建筑陶瓷企業(yè)原料車間采用熱電聯(lián)產(chǎn)能源系統(tǒng)的可行性

謝炳豪

摘 要：本文對墻地磚生產(chǎn)企業(yè)原料車間所用的燃料從使用水煤漿改變?yōu)槭褂锰烊粴獾哪茉蠢们闆r進(jìn)行分析，并以一家當(dāng)前正常生產(chǎn)并帶有普遍性的墻地磚生產(chǎn)企業(yè)的原料車間的生產(chǎn)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)來核算其經(jīng)濟(jì)性，探討建筑陶瓷企業(yè)原料車間采用熱電聯(lián)產(chǎn)能源系統(tǒng)的可行性。

關(guān)健詞：墻地磚生產(chǎn)；原料車間；天然氣；分布式能源系統(tǒng)

1 概述

建筑陶瓷墻地磚生產(chǎn)企業(yè)的原料車間一直沿用多年的工藝是將泥料、礦砂和水混合進(jìn)入球磨機(jī)，研磨成規(guī)定細(xì)度并含有較高水份的泥漿，泥漿經(jīng)陳化之后送入以熱風(fēng)作熱源的噴霧干燥塔中，噴成霧狀的泥漿經(jīng)與熱風(fēng)進(jìn)行熱交換成為含較低水份的泥粉。而噴霧干燥塔的熱風(fēng)爐所用的燃料經(jīng)歷了從80、90年代的采用燃油燃料，到2000年后的大部水煤漿燃料，部份采用水煤氣作燃料，近年也有部份噴霧干燥塔的熱風(fēng)爐直接采用鏈排式燃煤熱風(fēng)爐取代水煤漿熱風(fēng)爐。

由于燃煤中含有大量有害物質(zhì)，這些有害物質(zhì)燃燒后隨煙氣一起排向大氣，對大氣造成了極大的污染。因此，減少燃煤爐的煙塵排放以及煙氣中的各種有害物質(zhì)，對改善大氣環(huán)境有著不可忽視的作用。要從根本上解決燃煤對空氣污染的問題，必須從改變?nèi)剂先胧郑床捎们鍧嵢剂咸娲鷤鹘y(tǒng)的煤，而天然氣正是目前最理想的替代燃料。隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、國力的提高以及對環(huán)保問題的重視，尤其是對日益嚴(yán)重的工業(yè)化污染的擔(dān)憂，使得天然氣的利用成為必然。目前，全國各地政府部門開始采取行動限制煤的使用，鼓勵工業(yè)、企業(yè)、居民使用天然氣。而且，近年來隨著天然氣輸送管道的大力投資發(fā)展，天然氣的利用已具備了必要條件。天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)、高效、清潔的氣體燃料已經(jīng)被廣泛使用，采用天然氣取代煤作為燃料可以大大減輕對環(huán)境的污染。

然而，目前天然氣價格相對燃煤而言，使用成本仍較高。為了積極響應(yīng)政府部門“煤改氣”號召，解決用能企業(yè)“煤改氣”后的用能成本問題，需要研究提高建筑陶瓷墻地磚生產(chǎn)企業(yè)的用能系統(tǒng)和設(shè)備的能源利用效率，對用能系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的改革。

2 天然氣分布式能源系統(tǒng)

天然氣分布式能源系統(tǒng)，即熱電聯(lián)供系統(tǒng)，是指以天然氣為主要燃料，在用戶側(cè)安裝天然氣燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的電力滿足用戶的電力需求，同時通過燃?xì)廨啓C(jī)排出煙氣的余熱向用戶供熱，滿足用戶的用熱需要。熱電聯(lián)供系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：

（1）可實(shí)現(xiàn)能源的梯級利用，能源綜合利用效率高；

（2）采用天然氣作為能源，清潔、環(huán)保、排放少；

（3）設(shè)置于用戶內(nèi)，可有效降低輸送通道的能耗；

（4）具有備用電源的功能，實(shí)現(xiàn)兩路供電，企業(yè)的用電安全性和穩(wěn)定性提高；

（5）對天然氣和電網(wǎng)電力實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”。天然氣使用的低谷時段與市政電力高峰時段常常同時出現(xiàn)在夏季，使用天然氣分布式能源系統(tǒng)，可降低區(qū)域電網(wǎng)的壓力，同時增加夏季的天然氣使用量。

早期，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組一般與余熱鍋爐和蒸汽汽輪機(jī)組共同組成聯(lián)合循環(huán)熱力系統(tǒng)作為發(fā)電廠使用，發(fā)電功率在120 MW以上，聯(lián)合循環(huán)熱效率達(dá)到52%以上，此運(yùn)行方式已經(jīng)有多年的歷史。而天然氣分布式能源系統(tǒng)，則是近年在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組微型化技術(shù)進(jìn)步之后推行的一種熱電聯(lián)供系統(tǒng)。微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組可以提供從0.4 ～ 6.5 MW發(fā)電功率范圍機(jī)組。它們既能使用天然氣，又能使用多種可燃?xì)怏w。目前國內(nèi)在城市區(qū)域供熱供冷、造紙企業(yè)熱電聯(lián)供、工業(yè)園區(qū)冷熱電聯(lián)供等已經(jīng)有較多的成功應(yīng)用。其目的是以最高的用能效率和最經(jīng)濟(jì)的代價，滿足終端用戶的多樣化的能源需求。天然氣的利用效率可達(dá)到85%以上。天然氣分布式能源系統(tǒng)冷熱電聯(lián)供作為最先進(jìn)的能源利用技術(shù)，目前在國內(nèi)外得到了快速的發(fā)展。

3 墻地磚生產(chǎn)企業(yè)原料車間的燃料消耗現(xiàn)狀

如前所述，目前墻地磚生產(chǎn)企業(yè)原料車間噴霧干燥塔的熱風(fēng)爐所用的燃料部份采用水煤漿或原煤，部份采用水煤氣，仍然較少使用天然氣。

據(jù)統(tǒng)計，陶瓷企業(yè)燃料消耗除了以原煤制作水煤氣供給窯爐使用之外，原料車間工序中供給熱風(fēng)爐的燃料占企業(yè)總?cè)剂舷牧康?5%以上。

在對陶瓷企業(yè)實(shí)施的企業(yè)能源審計過程中，我們專門對部份企業(yè)的噴霧干燥塔進(jìn)行熱平衡測試，測定了燃用不同燃料的噴霧干燥塔的產(chǎn)品單位能耗，具體數(shù)據(jù)如下表：

運(yùn)行規(guī)格同為5000型的噴霧干燥塔，當(dāng)使用水煤漿燃料的噴霧干燥生產(chǎn)時每噸粉料水煤漿單耗為136.86 kg/t，按所使用燃料的熱值計產(chǎn)每噸粉料熱耗為1787414 kJ/t；使用水煤氣燃料的噴霧干燥生產(chǎn)每噸粉料水煤漿單耗為282.54 m3/t，按所使用燃料的熱值計產(chǎn)每噸粉料熱耗為1691014 kJ/t；使用天然氣燃料的噴霧干燥生產(chǎn)每噸粉料水煤漿的單耗為45.14 m3/t，按所使用燃料的熱值計產(chǎn)每噸粉料熱耗為1575356 kJ/t。產(chǎn)每噸粉料熱耗隨著使用的燃料不同，致使用設(shè)備的燃料利用率和熱效率不同而提高，使用天然氣燃料的達(dá)到完全燃燒，單耗比使用水煤漿燃料降低。

當(dāng)然，噴霧塔的燃料單耗，還與進(jìn)塔的漿料水份、出塔的粉料水份以及設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷和產(chǎn)量有關(guān)，以上數(shù)據(jù)僅提供部份噴霧干燥塔當(dāng)時的運(yùn)行情況進(jìn)行熱平衡測試的數(shù)據(jù)。

4 采用熱電聯(lián)供系統(tǒng)的可行性

為了考察建筑陶瓷墻地磚生產(chǎn)企業(yè)采用熱電聯(lián)供系統(tǒng)是否可行，我們以一家當(dāng)前正常生產(chǎn)并帶有普遍性的墻地磚生產(chǎn)企業(yè)的原料車間生產(chǎn)現(xiàn)狀來核算其經(jīng)濟(jì)性。

據(jù)對該企業(yè)進(jìn)行2015年度企業(yè)能源審計的資料，該企業(yè)目前生產(chǎn)產(chǎn)品有拋釉磚和釉面磚二種產(chǎn)品，生產(chǎn)設(shè)備有燃用水煤漿的噴霧干燥塔三座；窯爐共6條，其中1#、4#二條窯爐生產(chǎn)拋釉磚產(chǎn)品，02#、2#、05#、5#二組窯爐生產(chǎn)釉面磚產(chǎn)品。

按生產(chǎn)二種產(chǎn)品的產(chǎn)量和粉料水份（不計算壓機(jī)漏失和破損損耗）折算得企業(yè)各噴霧塔產(chǎn)粉料量平均為23.17 t/h。

據(jù)表3數(shù)據(jù)，企業(yè)全年生產(chǎn)粉料量為：endprint

（241.52+314.54）×300=166818 t

企業(yè)能源審計中審核統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全年共消耗水煤漿量為21626 t，生產(chǎn)粉料的燃料單耗為：

21626×1000/166818=129.64 kg/t

據(jù)此，計算得企業(yè)原料車間單位時間平均燃料消耗量、熱耗和燃料費(fèi)用為：

即該企業(yè)使用水煤漿作燃料用于噴霧干燥塔生產(chǎn)粉料平均產(chǎn)量為23.17 t/h，平均需要消耗水煤漿3004 kg/h，按所使用的水煤漿熱值13160 kJ/kg計，輸入熱風(fēng)爐水煤漿熱量39528409 kJ/h。按水煤漿單價0.55 元/kg，需用水煤漿燃料費(fèi)用為1652 元/h。

企業(yè)使用燃燒水煤漿的熱風(fēng)爐或直接采用燃燒原煤的鏈排爐熱風(fēng)爐供熱用于噴霧干燥塔生產(chǎn)粉料，已經(jīng)沿用多年并已經(jīng)作為企業(yè)固定生產(chǎn)成本。燃料費(fèi)用較低，但是燃料使用效率低，燃煤燃料污染大。

企業(yè)若以天然氣作熱風(fēng)爐的燃料，即使如上述測試數(shù)據(jù)計算燃料利用率和熱效率提高，熱耗率比使用水煤漿燃料降低，但是由于天然氣價格比原煤高，燃料成本仍比使用水煤漿燃料高得多，計算如下表。

即該企業(yè)使用天然氣作燃料用于噴霧干燥塔生產(chǎn)粉料平均產(chǎn)量為23.17 t/h，平均需要消耗天然氣1046 m3/h，按所使用的天然氣熱值34899 kJ/m3計，輸入熱風(fēng)爐天然氣熱量36499672 kJ/h。按天然氣單價3.50 元/kg，需用天然氣燃料費(fèi)用為3661 元/h。使用天然氣作燃料比使用水煤漿作燃料費(fèi)用高出2倍多。

噴霧干燥工藝主要是用熱需求，要求的加熱介質(zhì)為熱風(fēng)，而陶瓷企業(yè)噴霧干燥要求的則是熱煙氣，熱煙氣的溫度在600℃左右。結(jié)合燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行，其排氣也是以溫度在500℃左右的熱煙氣方式排出，陶瓷企業(yè)噴霧干燥工藝若能結(jié)合分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)計，將可大大降低企業(yè)使用天然氣成本，并提高天然氣的綜合能源利用效率。

熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)計方案即采用分布式能源系統(tǒng)設(shè)置燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，天然氣供給燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組所發(fā)電，提供企業(yè)全部用電后，余電上網(wǎng)。而燃?xì)廨啓C(jī)排出的高溫?zé)煔饨?jīng)增設(shè)的天然氣直燃燃燒機(jī)補(bǔ)燃至工藝所需要的溫度后供給噴霧塔干燥使用。

仍以該企業(yè)為例，該企業(yè)全年全廠生產(chǎn)用電31168900 kWh，平均用電負(fù)荷為約4329 kW。按噴霧干燥塔按使用的天然氣時輸入熱風(fēng)爐天然氣熱量36499672 kJ/h。擬設(shè)置一臺額定發(fā)電功率4.60 MW燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，額定煙氣溫度460℃。該企業(yè)使用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電負(fù)荷為5520 kW時，此時燃?xì)廨啓C(jī)排出煙氣熱量和經(jīng)直燃燃燒機(jī)天然氣補(bǔ)燃后將煙氣溫度提升至600℃的熱量送至噴霧干燥塔。剛好可滿足噴霧干燥工藝用熱需求。另外配置天然氣燃燒機(jī)，以滿足燃?xì)廨啓C(jī)檢修時干燥工藝用熱需求。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電負(fù)荷為5520 kW與企業(yè)實(shí)際用電負(fù)荷4329 kW之差余電上網(wǎng)。燃?xì)廨啓C(jī)組使用的天然氣量加上補(bǔ)充直燃燃燒機(jī)天然氣量的總使用天然氣量為1988 m3/h，總使用天然氣總費(fèi)用為4195 元/h，扣除發(fā)電收益4195 元/h（電價按0.76 元/kWh），噴霧干燥塔使用天然氣的實(shí)際費(fèi)用為2764 元/h。

按此方案實(shí)施，比純使用天然氣作燃料費(fèi)用降低24.50%。比使用水煤漿作燃料費(fèi)用高出67.31%。

5 結(jié)論及建議

通過對某企業(yè)的現(xiàn)有原料車間的用能數(shù)據(jù)分析，采用熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)計方案即天然氣供給燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組所發(fā)電，而燃?xì)廨啓C(jī)排出的高溫?zé)煔饨?jīng)增設(shè)的天然氣直燃燃燒機(jī)補(bǔ)燃至噴霧干燥工藝用熱需求的用能系統(tǒng)，相對于以天然氣直接全替代用能系統(tǒng)，可以降低企業(yè)“煤改氣”后的燃料成本，優(yōu)化企業(yè)的用能系統(tǒng)和設(shè)備能源利用效率。

隨著國家“煤改氣”能源政策的推行，各地政府部門開始采取行動限制煤的使用，鼓勵企業(yè)使用天然氣。在使用天然氣優(yōu)質(zhì)能源時，需要努力尋求更優(yōu)化的能源轉(zhuǎn)換方式和更高的轉(zhuǎn)換效率。建議企業(yè)積極推廣高能效設(shè)備的應(yīng)用，將更深入提高企業(yè)能源利用效率和降低企業(yè)用能成本，也為減少生產(chǎn)過程污染物排放作出貢獻(xiàn)。endprint