不同供熱裝置的大型烘干塔全壽命周期經濟成本分析

◎ 賈 煜，李召峰，王佩琦

（鄭州中糧科研設計院有限公司，河南 鄭州 450001）

大型糧食烘干塔的供熱裝置一直是近年來糧食烘干行業談論的熱點，由于環保政策的高壓態勢，已建以燃煤為熱源的大型糧食烘干塔大部分處于停產狀態，待建項目由于熱源問題一直困擾著投資方，筆者經過多年的調研及研究，目前大型烘干塔的熱源有燃煤、生物質、燃氣、熱泵（電）及余熱蒸汽等。由于余熱蒸汽受來源的限制，僅適合庫區內有蒸汽鍋爐的廠區[1]。本文針對目前燃煤、生物質、燃氣3種燃料為熱源的烘干塔進行研究分析，對不同的熱源方式所配套的附屬設備進行分析，最后對工程建設總投資、設備運行成本、年度維修費用及設備大修費用等工程項目全壽命周期經濟成本進行綜合分析，以期為相關工作提供參考。

1 供熱裝置類型

1.1 燃煤熱風爐

燃煤熱風爐是最常見的間接式供熱方式，主要由燃煤熱風爐、多管除塵器、布袋除塵器和脫硫塔等附屬設備組成。高溫煙氣首先經過多管除塵器除去較大的固體顆粒，然后經過脈沖布袋除塵器進一步除去細微粉塵，最后經過脫硫塔除去煙氣中的硫化物[2]。其脫硫除塵工藝流程如圖1所示。

圖1 脫硫除塵工藝流程圖

陶瓷多管除塵器是由若干個并聯的陶瓷旋風除塵器單元組成的除塵設備。含塵氣體由總進氣管進入氣體分布室，隨后進入陶瓷旋風體和導流片之間的環形空隙。導流片使氣體由直線運動變為圓周運動，旋轉氣流的絕大部分沿旋風體自圓筒體呈螺旋形向下，朝錐體流動，含塵氣體在旋轉過程中產生離心力，將密度大于氣體的塵粒甩向筒壁。塵粒在與筒壁接觸，便失去慣性力而靠初始速度的動量和向下的重力沿壁面向下落入排灰口進入總灰斗。

布袋除塵器設置在鍋爐引風機的進氣端，在負壓狀態下運行，減少進入風機的粉塵量；除塵效率在90%以上；除塵器內部進行了耐磨防腐處理，使用壽命大于10年。

煙氣脫硫裝置采用石灰法的濕法工藝技術與設備，脫硫裝置中包括脫硫塔、曝氣風機、泵、管道、閘閥門、電控、氧化池、沉淀池、漿液池和循環池等。工作原理是應用堿液洗滌含SO2的煙氣，對煙氣中的SO2進行化學吸收，同時堿液也起到吸附粉塵的作用，廢水實現循環利用，具有吸收效率高（脫硫效率在90%以上）、使用壽命長、結構簡單、制造及維修方便等優點。但采用濕式脫硫在東北地區也存在一定的弊端，東北地區烘干作業時正處于冬季，外界溫度在0 ℃以下，正常作業時由于鍋爐煙氣溫度高，水池內的水循環利用不會造成結冰風險。但如果長時間停車，就會有結冰風險，導致設備無法正常運行。因此，在東北地區使用時應采用管道伴熱及脫硫水池保溫措施。

1.2 生物質熱風爐

生物質熱風爐工作原理與燃煤熱風爐基本相同，目前常用的生物質主要有秸稈壓縮成型顆粒和稻殼等。由于生物質燃料中不含有硫元素，因此在工藝設備和土建投資中可以省去脫硫塔及配套土建設施。由于生物燃料的低位發熱量僅為煤的50%左右，提供同等的熱量需要的燃料質量是煤的兩倍，而生物質燃料的價格和煤的價格相差并不太大，運行成本將會有所增加，同時燃料的存放也是必須要考慮的問題[3-4]。

通過對東北地區大型烘干塔調查發現，新建的生物質熱風爐占比并不多，主要應用在大米深加工企業，其自身擁有稻殼來源，自產自銷，能降低烘干成本。同時調查還發現，生物質熱風爐主要用在稻谷烘干機上，這主要是因為稻谷烘干機熱風溫度要求很低，一般為50～60 ℃，而玉米烘干塔熱風溫度一般在120～180 ℃，每小時消耗的生物質量約為2～3 t，因此燃料的來源也是一個問題。

1.3 燃氣熱風爐

燃氣熱風爐是目前最環保最清潔的熱源之一。燃氣熱風爐以市政天然氣或者液化天然氣為來源，通過燃燒機燃燒高溫煙氣配一定空氣后直接向烘干機供熱，由于天然氣燃燒后的成分主要是二氧化碳和水蒸氣，對糧食沒有污染，因此減少了換熱器設備，大大提高了熱效率。燃氣熱風爐由于設備簡單，無需脫硫除塵設備、引風機、鼓風機和換熱器等設備，因此設備初期投資較少，占地面積少，同時土建費用大幅降低。

天然氣的價格直接決定了烘干運行成本，而目前燃氣來源主要由市政直接供氣和液化天然氣為主。項目地周邊如有市政管網，采用市政管網是最佳的選擇，只需繳納少量的開口費用即可直接將管網敷設到設備附近。如果周邊沒有市政管網，則需要自建（或租用）液化罐（圖2）及增壓撬、空溫式氣化器（圖3）等附屬設備。此套設備由于專業化較強，用戶直接采取由供氣站負責提供及維護保養，簽訂長期供氣協議，所有費用最終折算到天然氣單價上。

圖2 液化罐圖

圖3 空溫式氣化器圖

1.4 熱泵供熱

高溫熱泵烘干機組主要由翅片式蒸發器（外機）、壓縮機、翅片冷凝器（內機）和膨脹閥4部分組成。其工作原理是通過讓空氣不斷完成蒸發→壓縮→冷凝→節流→再蒸發的熱力循環過程，從而將外部低溫環境里的熱量轉移到熱風室中，冷媒在壓縮機的作用下在系統內循環流動。采用高溫熱泵烘干機組作為烘干裝置可以節省能源，同時還可降低CO2等污染物的排放量，實現節能減排的效果。

目前熱泵烘干熱風溫度一般為50～70 ℃，主要應用于烘房或南方小型稻谷烘干機。大型糧食烘干塔主要應用于東北地區，使用季節正處于冬季，外界環境溫度-25～-10 ℃，熱泵幾乎無法正常工作。另外，大型糧食烘干塔需要的熱功率為4.6～7.0 MW，如此多的供熱量需要的熱泵機組數量十分龐大，投資十分巨大，因此熱泵機組在北方地區特別是大型糧食烘干領域很難推廣應用。

2 建設投資對比分析

總投資估算包括匯總單項工程估算、工程建設其他費用、預備費及建設期利息等，針對烘干項目而言，熱風爐系統應劃分為一個單項工程，其投資估算由建筑（土建）工程費、設備及工器具購置費和安裝工程費組成。由于熱泵機組的局限性，本文只對燃煤、生物質和燃氣熱風爐3種類型的建筑工程費、設備及工器具購置費和安裝工程費進行投資對比分析。

2.1 燃煤熱風爐建設投資

燃煤熱風爐系統由熱風爐、脫硫除塵、電器系統、鍋爐房、電控室、脫硫房和熱風室等組成。以500 t烘干塔常規配置10 t爐為例，設備清單及項目投資估算費用如表1所示。

表1 燃煤熱風爐投資估算表

2.2 生物質熱風爐建設投資

生物質熱風爐系統由熱風爐、除塵裝置、電器系統、鍋爐房、電控室和熱風室等組成。與燃煤熱風相比減少了脫硫塔及相關管道附屬設備和脫硫房建筑費用，電器系統相應減少部分費用，其設備清單及項目投資估算費用如表2所示。

表2 生物質熱風爐投資估算表

2.3 燃氣熱風爐建設投資

燃氣熱風爐只有燃燒機和爐膛，鍋爐房占地面積也相應減小。天然氣來源以市政管網供氣，但是需要增加一次性開口費15萬元。其設備清單及項目投資估算費用如表3所示。

表3 燃氣熱風爐投資估算表

3 運行成本分析

3.1 單位運行成本

熱風爐日常運行費用主要包括燃料費用、系統電耗（僅爐子自身電耗）、人工費用以及脫硫設備的水費和工業堿消耗費用，3種熱風爐每小時運行成本對比分析如表4所示。

表4 熱風爐每小時運行成本分析表

3.2 年度使用費用

年度使用費用包括日常運行消耗的燃料、人工等正常工作時運行費用，還包括日常檢修維護保養費用。烘干時間每年按3個月90 d計算，每天平均按20 h計算，則燃煤熱風爐、生物質熱風爐、燃氣熱風爐年度運行費用分別為264.42萬元/年、293.86萬元/年、487.94萬元/年。燃煤熱風爐和生物質熱風爐運轉零部件較多、需要定期更換潤滑油、易損件等，根據經驗估算每年需要2萬元；燃氣熱風爐由于只有燃燒機設備，無需維護保養。熱風爐年度使用費用如表5所示。

表5 熱風爐年度使用費用計算表

4 全壽命周期經濟成本

4.1 全壽命周期成本構成

工程壽命周期經濟成本是指工程項目從項目構思到項目建成投入使用直至工程壽命終結全過程所發生的一切可直接體現為資金耗費的投入總和，包括建設成本和使用成本。建設成本是指建筑產品從籌建到竣工驗收為止所投入的全部成本費用。使用成本則是在運行使用過程中發生的各種費用，包括運行成本、日常維護成本和大修費用等[5]。

工程壽命周期成本分析方法得到越來越廣泛的應用，但需要對比的項目有確定的壽命周期，在工程實踐中，由于技術進步或人們對工程產品的功能要求發生變化，使得項目壽命周期往往很難確定。熱風爐是烘干系統熱源的配套，烘干機的設計壽命一般為15～20年，因此熱風爐的使用壽命取15年。

4.2 全壽命周期經濟成本計算

燃煤和生物質熱風爐的換熱器使用壽命一般為5年，布袋除塵器的布袋需要更換，脫硫系統需要重新做防腐，脫硫泵需要大修或更換。燃煤熱風爐大修費用一次預算為60萬元，生物質熱風爐大修費用一次預算為50萬元，大修次數為2次，全壽命周期計算參數如表6所示。

表6 熱風爐全壽命周期計算參數表

燃煤熱風爐在當年建設當年投入使用，使用壽命為15年，大修時間分別在第5年和第10年進行，期末無殘值，基準折現率取8%。則全壽命周期經濟成本凈現值為：

式中：(P/A,8%,15)為已知年金A、基準折現率8%、計息周期數為15情況下求解的現值P，值為8.559 5；(P/F,8%,5)為已知5年末終值F、在基準折現率8%的情況下求解的現值P，值為0.680 6；(P/F,8%,10)為已知10年末終值F、在基準折現率8%的情況下求解的現值P，值為0.463 2。

生物質熱風爐在當年建設當年投入使用，使用壽命為15年，大修時間分別在第5年和第10年進行，期末無殘值，則全壽命周期經濟成本凈現值為：

式中：(P/A,8%,15)為已知年金A、基準折現率8%、計息周期數為15情況下求解的現值P，值為8.559 5；(P/F,8%,5)為已知5年末終值F、在基準折現率8%的情況下求解的現值P，值為0.680 6；(P/F,8%,10)為已知10年末終值F、在基準折現率8%的情況下求解的現值P，值為0.463 2。

燃氣熱風爐在當年建設當年投入使用，使用壽命為15年，不考慮大修，期末無殘值，則全壽命周期經濟成本凈現值為：

式中：(P/A,8%,15)為已知年金A、基準折現率8%、計息周期數為15情況下求解的現值P，值為8.559 5；(P/F,8%,5)為已知5年末終值F、在基準折現率8%的情況下求解的現值P，值為0.680 6；(P/F,8%,10)為已知10年末終值F、在基準折現率8%的情況下求解的現值P，值為0.463 2。

從以上數據可以看出，考慮到建設投資和后期大修保養等全壽命周期經濟成本后，燃氣熱風爐綜合成本依然最高，其次是生物質熱風爐，燃煤熱風爐最低，燃氣熱風爐的綜合成本是燃煤的1.61倍，比單一對比運行成本全壽命周期綜合經濟成本有所下降。

5 結論

本文以大型糧食烘干塔的配套供熱裝置為研究對象，分別介紹了燃煤、生物質、燃氣3種熱風爐的方案設計及工藝特點，從工程建設投資、設備運行成本、日常維護保養及大修費用及使用壽命進行對比分析，最后對工程項目全壽命周期經濟成本進行綜合分析，盡管燃氣的經濟成本依然是燃煤的1.61倍，但其社會效益和環保效益顯著提高，因此在天然氣資源豐富和利用方便的地區優先選用天然氣。根據當地的經濟條件、環境條件和資源狀況等綜合考慮，因地制宜，合理選用，宜煤則煤，宜電則電，宜生物質則生物質。