棉花加工調(diào)濕熱源改造選擇分析

〔中華全國供銷合作總社鄭州棉麻工程技術(shù)設計研究所，鄭州450004〕

一、背景與問題

（一）現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)狀況

經(jīng)過國家棉花流通檢驗體制改革后，棉花加工企業(yè)規(guī)模化、信息化程度得到較大提升，棉花加工工藝不斷完善，大部分企業(yè)都配備了棉花干燥設備，部分企業(yè)還配置了棉花加濕設備。現(xiàn)代棉花加工企業(yè)的調(diào)濕設備主要包括籽棉烘干、籽棉加濕和皮棉加濕，是棉花加工生產(chǎn)線上的關(guān)鍵設備。盡管皮棉有加濕、烘干的需求，但皮棉烘干應用不多，僅在長江流域部分加工企業(yè)有使用。

棉花干燥環(huán)節(jié)主要是熱風干燥方式，暫時沒有冷凍干燥等其它干燥形式的應用。其中，干燥裝置多采用熱風塔式，熱源以燃煤熱風爐為主，少量采用燃煤導熱油爐、蒸汽換熱器等熱源。

加濕工藝環(huán)節(jié)按是否使用熱源可分為冷加濕和熱加濕兩大類。冷加濕的工作溫度幾乎與環(huán)境溫度相同，一般采用離子交換技術(shù)軟化水質(zhì)，利用超聲波或者高壓對純水進行霧化處理后，直接噴到棉花上。棉纖維的吸濕滯后性和纖維表面的蠟質(zhì)層構(gòu)造阻礙了水分的吸收，較低的溫度也不利于棉纖維膨脹，影響加濕水分的吸收速度，因此冷加濕工藝的加濕水分以表面吸附水為主，難以滲透到棉纖維內(nèi)部形成結(jié)合水，如加濕量大，加濕均勻性和一致性差，易導致加濕后棉花存放出現(xiàn)霉斑，長期品質(zhì)影響難以估計。熱加濕采用熱源加熱的空氣，通過高壓霧化水霧后形成高溫濕熱空氣，以一定的溫濕度和速度穿透棉花產(chǎn)生加濕效果。熱加濕工藝通過高溫使中空的棉纖維產(chǎn)生膨脹，容易與高濕空氣中的水分形成結(jié)合水，從而提高棉纖維的回潮率。顯然熱加濕均勻性更好。雖然使用熱調(diào)濕工藝成本比冷加濕要高。但是為了保證加濕效果，大多數(shù)生產(chǎn)線還是以熱加濕方式為主。

隨著國家環(huán)保政策的趨緊和人民生活水平的提高，國家對節(jié)能減排提出更高要求，調(diào)濕中普遍采用的燃煤熱源被叫停，需要采用燃油、燃氣、電能等更清潔的能源代替。無論是棉花加工企業(yè)還是棉機生產(chǎn)企業(yè)都面臨著如何正確判斷調(diào)濕熱源發(fā)展趨勢，在燃油、燃氣、電能之間做出選擇的難題。

（二）典型調(diào)濕設備熱源配備

2019軋花年度機采棉普及率超過50%，在新疆北疆棉區(qū)超過了90%。機采棉工藝得到了普遍應用，加上機械化開松喂花設備的使用，生產(chǎn)線安全運轉(zhuǎn)率得到提升，若加工時間20 h/d，產(chǎn)量25包/h，折算皮棉5.5 t/h計算，加工企業(yè)加工時間能完全控制在100天內(nèi)。

以技術(shù)先進、干燥強度較高的擱板增熱式籽棉干燥塔為例，加工能力15 t/h籽棉的常規(guī)棉花加工企業(yè)，熱源會配備（5 000～6 700）MJ/h［（120～160）萬kcal/h］熱風爐，熱功率1 389 kW～1 860 kW。熱調(diào)濕熱源功率需要加倍，至少需要8 300 MJ/h（200萬kcal/h，2 305 kW），同時驅(qū)動干燥和加濕需要12 500 MJ/h（300萬kcal/h）。若按5 000 MJ/h（120萬kcal/h）熱風爐計算，標準煤消耗232 kg/h，4.6 t/d。調(diào)濕的熱源成本已經(jīng)成為加工成本的重要組成，研究熱源成為有效降低加工成本，提升質(zhì)量，科學制定調(diào)濕標準的重要內(nèi)容。

二、改造方案分析與選擇

（一）替代煤炭的新能源分析

對于替代煤炭的新能源，主要通過比較熱值來衡量其燃料的經(jīng)濟性。以標準煤的熱值為1單位，可以將其他能源折算出一個相對煤炭的折算率值進行換算。對每單位熱值的價格計算價格比率，分析出各種類型的能源性價比。

為使用替代能源，需要采用專用的加熱方式和設備，這些特點也是重要差別。

1.煤炭。

標準煤熱值為29.26 MJ/kg（7 000 kcal/kg），折算率1。動力煤價格約600元/t。

煤炭需要復雜的條件才能保持穩(wěn)定燃燒，通常伴生硫、磷等元素會產(chǎn)生大量酸性污染物和粉塵污染。棉花加工企業(yè)的燃煤爐一般需要輸送和支持煤層燃燒的鏈條排，以及有耐腐蝕、耐高溫的耐火磚構(gòu)成的爐膛來保障煤炭連續(xù)、充分燃燒。燃煤爐熱慣性大、質(zhì)量大，溫度不易調(diào)節(jié)、控制。由于耐火材料易吸水的特性，新軋季開始使用爐子時，需要大約24小時的逐步升溫預熱的過程，防止爐膛開裂，因而需要連續(xù)使用，無法做到按需開機使用。

2.生物質(zhì)燃料。

生物質(zhì)燃料在不同場景有不同內(nèi)涵。例如，對稻米加工企業(yè)來說，有大量的稻殼副產(chǎn)物，可以作為免費的生物質(zhì)燃料來利用。但對棉花加工企業(yè)來說，秸稈、鈴殼等可燃燒雜質(zhì)量占比＜10%，總量太少，從生產(chǎn)線獲得大量、穩(wěn)定的生物質(zhì)燃料并不容易。大部分生物質(zhì)燃料仍然需要從外面采購。生物質(zhì)燃料因成分不同，熱值復雜，以最常見的秸稈、花生殼、雜木類型的顆粒生物質(zhì)燃料為例，折算率大約在0.45～0.62之間。秸稈發(fā)熱量較低在（13.8～14.2）MJ/kg（3 300～3 400 kcal/kg），成本大約為600元/t；花生殼發(fā)熱量相對高些，在（14.63～15.5）MJ/kg（3 500～3 700 kcal/kg），成本大約為500～700元/t；雜木發(fā)熱量在（16.87～18.0）MJ/kg（4 035～4 300 kcal/kg），成本大約為900～1 300元/t。

和煤炭類似，生物質(zhì)顆粒燃料保持連續(xù)燃燒條件比較復雜，爐子構(gòu)造和燃煤爐相差無幾，因而熱慣性大、質(zhì)量大，溫度不易調(diào)節(jié)、控制，設備成本高。在開機前需要較長的預熱升溫時間，無法快速間歇工作。

3.燃油（輕質(zhì)柴油）。

棉花加工企業(yè)加工時間一般在9月～12月，需要使用0號和-10號柴油。0號柴油熱值9 600 kcal/kg，-10號柴油熱值為101 000 kcal/kg。平均46.04 MJ/kg，折算率1.571。1升0#柴油大約是0.84 kg。-10號柴油價格比0號約高400元/t，平均按7 600元/t計算。

輕質(zhì)柴油會采用專用柴油燃燒機頭燃燒。燃燒機頭利用高壓霧化柴油，與助燃風機送入的空氣流形成可燃混合氣體，在燃燒盤處點火燃燒。燃燒機頭為保證柴油霧化效果，確保能點燃柴油，會固定噴油嘴的直徑，因此不能連續(xù)調(diào)節(jié)火焰大小來控制輸出溫度，另外燃燒機頭的助燃風機風量有限，只保證能點燃混合氣體，需要一個爐膛或蓄熱器來保障火焰燃燒完全和調(diào)節(jié)熱風溫度。燃燒爐的爐膛或蓄熱器一般由一個雙層耐高溫的鋼板筒構(gòu)成，火焰在最內(nèi)層燃燒，內(nèi)外層夾兼作散熱器加熱空氣，不需要耐火磚等材料，構(gòu)造相對簡單，熱慣性較大，控制相對簡單，溫度變化快、波動大。

4.液化石油氣（LPG）。

熱值45.22-50.23 MJ/kg，折算率1.543～1.714。1 kg LPG熱值相當于1.12 kg～1.2 kg的柴油熱量。零售價格在7.5元/kg。

棉花加工企業(yè)應用LPG和柴油類似，一般會使用線性燃燒機頭配合鋼板爐膛保證LPG燃燒的完全和穩(wěn)定。相較于柴油，可以在20：1的較大范圍內(nèi)控制和調(diào)節(jié)火力大小，溫度調(diào)整、控制精確方便，熱慣性小，變化快。

5.天然氣（CNG，LNG）。

天然氣分為壓縮天然氣（CNG）和液化天然氣（LNG）兩類，計量單位不同。因天然氣成分各異，熱值也各不相同。1Nm3的CNG質(zhì)量為0.68-0.75 kg，熱值36.22 MJ/Nm3，折算率1.236。用于估算時1 Nm3CNG熱值相當于0.792 kg柴油熱量。LNG的熱值約為12 000 kcal/kg，標桿價3 200元/t～3 700元/t。1 kg LNG全部氣化后體積為1.33 Nm3～1.47 Nm3。實際情況證明，1.1 Nm3CNG約等于1 kg LPG，1 kg LNG等于1 kg LPG。工業(yè)用1 Nm3天然氣價格為3.0元左右。

棉花加工企業(yè)有兩種使用CNG和LNG方式，一種是使用管道式燃燒器，一種是使用線性燃燒機頭。因CNG和LNG在燃燒前已經(jīng)完成了與助燃空氣的比例混合，能保證燃燒充分完全，相對這兩種方式燃燒器構(gòu)造都很簡單，甚至只需要一個保持火焰持續(xù)、穩(wěn)定的燃燒盤即可工作，無需笨重的爐膛。和LPG類似，其火力溫度可以連續(xù)、大范圍、快速調(diào)節(jié)，熱慣性極小，控制、調(diào)節(jié)非常方便。

6.電能。

電可以來自煤炭、核電，甚至水電、風電和太陽能等可再生綠色能源，是比較干凈的優(yōu)質(zhì)能源。電熱能為3.6MJ/kw·h，折算率0.122 9。分時電價谷時0.2元/kw·h，平時0.8元/kw·h。考慮軋花企業(yè)的實際工作時間，平均可按0.5元/kw·h計算。

電熱風爐熱風爐構(gòu)造簡單，熱慣性較小，主要由電熱管和控制柜組成，無需爐膛或蓄熱器，電熱管可帶或不帶散熱翅片，效率上略有差異。電熱風爐裝機功率較大，1臺電熱風爐根據(jù)功率不同會裝備有4～12組，每組可以分別進行控制、調(diào)整，能連續(xù)調(diào)節(jié)輸出溫度，開關(guān)機快速、方便。

綜合分析，若耗費同樣熱功，各類型能源替代消耗與經(jīng)濟測算見下表1。

根據(jù)表1可知，相同熱功輸出下，CNG 消耗成本是燃油的一半，是燃煤的4倍，LNG略比CNG便宜，LPG和燃油成本接近。電熱考慮分時電價后，費用處于燃油和CNG之間，若平均電價處于0.6元/kw·h時，成本和燃油相當。采用生物質(zhì)顆粒燃料則取決于可獲得的燃料類型和熱值，范圍變動較大，可能數(shù)倍于煤炭或者成本相當。

（二）熱源替代方案分析

以現(xiàn)有擱板增熱式籽棉烘干塔工藝5 000 MJ/h（120萬大卡）燃煤熱風爐熱源替代為例，分析設備購置、建安、運行費用、人員投入等改造方案的成本差異如表2所示。

表1 相同熱功下燃料消耗與經(jīng)濟成本比較

表2 熱源替代方案成本分析

三、討論

現(xiàn)實環(huán)境中改造用戶遠多于新建設備用戶數(shù)量。干燥設備是嵌入到生產(chǎn)線中運行的，涉及到供熱風機、物料輸送風機、管網(wǎng)等諸多設備系統(tǒng)。如果改造涉及大量設備，改造成本、運行調(diào)整維護難度等都會加大。在現(xiàn)有設備基礎上改造，僅僅替換燃煤熱風爐，盡可能保持并兼容現(xiàn)有設備，維持操作習慣的延續(xù)性，加工企業(yè)接受會更容易，同時也是改造風險最低的選擇。不同能源類型的選擇，要綜合考慮到改造、使用成本、獲得可靠性、使用安全性、長期效益等因素。

（一）改用化石能源是過渡方案

1.化石能源供需矛盾突出，不是鼓勵發(fā)展方向。

從可用資源獲得性上分析比較，CNG、LPG等燃氣具有相對干凈，管道輸送方便、安全的優(yōu)勢，主要問題是存儲和供應相對不是很穩(wěn)定。一是存儲安全投入，包括一次性建設和運行時維護投入大，設計、施工都需要專業(yè)公司進行，罐裝供應需要氣站安全協(xié)調(diào)，占用人員；二是供應保障上供需矛盾突出，供應不能得到保證，價格不確定性大，甚至常出現(xiàn)劇烈波動。2016年、2017年國家發(fā)改委曾連續(xù)出臺多個文件，鼓勵加大進口，并規(guī)劃到2020年形成天然氣儲氣庫工作氣量1.48×1011m3。然而，天然氣進口貨源替代不易。在2018年LNG國產(chǎn)與進口比例為1∶4，CNG則是3∶1，產(chǎn)量基本上都有確定用途。另外，建造儲氣設施有特殊要求，相對選址困難，儲存有一定技術(shù)難度，2020年1月中國的儲氣能力不足1×1011Nm3，僅占實際用氣量的3%。甚至新疆所有規(guī)劃開工的6座儲氣設施群在2020年底如期完成建設投產(chǎn)，儲氣調(diào)峰能力達8.46×107Nm3，也僅夠新疆自治區(qū)目前民生用氣消費水平下3天應急使用。2017年北方“煤改氣”取暖導致新增年產(chǎn)量18.5%需求而引發(fā)的供應緊張問題已經(jīng)持續(xù)3年，估計未來2～3年內(nèi)仍難以解決。國家政策導向依然是優(yōu)先保障民生用氣。因此，熱源改造為CNG或LNG，冬季正常加工時間供氣難以保障，短期內(nèi)將是過渡方案。

柴油的熱值比較高，相應供應、運輸、儲存、使用比較方便。燃燒機技術(shù)成熟，單臺設備供熱能力大，能兼容現(xiàn)有熱源設備，改造費用低。在使用燃油改造方案上主要的存在的問題仍然是成本大，環(huán)保壓力大，若油品質(zhì)量不能保證，氮氧化物、PM2.5顆粒物等排放難以達標等，隨著時間推移會面臨二次升級改造問題。

2.生物質(zhì)燃料是一種較好的過渡選擇。

化石燃料中含有硫磷等雜質(zhì)，燃燒后的產(chǎn)物呈現(xiàn)酸性，對鍋爐材料有耐酸性腐蝕的要求；而生物質(zhì)燃料燃燒后鉀、鎂等元素作用呈現(xiàn)弱堿性，要求鍋爐材料耐堿性腐蝕，加上燃燒的條件不一致，因此兩者熱風爐的構(gòu)造和材料并不相同，無法通用，導致改造成本較高。

生物質(zhì)顆粒燃料熱值變化范圍大，導致使用、控制上存在不方便。另外，生物質(zhì)顆粒燃料同樣存在污染物排放不達標問題。隨著環(huán)保標準的提升，生物質(zhì)顆粒燃料熱源最終也會成為一種過渡方案。

（二）電能是較好選擇，但配套和運行費用大

電能屬于清潔能源，沒有儲存問題，熱風爐改造方案簡單，控制便捷，使用安全，也不增加人力投入，加上分時電價中谷時電價優(yōu)惠，是可選項之一。存在的主要問題是總體擁有成本過高和資源限制，使用成本對電價比較敏感，以及對一些設備存在電磁干擾。一般棉花加工企業(yè)整個機采棉軋花車間裝機容量為1 200 kW。企業(yè)從經(jīng)濟運行角度和電力定價策略出發(fā)，會配備一主一輔兩臺變壓器，主變壓器2 000 kVA，用于生產(chǎn)時驅(qū)動主機設備；輔變壓器100 kVA，用于照明、維修等輔助用電。可以看到，若直接替換現(xiàn)有燃煤熱風爐的熱源，一個標稱5 000 MJ熱功的熱源，其電裝機功率將達到1 389 kW，用電改造需要擴容并新增一組1 600 kVA的變電設備。如果帶動15 t/h籽棉塔式加濕設備則需要替換標稱350萬kcal/h的熱風爐，此時總裝機容量達到4 051 kW，是原設計容量的3倍！可見，調(diào)濕成本會大大增加，遠遠超出國家標準技術(shù)條件中噸皮棉電耗260度的先進指標。

此外，電熱風爐的基礎發(fā)熱元件——電熱管基本實現(xiàn)了標準化，裝機功率過大時，電熱管數(shù)量過多，不僅散熱困難，引起壓力損失增大，熱效率降低，而且會因故障率上升，導致檢修困難，因此，單臺電熱風爐的最大功率都比較小，超過1 200 kW的不多。若需要同時為機采棉兩道干燥和加濕提供熱源，需要安裝2～4臺電熱風爐，導致成本飆升。

單臺電熱風爐功率比較大，必須采用可控硅調(diào)功控制技術(shù)，對電網(wǎng)環(huán)境干擾比較大，容易引起電網(wǎng)波形畸變，對其它用電設備干擾嚴重，需要單獨配置變電、配電設備。

為數(shù)不多可供參考的公開資料顯示，2012年棉花加工企業(yè)3 000 kVA變壓器1臺、配套配電箱及高低壓柜等供電工程合計投資27 萬元，車間電線電纜估計投資為11～20萬元。2019年1 600 kVA箱式變電站報價約在17～25萬元。當然，以上沒有考慮加工企業(yè)紅線外的外線供電工程的改造費用和協(xié)調(diào)難度。

四、選擇建議

（一）電熱是首選方向

應該看到，電熱沒有儲存、運輸、副產(chǎn)物處理等問題，非常干凈，沒有環(huán)保排放壓力，爐子控制簡單，反應快，使用上非常方便、安全，不增加人力成本。盡管存在錯峰用電要求，但谷時電價優(yōu)惠力度非常大，對加工企業(yè)正常工作時間影響不大。存在的主要問題是供電工程問題協(xié)調(diào)時間長，總體擁有成本過高和電力資源限制，使用成本對電價比較敏感。但是地方政府往往對產(chǎn)業(yè)用電等出臺有產(chǎn)業(yè)支持政策，優(yōu)惠力度非常大。選擇直接升級電熱源改造燃煤系統(tǒng)是成功率最高、改造難度較小的方案，也不存在其它后續(xù)升級問題。

（二）根據(jù)資源稟賦條件，選擇化石或生物質(zhì)燃料

傳統(tǒng)化石燃料中，柴油等輕質(zhì)燃油的熱值比較高，相應供應、運輸、儲存、使用比較方便。天然氣、LPG的優(yōu)勢是干凈，可管道輸送，方便、安全。燃油、燃氣的燃燒機技術(shù)成熟，能兼容現(xiàn)有熱源設備，改造費用相對較低，用戶易接受。因此建議以燃油改造為重點方向，以天然氣（CNG或LNG）、LPG為次優(yōu)，生物質(zhì)燃料為替代。生物質(zhì)燃料顆粒因為制造成本較高，原材料獲取受地域特色限制，熱值變化范圍大，對價格的影響起決定性作用。若當?shù)赜写罅俊⒎€(wěn)定來源的生物質(zhì)燃料顆粒原料，則其運行成本僅略高于煤炭，且燃燒后的爐灰是優(yōu)質(zhì)鉀肥，能額外產(chǎn)生收益，值得作為改造的替代考慮。