陶瓷企業燃料“煤改氣”技術措施及節能環保效益*

伍志良 黃春林

(佛山市三水新明珠建陶工業有限公司 廣東 佛山 528131)

前言

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，使得天然氣的應用成為必然。目前，全國各地政府部門開始采取行動限制煤炭的使用，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，采用天然氣取代煤炭作為燃料可以大大減輕對環境的污染。為了積極響應政府部門“煤改氣”的號召，解決用能陶瓷企業“煤改氣”后的燃料成本問題，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。以下僅就陶瓷企業使用燃料的原料加工工序和窯爐燒成工序“煤改氣”后作節能分析。

1 陶瓷企業 “煤改氣”節能分析

1.1 原料加工

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、礦砂和水混合送入球磨機，研磨成規定細度并含有較高水分的泥漿，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分的泥粉。而噴霧干燥塔的熱風爐所用的燃料經歷了從20世紀80、90年代的燃油，到2000年后的大部分水煤漿燃料，部分采用水煤氣作燃料，近年也有部分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。據統計，供給原料車間工序中熱風爐的燃料占全企業總燃料消耗量很大比例。

表1 噴霧塔產量和燃料消耗量情況

在對陶瓷企業實施的企業能源審計過程中，我們專門對某企業的噴霧干燥塔進行熱平衡測試，分別測定了當前企業使用較普遍的燃用水煤漿噴霧干燥塔和使用天然氣燃料的噴霧干燥塔的產品單位能耗，具體數據見表1。

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1 787 414 kJ/t；使用天然氣燃料的噴霧干燥生產每噸粉料天然氣的單耗為45.14 m3/t，按所使用燃料的熱值計產每噸粉料熱耗為1 575 356 kJ/t。生產每噸粉料熱耗隨著使用的燃料不同，致使設備燃料的利用率和熱效率得到不同提高，使用天然氣燃料的達到完全燃燒，單耗比使用水煤漿燃料減少212 058 kJ/t，降低了11.86%。當然，噴霧塔的燃料單耗，與進塔的漿料水分、出塔的粉料水分以及設備運行負荷和產量等因素相關。

圖1 陶瓷企業原料車間熱力系統

表2使用天然氣燃氣輪機發電后的排煙并補燃作噴霧塔干燥供熱(以熱定電)系統燃料消耗量

項目代號計算數據噴霧干燥粉料產量(kg/h)W企業數據8972噴霧塔需要熱量(kJ/h)Q需見使用天然氣計算表14134095發電量(kW·h)P設定2138天然氣熱值(kJ/m3)q設定35335氣耗率(m3/kW·h)K燃氣輪機參數0.308用天然氣量(m3/h)S1P×K659 煙氣流量(460℃時)(m3/m3)v燃氣輪機參數26.3排煙量(460℃時)(m3/h)VS1×v17319 燃氣輪機排煙溫度(℃)t1燃氣輪機參數460

續表2

噴霧干燥工藝主要用熱需求是所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，熱煙氣的溫度為600 ℃左右。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有所降低，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。

如果能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可以采取分布式能源系統進行熱電聯產設計。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，同時通過燃氣輪機的排出煙氣的余熱向噴霧干燥工藝供熱，滿足工藝的用熱需要。若陶瓷企業“煤改氣”，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。

我們以上述噴霧干燥粉料產量為8.972 t/h，采用天然氣燃燒產生熱煙氣供熱，需要以熱量為14 134 095 kJ/h的噴霧塔為例，若能夠采用圖2所示熱電聯供系統，則可降低純燃燒天然氣時的燃料成本。

圖2 陶瓷企業原料車間熱電聯供熱力系統

將上述原使用水煤漿或直接使用天然氣的5000型的噴霧干燥塔與采取熱電聯產系統煙氣余熱的同樣產量的噴霧干燥塔費用進行對比如表3所示。

表3使用天然氣燃氣輪機發電后的排煙作噴霧塔干燥供熱燃料費用對比

項目使用水煤漿直接使用天然氣使用天然氣熱電聯產粉料產量(kg/h)912689728972燃料用量(kg/h)1249405744產每噸粉料燃料單耗(m3/t)136.8645.1482.92

續表3

續表3

噴霧塔使用水煤漿時產每噸粉料燃料費用為68.43元/t，直接使用天然氣時產每噸粉料燃料費用為135.42元/t，使用天然氣熱電聯產時產每噸粉料燃料費用為93.86元/t。天然氣熱電聯產對比直接使用天然氣燃料成本降低30.69%。

1.2 窯爐燒成

陶瓷企業窯爐燒成工序采取“煤改氣”后，可以減少煤制氣過程和窯爐燒成過程的熱量損失，具體分析如下：

1.2.1 煤制氣過程熱量損失

陶瓷企業窯爐目前使用煤氣發生爐生產的煤制氣。在煤氣發生爐制造煤制氣的過程中存在較大的爐渣、散熱、化學等熱量損失。

我們對煤氣發生爐的熱平衡進行測定，數據如表4和圖3所示。

表4 煤氣發生爐熱平衡數據表

圖3 煤氣發生爐熱平衡

該煤氣發生爐使用低位熱值為27 416 kJ/kg的原煤2 699.9 kg/h，產生低位熱值為6 281 kJ/Nm3煤制氣8 308.06 Nm3/h。

煤氣發生爐氣化熱效率=
煤氣有效化學熱/燃料燃燒放熱×100=
52 186.22/74 020.467 402 0.46=70.49%

煤氣產率=8 308.06/2 699.9=3.08 Nm3/kg

熱平衡測定數據顯示，爐體散漏熱、灰渣帶出熱、水蒸氣帶出熱等熱損失占入爐燃煤熱量的近三分之一。

1.2.2 窯爐燒成過程熱量損失

窯爐使用煤制氣時，由于煤制氣的熱值較低，獲得同樣的窯內溫度和保證窯內橫向溫差一致時，所使用的窯爐煤制氣燒嘴所配置風燃比較大，導致窯爐排煙量增加從而增加了熱量損失，因而使用煤制氣的燃燒效率比使用天然氣的燃燒效率低。

窯爐從原來使用煤制氣改為使用天然氣之后，由于降低窯爐燃燒過程空氣系數，減少了入窯的助燃風量和減少了出窯的排煙量，可以減少排煙熱量損失，按產量為1 000 m2/h的窯爐燒成實際生產計算，其節能量為：

使用煤制氣燒嘴窯爐內空氣系數：a2=1.85(煙氣含氧量平均值9.5%)，用煤制氣(熱值6 281 kJ/Nm3)量為Q=10 650 Nm3/h。

理論空氣量：Lo=0.209×6 281/1 000=1.31 Nm3/m3

理論煙氣量：Vo=0.174×6 281/1 000+1.0=2.09 Nm3/m3

實際煙氣量：VS=Vo+(a2-1) ×Lo

=2.09+(1.85-1)×1.31

=3.20 Nm3/m3

產生煙氣量為：V=Q×VS=10 650×3.20=34 080 Nm3/h

按窯爐排煙平均溫度250 ℃，煙氣比熱1.31 kJ/Nm3計，所排煙損失熱量為：G2=34 080×1.31×250=11 161 200 kJ/h。

使用天然氣燒嘴窯爐內空氣系數:a1=1.50(煙氣中含氧量平均值6.8%)，用天然氣(熱值35 334 kJ/Nm3)量為Q=1 850 Nm3/h。

理論空氣量：Lo=0.265×35 334/1 000+0.05=9.41 Nm3/m3

理論煙氣量：Vo=0.265×35 334/1 000+0.05=9.41 Nm3/m3

實際煙氣量：VS=Vo+( a1-1) ×Lo

=9.41+(1.50-1)×9.41

=14.12 Nm3/m3

產生煙氣量為：V=Q×VS=1 850×14.12=26 122 Nm3/h

按窯爐排煙平均溫度250 ℃，煙氣比熱1.31 kJ/Nm3計，所排煙損失熱量為：G1=26 122×1.31×250=8 554 955 kJ/h。

窯爐從原來使用煤制氣改為使用天然氣之后可以減少出窯的排煙熱量損失：G2-G1=11 161 200-8 554 955=2 606 245 kJ/h，減少了23.35%。

1.2.3 窯爐燒成工序“煤改氣”節能和減少費用計算

一條日產地磚24 000 m2的窯爐，每小時使用煤制氣量為10 650 m3/h，生產每平方米產品的煤氣單耗為10.65 m3/m2產品。實際上由上述煤氣站生產熱值為6 281 kJ/Nm3的煤制氣，其煤氣產率為3.08 m3/kg時，由于存在煤氣發生爐制造煤制氣的工藝過程中各項損失，需要使用熱值為27 416 kJ/kg的原煤量為3.46 kg/m2產品。使用原煤折標準煤3.24 kgce/m2。

如果該窯爐使用天然氣時，若按窯爐使用熱值為35 335 kJ/m3，每小時使用天然氣量為1 850 m3/h，天然氣單耗為1.75 Nm3/m2，使用天然氣折標準煤2.11 kgce/m2。對比原來使用的煤制氣，無煤氣發生爐制造煤制氣的工藝過程中存在較大的各項能量損失，而且改為使用天然氣之后，由于降低窯爐燃燒過程空氣系數，減少了入窯的助燃風量和出窯的排煙量，減少了排煙熱量損失，從而降低了窯爐實際運行能耗。

對比節能率為：(3.24-2.11)/3.24×100%=34.88%

另外，取消了煤氣發生爐制造煤制氣的工藝過程，節省了設備運行水電能消耗、操作人員工資、設備折舊維護等費用。據某企業煤氣站實際運行統計數據，其生產每立方米煤制氣費用(見表5)。

表5 煤氣站生產費用

據以上數據分析，計算 “煤改氣”之后，每日該窯爐的燃料及生產工藝過程費用(見表6)。

表6 窯爐使用煤制氣時燃料費用計算

續表6

窯爐“煤改氣”后費用對比：窯爐產量為24 000 m2/d的窯爐，使用煤制氣時燃料費用加工過程費用為85 472元/d，使用天然氣時燃料費用為126 000元/d。使用天然氣的費用比使用煤制氣的費用增加47.42%。

表7 窯爐使用天然氣時燃料費用計算

2 “煤改氣”節能環保效益

通過上述計算分析，陶瓷生產企業在使用燃料上的“煤改氣”，通過對用能工藝和設備改進，可以達到較大的節能效果和降低燃料成本。

以在原料加工工序采用天然氣代替較普遍使用的水煤漿，能耗降低了11.86%。如果采用天然氣的同時結合熱電聯產措施，則更可以降低天然氣燃料成本30.69%。若以一家年生產吸水率E≤0.5%陶瓷磚產量為720萬m2使用水煤漿作噴霧干燥塔燃料的企業為例計算，按實際測定其原料加工工序噴霧干燥塔產粉料產量為169 668 t，消耗水煤漿量169 668×136.86/1 000=23 220.76 t，按水煤漿熱值折算消耗標準煤量23 220.76×13 060/29 271=10 360.53 tce?！懊焊臍狻焙笤霞庸すば蛳奶烊粴饬?69 668×45.14=7 658 813 m3, 按天然氣熱值折標準煤量7 658 813×35 335/29 271=9 245.47 tce。對比節約標準煤量為1 115.06 tce。在窯爐燒成工序采用天然氣，由于淘汰煤氣發生爐減少能源轉換損失，并對采用天然氣燃燒的窯爐運行參數調節措施，大大降低了工序能耗，從而節約燒成工序標準煤消耗量為7 200 000×(3.24-2.11)/1 000=8 136 tce。合計共節約標準煤消耗量9 251.06 tce，可減少CO2排放量為9 251.06×3.5=32 387.71 tCO2。

此外，“煤改氣”后不使用燃煤，消除了煙氣SO2排放，燃燒過程粉塵排放，減輕了環保設備的負擔。廠區取消了燃煤堆放倉儲、煤氣站、煤渣堆放場地，減少了陶瓷企業的用地面積。以日產60 000 m2仿古磚，4條窯爐生產線規模的陶瓷廠來預計，可節約用地20 000 m2，節約基建投資1 200萬元，節約設備投資1 000萬元。

3 結語

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。在使用優質能源天然氣時，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，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。