1B涂装技术,将传统涂装工艺简化,取消分涂烘干工序,即内涂、外涂在连续涂装后一起进行烘干的涂装方式,这种涂装方式对烘干工艺的改进产生了较大的影响。

②烘干时间和烘干温度的调整

烘烤型涂料在一定的温度范围内,其烘干时间和烘干温度成正比,根据日本关西涂料公司资料介绍,KT-10涂料在工件表面温度达180℃,保温10分钟和工件表面温度170℃,保温20分钟达到同样的效果,对于不同的涂料和涂层标准,要寻找其最合适的烘干时间和烘干温度,实现节能。

③废气处理新技术的应用

烘干工序不但是涂装线耗能最多的工序,也是产生VOC和CO2的重要来源。目前比较先进的涂装线烘房多采用多循环对流加热方式,炉膛空气重复循环,有机物气体含量高时,需要不断排出,以维持其浓度不超过爆炸极限。但这些排出的气体温度高并且含有可燃气体,一般经过处理后才能排放。因此,国内外通常进行尾气燃烧、能源综合利用等方式进行节能。使用直燃式的燃烧装置燃烧处理VOC,能使VOC排出量降到25g/m2(约降低60%),可是设备大型化,燃烧需消费较多的能量,而使CO2排出量增加20%~60%。使用陶瓷蓄热式废气焚烧炉(RTO),将烘房排放的有机废气集中在它的燃烧室内焚烧氧化生成二氧化碳和水,再经过蓄热室蓄存热量后排放,蓄存的热量用于预热新进入的有机废气,既控制了排放的有机物量,又达到了节能目的。我们公司为大田公司设计的涂装线烘房采用了高温并带有可燃性气体的完全燃烧,燃烧后的高温气体通过逐级利用后排出大气,采用这种方式和传统的烘干废气处理相比,能源利用率高达70%以上,热效率提高一倍,进一步节约了能源。

涂层的烘干在涂装过程中占有较长的时间,一般也是涂装生产线耗能的最主要工序,因此涂层的烘干过程对生产线的运行成本有很大的影响。所以烘房必须在保证涂层烘干质量的同时(烘干质量的好坏取决于烘房内工作区的温度均匀性,而进风口的风速均匀性,影响着烘房内工作区的温度均匀性),要有良好的保温性、能源的转化率要高;要有较高的热效率,节约运行成本;向低能耗、少污染的方向发展。

通过对涂装烘房的研究现状分析,可以发现,涂装生产线中烘房系统的发展方向为:节能、降耗、降低运行成本为主要目标。而且,长期以来,对烘房内工作区的风速场、温度场均匀性研究不是很多。目前很多国内企业的钢桶涂装线烘房,存在着能耗过大以及存在部分烘干件的烘干质量不均、抗腐蚀性不强等现象,我们采用了科学的方法对烘房内部流场进行数值模拟分析,取得了最优解决方案。

 

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