关于国内环戊烷发泡装备技术水平之探讨

颜剑 吴壮利
（湖南湘潭精正设备制造有限公司，湖南湘潭411100）

摘 要：在我国家用制冷电器领域，HCFC类发泡剂替代的研究和应用正在紧锣密鼓地进行。作为家电行业HCFC主要替代物——环戊烷，其发泡装备技术水平是大家十分关心的课题。同时对国内具备参与环戊烷改造资格的设备制造企业的技术现状和专业水平，尤为大家所关注，因为它是我国HCFC替代国产化进程的主要保证。通过对国内发泡装备技术水平的探讨，希望能给我国家电行业环戊烷改造国产化提供参考。
关键词：HCFC替代；环戊烷发泡装备；聚氨酯泡沫塑料

随着我国家电行业淘汰HCFC类发泡剂步伐的加快，国内众多冰箱、冷柜制造企业都争先恐后在进行无氟发泡改造。目前，使用环戊烷作物理发泡剂替代HCFC，因其安全性要求较高，能够参与对环戊烷发泡装备改造及制造的，除国外公司外，国内企业并不多，近年来其技术装备和制造水平，也在不断提高并日趋成熟，有的已具备相当专业的环戊烷改造的水平。
1 环戊烷的理化特性
目前，在西欧发达工业国家中，对环戊烷作为HCFC替代物，表现出极大的兴趣。在目前我国家电行业中，环戊烷发泡也是HCFC替代的主导方向。因此，必须了解并掌握环戊烷的理化特性。
(1) 环戊烷不含卤素，在大气中寿命短，其降解半衰期为10～15 h，几天内即可被安全分解，不会消耗并破坏大气层中的臭氧，ODP值等于零；
(2) 环戊烷的GWP值很小，仅为CFC-11的1/10000～4/10000；
(3) 环戊烷与CFC-11相比，其分子质量相对要小约50%，使用环戊烷作发泡剂，用量可节省近一半。
(4) 环戊烷气相导热系数较小，仅比CFC-11大0.005W/(m?K)，使用环戊烷作发泡剂，对聚氨酯硬质泡沫体的绝热性能影响较小，可以满足冰箱等家电对绝热性能的技术要求。
(5) 环戊烷极易燃烧，其气体与空气相混可形成爆炸性混合物，遇明火、高热极易燃烧爆炸；与氧化剂接触会产生强烈反应，甚至引起燃烧；由于环戊烷气体密度比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇火源会着火回燃。
2 环戊烷发泡系统基本工艺配置
环戊烷由于具有可燃性，在空气中的爆炸极限范围较宽。因此，出于安全考虑，需要对其设备和生产环境进行相应的改造。
在厂房方面要采取措施防止环戊烷爆炸燃烧。
在设备工艺配置方面则应采取一系列安全防爆措施。
环戊烷发泡系统的主要工艺配置是：环戊烷储存输送系统，环戊烷静态预混系统，环戊烷高压发泡机，环戊烷发泡生产线，环戊烷监测报警装置，安全围房、防静电，抽排风系统。
3 国内环戊烷发泡系统装备制造技术水平及发展现状
20世纪90年代中期，随着国内家电行业环戊烷改造工作的全面展开，许多国外公司如德国亨内基、意大利Cannon等公司相继在中国参与环戊烷改造，并提供了一系列环戊烷发泡设备。同时，国内也有部分聚氨酯发泡设备制造企业参与了此项工作。起初，主要是进行改造配套。随着环戊烷发泡工艺在我国家电行业的广泛应用及许多原料供应商和发泡设备制造商对环戊烷发泡技术研究的不断深化，逐步完善并不断改进设备制造工艺水平。国内一些知名家电企业如青岛海尔、广东科龙公司等已经清楚看到这一点，开始将部分改造工程交给国内发泡设备制造企业承担，已取得较好效果，改造费用大为降低，当前许多家电企业已纷纷将环戊烷改造工作全部在国内消化。
其中国内较早从事环戊烷改造工作的湖南湘潭精正设备制造有限公司已先后为青岛海尔、广东科龙等提供了环戊烷改造，公司成立十年来不断发展壮大，从最初只能制造环戊烷储罐，到现在已能承担环戊烷改造项目交钥匙工程，并多次在国内家电行业环戊烷改造招标中中标。公司已与德国亨内基公司及克劳斯玛菲公司、意大利Cannon公司等进行了良好的合作，公司承担的环戊烷改造项目全部执行德国TüV安全标准，并得到TüV认证。
4 环戊烷发泡装备技术分析
4.1 环戊烷储罐
作为储存液态环戊烷的储罐，一般容积为35m3，按照II类压力容器标准设计、制造、检验，罐体为双层结构，罐体内层设计压力为0.2 MPa，罐体夹层设计压力为0.075 MPa，考虑到防爆要求，储罐一般安装在地下，周围设置防护井，并设置排水装置，防止储罐周围积水。
储罐顶部设置有卸料井和输料井，每个井口都装有环戊烷气体探头，储罐夹层充注乙二醇或氮气进行检漏。环戊烷槽车通过卸料平台向罐内加料， 同时，进行液位监测和泄漏监控，当发生泄漏报警或溢料报警时，进料阀和出料阀同时关闭，此时，需采取措施进行紧急处理。
对于储罐区，一般按0区标准设计，电气控制部分与罐区安全距离一般大于10 m。
4.2 多元醇环戊烷静态预混站
多元醇/环戊烷静态预混是一种连续式预混装置，通过二台计量泵分别计量多元醇和环戊烷，国外和国内现在都普遍采用静态混合器进行混合，混合比例采用流量计进行监测，并设置误差报警信号，在预混站内，除配置多元醇工作料罐外，通常还配置一个多元醇/环戊烷混合物中间料罐，在预混站内还设置有围房，环戊烷探头及抽排风装置。
目前，国内和国外聚氨酯设备制造商提供的静态预混站，其多元醇计量装置都是采用德国力士乐公司的柱塞式计量泵，环戊烷计量采用多头式隔膜计量泵、静态混合器。一般混合压力设定3～5 MPa，就能够保证两种原料的充分混合。
为了保证环戊烷无泄漏，计量泵和电机联接，以及料罐搅拌全部采用磁性联轴节传动，提高设备工作的安全性。
多元醇和环戊烷的混合效果，同时也与原料料温、粘度和流量有关系，为了保证良好的混合效果，一般还要通过平衡计算。
4.3 环戊烷高压发泡机
环戊烷高压发泡机与普通高压发泡机的主要区别是多元醇/环戊烷侧电气部分全都采用防爆设计，并设置有围房、抽排风装置，环戊烷气体监测报警装置，按照TüV标准，环戊烷发泡机防爆电机最低防护等级要大于IP54，设备要充分考虑接地和防静电，为避免环戊烷与空气混合气体的形成，在多元醇/环戊烷料罐中加氮气，并设置压力开关，保证氮气压力控制的可靠性。
4.4 环戊烷发泡生产线
环戊烷发泡生产线与普通CFC-11或HCFC-141b发泡生产线的主要区别是在混合头浇注区附近与固化烘箱内电气全部采用防爆设计，并设置环戊烷气体监测系统、安全围房、抽排风装置，由于环戊烷密度大于空气，在混合头浇注区附近最低处设有气体探头，用于探测环戊烷浓度。
目前，环戊烷发泡生产线国内企业已掌握了成熟的制造技术，一般冰箱、冷柜生产企业现有的生产线改造已基本依靠国内配套。
4.5 环戊烷及多元醇/环戊烷循环输送管道
环戊烷及多元醇/环戊烷输送管道与普通输送管道的区别，除试压检漏的标准不同外，环戊烷及多元醇/环戊烷管道均配有防泄漏控制装置。环戊烷管道采用双层结构，夹层内充注乙二醇进行泄漏监测。所有的输送管道均进行防静电及避雷处理。
4.6 环戊烷监测报警及抽排风装置
环戊烷监测报警及抽排风装置是环戊烷发泡设备必备的安全装置，主要用来监测环戊烷的泄漏并报警，抽排风装置保证围房内空气流通。
报警参数设置：环戊烷在空气中体积比达爆炸下限（LEL）的20%时警灯闪烁报警，排风装置转入全负荷式运行，显示故障点；达LEL的40%时声光报警，排风装置转入全负荷式运行，所有机器电源被切断（环戊烷气体监测报警装置及抽排风装置除外），控制柜显示故障点，在排除故障并进行必要的维护后由操作人员对设备复位，设备即可重新运行。
为了保证气体监测报警装置及抽风系统工作的连续可靠，一般要采用独立电缆供电，并配备专用小型发电机组，以便在独立电源出现故障时，为安全控制系统提供电力，确保安全控制系统始终处于正常工作状态。
5 环戊烷储存、发泡生产设施和场所的安全要求
(1) 储罐区应与周围环境隔离（或建立防火防爆墙），与周围的建筑物及有人活动的场所要有足够的安全间距和安全通道，并取得消防、安全部门的认可。
(2) 环戊烷储罐属II类压力容器，其制作、安装、修理必须严格按国家压力容器安全监察条例进行。
(3) 环戊烷储存、发泡生产场地必须有可靠的避雷装置，其避雷接地电阻≤10Ω，每年至少检测一次，并记录存档。
(4) 对可能产生静电的地方，设备的通风系统、管道都必须永久保持良好的接地，以防止静电积累和放电，接地电阻≤4Ω，每年至少检测一次，并记录存档。
长度＞5 m的储罐必须有两个接地点，管路每间隔3～5 m必须有一个接地点，且管道、法兰之间应用导电良好的金属连接。
(5) 各种电器必须是防爆的，且符合电气安装规范，在电气柜的仪表及模具下方可吹入干燥空气，并维持较高的正压力，以防止环戊烷气体进入。
(6) 在环戊烷储罐区卸料时，先要将卸料槽车可靠接地，形成等势体，且灌注流速要控制在5 m/s，以防静电聚积。要调好呼吸平衡系统，吸气管高要求达5 m，且离罐区距离为10 m以上，首次加注环戊烷之前，罐内应用氮气置换。
(7) 现场需配备足量的消防器材（如：泡沫、干粉、1211灭火器等）及泄漏应急处理设备。
6 当前国内环戊烷改造工作面临的问题
国内家电行业从二十世纪90年代中期开始进行HCFC替代改造，经过近十年的发展，许多大型家电企业如青岛海尔、广东科龙、河南新飞等环戊烷改造，由最初全部依靠国外进口到今天大部分国内消化。同时，随着ODS替代步伐的加快，环戊烷改造工作已开始向规范化，制度化迈进。但到目前为止，国内在环戊烷改造方面还没有一套完整的标准体系。因此，环戊烷工作标准的制定已迫在眉睫，这既是家电企业关注的、也是环戊烷设备制造企业关注的大事。
我们呼吁国家有关行业协会尽早出台关于环戊烷改造的行业标准和规范，并在此基础上建立国内权威认证和验收机构，使环戊烷改造工作完全规范化，制度化。
7 结束语
从目前国内环戊烷改造专业企业的整体技术实力来看，我国家电行业HCFC替代已完全具备国产化条件，应该彻底改变我国ODS替代还要依靠进口的局面。
湖南湘潭精正设备制造有限公司经过十年的发展，已承担过国内家电行业的大型环戊烷改造工程，具备很强的技术开发实力，作为国内ODS替代骨干企业，我们愿意在我国ODS替代工作中，发挥我们的技术创新优势，为彻底改变我国ODS替代依靠进口的局面，为振兴民族工业作出自己的贡献。