建筑陶瓷企業原料車間采用熱電聯產能源系統的可行性

謝炳豪

摘 要：本文對墻地磚生產企業原料車間所用的燃料從使用水煤漿改變為使用天然氣的能源利用情況進行分析，并以一家當前正常生產并帶有普遍性的墻地磚生產企業的原料車間的生產現狀數據來核算其經濟性，探討建筑陶瓷企業原料車間采用熱電聯產能源系統的可行性。

關健詞：墻地磚生產；原料車間；天然氣；分布式能源系統

1 概述

建筑陶瓷墻地磚生產企業的原料車間一直沿用多年的工藝是將泥料、礦砂和水混合進入球磨機，研磨成規定細度并含有較高水份的泥漿，泥漿經陳化之后送入以熱風作熱源的噴霧干燥塔中，噴成霧狀的泥漿經與熱風進行熱交換成為含較低水份的泥粉。而噴霧干燥塔的熱風爐所用的燃料經歷了從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爐直接采用鏈排式燃煤熱風爐取代水煤漿熱風爐。

由于燃煤中含有大量有害物質，這些有害物質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，對改善大氣環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，必須從改變燃料入手，即采用清潔燃料替代傳統的煤，而天然氣正是目前最理想的替代燃料。隨著國家經濟的發展、國力的提高以及對環保問題的重視，尤其是對日益嚴重的工業化污染的擔憂，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、企業、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展，天然氣的利用已具備了必要條件。天然氣作為一種優質、高效、清潔的氣體燃料已經被廣泛使用，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。為了積極響應政府部門“煤改氣”號召，解決用能企業“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企業的用能系統和設備的能源利用效率，對用能系統進行相應的改革。

2 天然氣分布式能源系統

天然氣分布式能源系統，即熱電聯供系統，是指以天然氣為主要燃料，在用戶側安裝天然氣燃氣輪機發電機組，發電機組產生的電力滿足用戶的電力需求，同時通過燃氣輪機排出煙氣的余熱向用戶供熱，滿足用戶的用熱需要。熱電聯供系統的主要特點如下：

（1）可實現能源的梯級利用，能源綜合利用效率高；

（2）采用天然氣作為能源，清潔、環保、排放少；

（3）設置于用戶內，可有效降低輸送通道的能耗；

（4）具有備用電源的功能，實現兩路供電，企業的用電安全性和穩定性提高；

（5）對天然氣和電網電力實現“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在夏季，使用天然氣分布式能源系統，可降低區域電網的壓力，同時增加夏季的天然氣使用量。

早期，燃氣輪機發電機組一般與余熱鍋爐和蒸汽汽輪機組共同組成聯合循環熱力系統作為發電廠使用，發電功率在120 MW以上，聯合循環熱效率達到52%以上，此運行方式已經有多年的歷史。而天然氣分布式能源系統，則是近年在燃氣輪機發電機組微型化技術進步之后推行的一種熱電聯供系統。微型燃氣輪機發電機組可以提供從0.4 ～ 6.5 MW發電功率范圍機組。它們既能使用天然氣，又能使用多種可燃氣體。目前國內在城市區域供熱供冷、造紙企業熱電聯供、工業園區冷熱電聯供等已經有較多的成功應用。其目的是以最高的用能效率和最經濟的代價，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到85%以上。天然氣分布式能源系統冷熱電聯供作為最先進的能源利用技術，目前在國內外得到了快速的發展。

3 墻地磚生產企業原料車間的燃料消耗現狀

如前所述，目前墻地磚生產企業原料車間噴霧干燥塔的熱風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。

據統計，陶瓷企業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爐的燃料占企業總燃料消耗量的25%以上。

在對陶瓷企業實施的企業能源審計過程中，我們專門對部份企業的噴霧干燥塔進行熱平衡測試，測定了燃用不同燃料的噴霧干燥塔的產品單位能耗，具體數據如下表：

運行規格同為5000型的噴霧干燥塔，當使用水煤漿燃料的噴霧干燥生產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每噸粉料熱耗為1787414 kJ/t；使用水煤氣燃料的噴霧干燥生產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每噸粉料熱耗為1691014 kJ/t；使用天然氣燃料的噴霧干燥生產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每噸粉料熱耗為1575356 kJ/t。產每噸粉料熱耗隨著使用的燃料不同，致使用設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到完全燃燒，單耗比使用水煤漿燃料降低。

當然，噴霧塔的燃料單耗，還與進塔的漿料水份、出塔的粉料水份以及設備運行負荷和產量有關，以上數據僅提供部份噴霧干燥塔當時的運行情況進行熱平衡測試的數據。

4 采用熱電聯供系統的可行性

為了考察建筑陶瓷墻地磚生產企業采用熱電聯供系統是否可行，我們以一家當前正常生產并帶有普遍性的墻地磚生產企業的原料車間生產現狀來核算其經濟性。

據對該企業進行2015年度企業能源審計的資料，該企業目前生產產品有拋釉磚和釉面磚二種產品，生產設備有燃用水煤漿的噴霧干燥塔三座；窯爐共6條，其中1#、4#二條窯爐生產拋釉磚產品，02#、2#、05#、5#二組窯爐生產釉面磚產品。

按生產二種產品的產量和粉料水份（不計算壓機漏失和破損損耗）折算得企業各噴霧塔產粉料量平均為23.17 t/h。

據表3數據，企業全年生產粉料量為：endprint

（241.52+314.54）×300=166818 t

企業能源審計中審核統計數據，全年共消耗水煤漿量為21626 t，生產粉料的燃料單耗為：

21626×1000/166818=129.64 kg/t

據此，計算得企業原料車間單位時間平均燃料消耗量、熱耗和燃料費用為：

即該企業使用水煤漿作燃料用于噴霧干燥塔生產粉料平均產量為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，需用水煤漿燃料費用為1652 元/h。

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

企業若以天然氣作熱風爐的燃料，即使如上述測試數據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。

即該企業使用天然氣作燃料用于噴霧干燥塔生產粉料平均產量為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，需用天然氣燃料費用為3661 元/h。使用天然氣作燃料比使用水煤漿作燃料費用高出2倍多。

噴霧干燥工藝主要是用熱需求，要求的加熱介質為熱風，而陶瓷企業噴霧干燥要求的則是熱煙氣，熱煙氣的溫度在600℃左右。結合燃氣輪機發電機組的運行，其排氣也是以溫度在500℃左右的熱煙氣方式排出，陶瓷企業噴霧干燥工藝若能結合分布式能源系統進行熱電聯產設計，將可大大降低企業使用天然氣成本，并提高天然氣的綜合能源利用效率。

熱電聯產設計方案即采用分布式能源系統設置燃氣輪機發電機組，天然氣供給燃氣輪機發電機組所發電，提供企業全部用電后，余電上網。而燃氣輪機排出的高溫煙氣經增設的天然氣直燃燃燒機補燃至工藝所需要的溫度后供給噴霧塔干燥使用。

仍以該企業為例，該企業全年全廠生產用電31168900 kWh，平均用電負荷為約4329 kW。按噴霧干燥塔按使用的天然氣時輸入熱風爐天然氣熱量36499672 kJ/h。擬設置一臺額定發電功率4.60 MW燃氣輪機發電機組，額定煙氣溫度460℃。該企業使用燃氣輪機發電負荷為5520 kW時，此時燃氣輪機排出煙氣熱量和經直燃燃燒機天然氣補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，以滿足燃氣輪機檢修時干燥工藝用熱需求。燃氣輪機發電負荷為5520 kW與企業實際用電負荷4329 kW之差余電上網。燃氣輪機組使用的天然氣量加上補充直燃燃燒機天然氣量的總使用天然氣量為1988 m3/h，總使用天然氣總費用為4195 元/h，扣除發電收益4195 元/h（電價按0.76 元/kWh），噴霧干燥塔使用天然氣的實際費用為2764 元/h。

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

5 結論及建議

通過對某企業的現有原料車間的用能數據分析，采用熱電聯產設計方案即天然氣供給燃氣輪機發電機組所發電，而燃氣輪機排出的高溫煙氣經增設的天然氣直燃燃燒機補燃至噴霧干燥工藝用熱需求的用能系統，相對于以天然氣直接全替代用能系統，可以降低企業“煤改氣”后的燃料成本，優化企業的用能系統和設備能源利用效率。

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，鼓勵企業使用天然氣。在使用天然氣優質能源時，需要努力尋求更優化的能源轉換方式和更高的轉換效率。建議企業積極推廣高能效設備的應用，將更深入提高企業能源利用效率和降低企業用能成本，也為減少生產過程污染物排放作出貢獻。endprint