热处理行业节能潜力研究

佟冬雪，刘星宇，李振清，王 婧，殷和平，魏兴钊，吕东显，佟晓辉

(1.机械工业发展基金会，北京 100825；

2.常州市热处理行业协会，江苏 常州 213022；
3.广东省热处理协会，广东 广州 510640；

4.中国热处理行业协会，北京 100101)

热处理是装备制造的重要基础工艺，是提升机电产品性能和可靠性、延长使用寿命、提高市场竞争力的核心技术，是金属零件制造过程中消耗能源较多却不可或缺的重点工序，也是装备制造业节能节材的重要工艺技术。据行业统计，我国每年热处理加工量约5000多万吨，热处理消耗电能总量达200亿kWh，天然气和液化气约4亿Nm3，淬火油10余万吨，以及其他工艺材料消耗，总计每年耗能约合1000多万吨标准煤，排放二氧化碳约3000多万吨[1]。由此可见，热处理节能是装备制造业实现“碳达峰”目标的重要抓手是毋庸置疑的。为满足热处理行业节能工作需求，帮助热处理企业深挖节能潜力，推动热处理工业绿色发展，中国热处理行业协会依托机械工业节能与资源利用中心，于2021年以15家热处理企业为典型案例，开展了节能诊断服务和节能潜力研究。

1.1 研究内容

依据热处理企业特点，明确节能诊断重点研究内容见表1。

1.2 研究方法

热处理企业诊断依据：主要包括国家及企业所在地方相关法律法规和产业政策、用能和节能相关标准规范、节能技术和装备(产品)推荐目录等。具体的方法手段：包括现场观察法、数据分析法、对标法和检测法。其中，对标法是通过对照相关节能法律法规、政策、技术标准和规范，对诊断对象的能源利用是否科学合理进行分析诊断，对诊断对象运行和用能情况、行业标准进行对比，对平面布局、生产工艺、用能工艺等与相关标准进行对比，主要用能设备与能效标准进行对比，总体能效水平与能耗限额标准进行对比等。

现场调查内容包括：结合企业生产情况，对企业能源消费数据计量及统计进行现场核对，确定企业能源统计范围是否对应，能源消费表编制是否规范和完整，各项能源消耗指标计算是否符合国家有关标准，折标系数使用是否准确[2]，查看企业是否使用淘汰类用能设备以及能源计量器具是否有效，调查企业的节能组织机构和管理制度的落实情况等。

能源利用诊断：核算企业各类能源使用和消耗总量，各类工艺(工序)的能源消耗情况，得出企业的综合能耗、单位产值综合能耗和单位产品(工序)能源消费量。核算企业能源购入、库存、转出量和企业能源消费量等，对热处理企业能源计量及统计状况进行评估。判断企业采用的设备、技术、工艺、材料等是否先进节能，重点用能工序和能源结构是否科学合理。热处理主要工艺(工序)用能关注要素见表2。

表2 热处理企业主要工艺(工序)用能关注要素

能源效率诊断：重点核算热处理企业主要工艺(工序)能耗及单位产品综合能耗，评估企业能源利用效率、工序或车间能源利用效率、主要用能设备能效水平和实际运行情况，核查重点先进节能技术应用情况。热处理企业重点用能设备及能源利用种类见表3。

表3 热处理企业重点用能设备及能源利用种类

能源管理诊断：重点核查企业能源管理组织构建和责任划分、能源管理制度建立及执行、能源计量器具配备与管理、能源管理体系的信息化运行、节能宣传教育活动开展等情况。

2.1 诊断企业总体用能情况

15家诊断企业的总体能源消费情况，见表4。按照文献[2]标准核算，单位产值平均能耗为0.46 tce/万元，单位产量平均能耗为0.074 tce/t。基本符合文献[3]标准要求。在消费能源结构方面，使用电能占比75%，与文献[1]统计数据相比减少了5%，符合热处理行业“十四五”发展规划的发展目标要求。

表4 诊断企业用能数据统计

2.2 加热设备能源损失

老旧用能设备仍是能源损失的主要因素。对8家拥有正火和退火工艺的企业能耗数据进行统计，结果见表5。由表5可知，目前用于正火和退火的加热设备仍是老旧的箱式炉、井式炉和台车炉。正火加工量占比18.7%，用能占比13.3%，平均单位能耗0.057 tce/t(460 kWh/t)；
退火加工量占比8.6%，用能占比8.3%，平均单位能耗0.078 tce/t(630 kWh/t)。能耗均高于文献[4]标准要求。

表5 诊断企业正火和退火工艺用能数据统计

2.3 工艺材料和非加热能源消耗

表6为诊断企业消耗的淬火油统计情况。若按30%零件使用淬火油估算，平均每吨零件淬火消耗淬火油约4 kg。由表6可知，随着热处理装备和工艺技术的进步，淬火油的消耗已明显减少，但在热处理总能耗中占比仍高达2.4%。表7为12家热处理企业渗碳和碳氮共渗工序的甲醇消耗情况。由表7可知，其能耗占比已达工艺总能耗的3.4%。表8为使用密封箱式多用炉渗碳的6家企业天然气消耗(非加热功能)数据统计结果。由表8可知，这些企业的渗碳热处理加工量约占总加工量的18%，而用于原料气和炉门火帘的天然气消耗占总能耗达3.8%，这是一个不容忽视的耗能点。

表6 诊断企业淬火油能源消耗

表7 渗碳和碳氮共渗工艺甲醇消耗数据

表8 多用炉气体渗碳和碳氮共渗工艺天然气(非加热用)消耗数据统计

综上所述，热处理工艺材料和非加热用辅助功能的能耗约达到总能耗的10%，这一点在以往的热处理工艺和热处理装备能耗中都被忽略掉，在以后的热处理节能工作中应给予重视。

2.4 企业能源管理体系

在能源管理方面，诊断企业均建立了能源消费原始记录和统计台账，但在企业能源管理制度建设和执行方面仍需进一步加强。大部分企业未设立明确的能源管理部门；
无专业的能源管理人员；
未编制能源管理程序文件，如计量管理制度、统计管理制度、定额管理制度、考核管理制度和对标管理制度等；
未建立能源计量器具使用和维护档案；
未实现能耗数据的在线采集和实时监测；
缺少能耗数据分析和统计结果。此项工作的节能潜力明显，需要进一步加强。

3.1 完善企业能源管理体系

完善能源管理体系，包括设立能源管理部门、设置能源管理岗位、明确工作职责、聘用有能源相关专业背景和节能实践经验的管理人员。编制能源管理程序文件，如《企业能源管理手册》和《主要用能设备管理程序》等。编制能源管理制度文件，如计量管理制度、统计管理制度、定额管理制度、考核管理制度和对标管理制度等。制定企业节能相关标准，如部门、工序和设备的能耗定额标准等。完善能源计量器具清单，建立能源计量器具使用和维护档案，实现能耗数据的在线采集和实时监测，及时进行能耗数据分析，按时上报统计结果。加强节能宣传教育活动，对能源计量、统计、管理和用能设备操作人员进行岗位培训等。

3.2 用能设备升级及运行优化控制

可采取以下措施进行用能设备升级及运行优化控制：

1)对能效下降的箱式炉、井式炉和台车炉的纤维炉衬进行改造；

2)用数字化控制系统替换老旧的炉温控制系统(柜)；

3)用数字化多用炉渗碳淬火生产线替换现用井式炉渗碳生产设备；

4)用数字化推盘渗碳淬火生产线替换老型号井式渗碳炉、缓冷坑、二次加热淬火炉、淬火槽、回火炉生产线；

5)优先选用燃气密封箱式多用炉生产线；

6)用数字化控制的台车式燃气加热炉替换现用的高耗能电加热台车炉；

7)用数字化精密控制渗氮炉替换现用的老旧型号渗氮炉；

8)用IGBT电源改造老旧的中频感应加热设备；

9)用数字化高频感应加热淬火和回火生产线替换耗能高的老型号设备；

10)在加热设备上增加余热回收装置用于零件清洗和燃气预热；

11)完善热处理车间烟气收集和处理系统；

12)用变频空压机替换现用的老型号空压机；

13)淘汰或更换现在使用的Y系列电机；

14)建设包括能源管理信息化的数字化热处理工厂等。

3.3 开发和使用新能源

对车间屋顶改造，开发光伏发电，替代并减少企业消费的电网电能；
在厂区内安装光伏路灯。

通过对15家热处理企业的节能诊断，分析企业的用能潜力点并提出以上相关节能技改建议61项，技改完成后，预计每年可节省4800吨标准煤，相当于现消耗能源的22%，每年可减少二氧化碳排放12000吨。所提建议项目三年内需投资16763万元，万元投资节能量0.29 tce/万元，万元投资减排CO2量0.72吨/万元。若按全国热处理行业年使用能源1000万吨标准煤计算，通过节能诊断指导企业节能技改，热处理行业每年可节省220万吨标准煤，减少二氧化碳排放550万吨。

此项工作得到相关企业领导和工作人员的大力协作，作者谨此一并致以感谢。