陶瓷工廠能源管理及綜合利用

賴海林 徐 欣 陳乃慶

陶瓷工廠能源管理及綜合利用

賴海林 徐 欣 陳乃慶

(天津市新控自動化科技有限公司 天津 300040)

通過對窯爐熱排放的有效檢測,并合理控制利用,可使企業清楚了解生產設備的能耗,并可有效利用余熱,減少能耗,直接或間接降低生產成本。筆者經過對各種工況的充分考察,計算分析了熱能耗的可控因素及控制可行性,并對系統在實際應用中易出現的問題和缺陷進行了研究。經過在有效工況下的實際應用,充分驗證了合理利用有效的控制手段,對窯爐熱排放進行控制從而達到節能減排的目的是切實可行的。

能耗管理 節能減排 余熱利用

前言

陶瓷工業是傳統的高耗能產業,隨著發達國家的產業轉移,我國的陶瓷產業位列世界首位。如何適應當前嚴峻的能源緊缺環境及節能減排的大趨勢,是關系陶瓷產業生存發展的緊迫問題。

近年來在政府能源政策的引導下,陶瓷行業的生產技術水平有了長足的進步,單位能耗已大大降低。但與發達國家相比仍有較大的差距。其中百萬美元產值能耗是 OECD(經濟合作與發展組織)國家和地區的4.3倍[1],單位產品能耗高出發達國家 0.5～1倍[2]。為了實現國家十一五期間降耗 20%的艱巨任務,陶瓷行業的節能降耗大有可為。圖1簡要介紹了陶瓷工廠的能源投入產出關系。

圖1 陶瓷工廠的能源投入產出關系

陶瓷工廠的節能減排工作是一項系統工程,最優的解決方式當然是在新廠設計時統籌解決。對于現有的企業,則需要根據具體情況來探討解決方案。

近年來,我公司在陶瓷企業的節能減排方面作了大量工作,逐步將脈沖燃燒,富氧燃燒,少空氣干燥等先進節能技術引入了窯爐控制系統。并開發出適用于陶瓷廠的能源管理及利用控制系統,已開始在國內推廣。本文結合工程實例 (下稱 A工廠)對能源管理及利用控制系統進行簡要介紹,以期與同行相互交流,共同促進陶瓷廠的節能減排工作。

1 能源管理及利用控制系統的工作原理

該系統依托德國西門子公司先進的控制技術及控制系統,以精確的能源計量診斷技術為基礎,對陶瓷廠的用能設備進行整合。根據每個工廠的實際情況 (新廠規劃或現有工廠節能改造)制定出高效節能低排放的能源管理及利用方案并實施。

能源管理及利用控制系統的原理框圖見圖2。

2 A工廠窯爐余熱熱源的分析計算

2.1 窯爐耗能

A工廠的窯爐是 5座以天然氣為燃料的間歇式抽屜窯,單座窯爐一個燒成周期的設計燃料消耗量約為11000m。

圖2 能源管理及利用控制系統的原理框圖

2.2 余熱熱源

對現有同類型的窯爐熱工記錄進行分析,由煙氣排出的熱量 (含制品冷卻階段的排熱)為燃料產熱的63%。設新建窯爐的單爐能耗約為 2.6×108kJ/窯次。可供利用的余熱是由煙氣排出的熱量,約為 1.6×108kJ/窯次。

每座窯爐可穩定供熱的時間為 42h,(煙道溫度高于 300℃,排煙流量大于 11000Nm3/h),為整個含裝 /出窯時間的燒成周期的 1/3左右。當窯爐的利用率為85%時,窯爐可穩定供熱的周期重疊率為 1.3,即可按單爐 1.3倍的功率連續供熱。

3 干燥房余熱利用

3.1 干燥房能耗計算

新廠房內設計了干燥房 10間,折合成 150m的標準烘房 15間,每間干燥房的加熱能耗為 9.2×104kJ/h,干燥能耗為 5.6×104kJ/h,按加熱 /干燥房時間比例 1∶6計算,每間標準烘房的能耗為 7.2×104kJ/h(換算為 85℃的熱風,流量為 1470m/h)。烘房總能耗 1.08×106kJ/h。

3.2 使用余熱熱源的計算

主要利用窯爐冷卻階段排放的熱能向烘房供熱,不夠時可調用中保階段的排放 (可按控制預案自動選擇)。每座窯爐冷卻階段中可穩定供熱的時間為 20h,(煙道溫度高于 120℃,流量大于 2.0×104m/h)為整個燒成周期的 1/4左右。設干燥房的利用率為 90%,如果五座窯爐長期正常生產,即可滿足烘房對熱源的需求。

節能減排經濟效益分析：

烘房利用率按 90%計算,全年總體耗能為 8.40×109kJ。

核減余熱利用系統的電能消耗后,全年節能 7.98×109kJ。折合天然氣為 2.12×105m,減少二氧化碳排放量約 1800t。

4 養護水池及廠房地熱采暖余熱利用

采用安裝在煙道中的高效換熱器將窯爐工作全過程排放的熱能置換,向使用設備供應熱水。能源管理及利用控制系統實時監測每座窯爐的工作狀態,當某座窯爐到達供熱時間窗口后,啟用該座窯爐的換熱器,向熱水箱供應高于 80℃的熱水。

節能減排經濟效益分析：

熱管式換熱器效率按 30%計算,全年總體換能：

每小時可提供大約 2t的 80℃熱水。如使用 2t熱水鍋爐,小時耗煤量為 0.28t,全年耗煤 2500t。二氧化碳排放量約 6350t。

5 窯爐助燃空氣預熱余熱利用

采用安裝在煙道中的助燃空氣換熱器將助燃空氣進行預熱后送入窯爐燃燒器,可達到節能效果。每座窯爐升溫過程可供換熱的時間為 38h,當助燃空氣溫度高于 125℃,平均節能 3.6×105kJ/h。

節能減排經濟效益分析

全年總體節能：

360000kJ/h×38×4×5×12h=3.28×109kJ

6 車間采暖余熱利用

將冷卻階段的清潔熱空氣,輸送到成形車間暖風系統,用于車間采暖。

經控制系統調配后,到達暖風系統的溫度為 35～40℃,流量 30000s·m/h,當窯爐的利用率為 85%時,即可連續供熱。

節能減排經濟效益分析：

廠房采暖熱負荷系數取 160W/㎡,余熱可滿足 5 000㎡廠房的采暖需要。

核減采暖風機的電能消耗后,全年采暖節能 3.9×109kJ,折合天然氣 1.0×105m,減少二氧化碳排放量約 1800t。

7 噴塔配風余熱利用

經控制系統調配后,煙氣溫度為 150～180℃,流量 20000s·m/h。可用于噴霧干燥塔配風,節約噴塔燃料消耗。當窯爐的利用率為 85%時,即可向噴霧干燥塔連續供熱。

節能減排經濟效益分析：

可向噴塔注入能量 (噴塔開車率 60%)為

3.6×106kJ/h×24h×220=1.9×1010kJ

核減抽熱風機的電能消耗后,全年節能 1.7×1010kJ,折合天然氣 4.65×105m,減少二氧化碳排放量約3900t。

8 余熱利用項目經濟效益分析

余熱利用項目經濟效益分析結果見表1。

表1 余熱利用項目經濟效益分析表

能源管理及利用控制系統的整體經濟效益：

由于貫徹了“優質優用,梯級利用”的能源利用方案,該系統的節能經濟效益顯著。

1)節能：節約天然氣 1.046 ×106m/a,按現行價格計算為 350萬元 /a。

2)減排：每年減少二氧化碳排放量約 1.4×104t。

減去初期投資及系統的運行費用,運行五年的效益為：1200萬元,減少二氧化碳排放 7萬 t。

9 結論

能源管理及利用控制系統自 2008年開始,已應用在陶瓷行業內的多個工廠,取得了良好的經濟社會效益。其中有新建的工廠,也有正常生產的企業。今后將寄希望于國家的政策導向,在陶瓷企業的設計階段就將能源管理及利用系統與生產工藝設計相結合并且同時建設,這樣將會對陶瓷企業的節能減排工作有極大的推動。

1 楊輝.我國建筑陶瓷的發展現狀及節能減排.中國陶瓷工業 ,2009,16(4)：15～18

2 胡國林.對陶瓷工業節能減排的思考.中國陶瓷工業,2009,16(4)：23～25