周劍波

(中國-阿拉伯化肥有限公司 河北秦皇島 066003)

在復(fù)合肥加工和散裝儲運過程中，不可避免地會產(chǎn)生各類粉塵和漏料，這些物料一般為各種原料，如尿素、硝銨磷、磷酸一銨、氯化鉀或硫酸鉀的混合物。當(dāng)這些物料掉落至車間地面時，由于溫度降低而快速吸潮，導(dǎo)致車間地面泥濘、濕滑，不僅給作業(yè)帶來困難，還導(dǎo)致了設(shè)備的電化學(xué)腐蝕，尤其是在夏季，尿基復(fù)合肥和硝基復(fù)合肥生產(chǎn)頻繁切換的車間，問題最為明顯。

目前，行業(yè)中空間除濕方法主要有2種：①加熱車間空氣，保持粉塵溫度在露點以下，但結(jié)果往往是車間溫度得到了提高，而地面溫度仍然較低，無法從根本上解決問題；②配置制冷除濕機組對進(jìn)入車間的空氣進(jìn)行除濕，但因運行成本太高而鮮有應(yīng)用。

1 改造背景

近年來，隨著中國-阿拉伯化肥有限公司(以下簡稱中-阿公司)生產(chǎn)的產(chǎn)品品種增加，轉(zhuǎn)產(chǎn)頻繁，工藝車間、散裝庫的地面濕滑問題越發(fā)突出，夏季特別嚴(yán)重。當(dāng)硝基復(fù)合肥與尿基復(fù)合肥生產(chǎn)進(jìn)行切換時，2種粉塵混合，臨界相對濕度大幅降低，導(dǎo)致車間地面嚴(yán)重吸潮，泥濘不堪，不僅增加了日常清理難度和勞動強度，也帶來了較大的安全隱患，而且處在底樓的很多設(shè)備長期受電化學(xué)腐蝕，地腳螺栓、設(shè)備接地裝置等損壞情況日趨嚴(yán)重。

在原設(shè)計中，工藝車間采用傳統(tǒng)的換熱器對車間空氣進(jìn)行加熱除濕，外界空氣經(jīng)換熱器被高溫蒸汽加熱后，靠風(fēng)機經(jīng)由專用風(fēng)道輸送至車間各處。在實際運行過程中，此加熱除濕方式始終存在以下缺點：熱風(fēng)僅能對空氣進(jìn)行加熱，往往空氣是熱的，但地面溫度仍低于露點，地面潮濕狀態(tài)依舊；蒸汽消耗量大，換熱溫差小，蒸汽利用率低，電耗高；受空間和設(shè)備的限制，加熱點分布不均，盲點多，除濕效果差；70～80 ℃的熱風(fēng)從風(fēng)口吹出后，熱量集中于風(fēng)口下方，易造成人員受傷，并造成靠近風(fēng)口的設(shè)備、電機局部過熱而跳停。

2 改造思路與試驗

2.1 改造思路

改造的關(guān)鍵是提高地面溫度，為此提出車間地面加熱方案，熱源為排放的車間冷凝水余熱。

工藝車間夏季蒸汽耗量為4～5 t/h，產(chǎn)生90～100 ℃的冷凝水約2.5 t/h。據(jù)計算，熱水溫度由100 ℃降至50 ℃時，釋放熱量200 kJ/kg。基于此，通過對車間除濕系統(tǒng)的調(diào)研和地面熱量分析，提出采用地暖管加熱技術(shù)對車間地面進(jìn)行除濕改造。

2.2 地暖技術(shù)在車間應(yīng)用存在的問題

地暖技術(shù)一般用于家庭，在工業(yè)上鮮有應(yīng)用案例。家庭地面與車間地面最大的不同就是承重，車間地面經(jīng)常會有清理鏟車、檢修車輛作業(yè)，最大承重為20 t/m2，這就需要對地面結(jié)構(gòu)進(jìn)行加厚處理，而加厚處理勢必會影響地暖管的散熱效果。另外，不同地暖管材的耐受溫度不同，車間冷凝水溫度高，普通的聚乙烯管(PE管)難以滿足要求。

2.3 小試

首先選取一塊面積為16 m2的場地模擬車間環(huán)境進(jìn)行小試。小試中選取的盤管間距分別為200 mm和300 mm，埋設(shè)深度分別為120、150和200 mm，同時考慮到車間地面行車問題，取消了普通住宅地盤管施工中的苯板隔熱層，采用管道直埋方式施工；試驗混凝土地面厚度分別為120、150和200 mm，進(jìn)行碾壓試驗；管道材質(zhì)分別選用住宅地盤管的PE管、聚丁烯管(PB管)和鋁塑復(fù)合管進(jìn)行耐溫試驗。

小試中，對地面進(jìn)行了20 t鏟車碾壓試驗，地面穩(wěn)定無裂紋，據(jù)此推斷200 mm厚的鋼筋混凝土車間地面完全能滿足重車行駛要求。對試驗地面進(jìn)行了淋水試驗，地面加熱后可在2 h內(nèi)干燥，且可保持長時間干燥的效果。對試驗地面進(jìn)行了吸濕粉塵干燥試驗，地面加熱后可在4 h內(nèi)獲得干燥效果，吸濕的粉塵整體失去水分而硬化，且可長時間保持干燥效果，干燥后的粉塵泥清理十分方便，勞動強度低，效率高。對地盤管進(jìn)行了溫度測試，鋁塑復(fù)合管在120 ℃下依然保持較高的硬度。

2.4 中試

在小試成功的基礎(chǔ)上，又開展了車間中試。在工藝車間選取60 m2的地面進(jìn)行了翻新改造，埋設(shè)了地盤管，同時完善了冷凝水減壓、供水過濾、盤管分支、疏水等設(shè)備設(shè)施。經(jīng)過3個月的對比，改造后的車間地表溫度達(dá)到40 ℃左右，鋪設(shè)有地盤管的地面明顯區(qū)別于周圍未鋪設(shè)地盤管的地面，能長時間保持地面干燥，撒落在地面的粉塵清理工作十分輕松。

3 設(shè)計[1]

主要設(shè)計內(nèi)容包括地面采暖系統(tǒng)圖、地盤管鋪設(shè)分區(qū)圖、地盤管平面圖、室外機組選型及管道布置圖等。

由于車間地暖沒有設(shè)計先例，需根據(jù)車間熱源(冷凝水余熱)、車間使用環(huán)境的具體情況進(jìn)行針對性的非標(biāo)設(shè)計，主要體現(xiàn)在地暖管材質(zhì)選擇、分水器材質(zhì)選擇、閉路循環(huán)地暖水加熱系統(tǒng)、承重地面結(jié)構(gòu)施工方法、換熱器配置與選型、車間沖洗地面需求等，最終要滿足以下要求：地暖管可在60 ℃下長期使用；車間地面可承載清理鏟車和維修叉車的荷載20 t/m2；地面保持干燥，粉塵易于清理；車間冷凝水余熱實現(xiàn)再利用，有節(jié)能效益。

3.1 設(shè)計要點

(1)設(shè)計數(shù)據(jù)：根據(jù)前期試驗數(shù)據(jù)，地面加熱至40 ℃可以有效減少車間地面粉塵潮解、泥濘現(xiàn)象；供回水溫度為60～70 ℃，主要考慮管材耐受溫度，可保持長期使用；冬季廠房內(nèi)溫度為-9.6 ℃，夏季為20.0 ℃；鋼筋混凝土導(dǎo)熱系數(shù)為1.54 W/(m·K)，空氣傳熱系數(shù)5 W/(m·K)；地面車輛荷載處的鋼筋混凝土地面所需厚度δ=200 mm，其他區(qū)域的鋼筋混凝土地面所需厚度δ=180 mm；回水溫差應(yīng)小于10 ℃，系統(tǒng)工作壓力不宜超過0.8 MPa。

(2)熱源：車間生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的90～100 ℃冷凝水經(jīng)1臺板式換熱器換熱后，60～70 ℃的低溫?zé)崴糜诘乇P管加熱系統(tǒng)。

(3)熱量計算：地面加熱至40 ℃共需熱量218.4 kW，折算成冷凝水需要4.16 t/h；按車間產(chǎn)水量3 t/h計，還需補充0.4 MPa蒸汽99 kg/h。

(4)分區(qū)設(shè)計：分承重區(qū)與非承重區(qū)，承重區(qū)考慮加厚處理，并在填充層內(nèi)加設(shè)鋼筋；非承重區(qū)按一般處理；承重區(qū)與非承重區(qū)視面積再分為若干個小區(qū)，每個小區(qū)面積兼顧每個環(huán)路加熱管長度控制在60～80 m，最長不應(yīng)超過100 m。

(5)地面沖洗設(shè)計：為方便車間沖洗地面粉塵，設(shè)排水渠并有一定傾角，便于沖洗水流向洗滌系統(tǒng)。

(6)地面施工方法：先將原有地面鑿毛，鋪設(shè)20 mm厚發(fā)泡水泥(地面采暖設(shè)置YX泡沫混凝土保溫層，其目的是防止和減少熱量向地下散失，提高熱利用率)，然后依次鋪設(shè)30 mm厚細(xì)石混凝土、地暖管，再鋪設(shè)150 mm厚鋼筋混凝土填充層用于保護地暖管并使地面溫度均勻；鋼筋混凝土填充層一般采用豆石混凝土，石子粒徑不應(yīng)超過10 mm，水泥砂漿體積比不小于1∶3，混凝土強度等級不低于C15；填充層厚度應(yīng)符合設(shè)計要求，平整度不大于3 mm；施工時隨打隨平。

(7)由于車間冷凝水中曾出現(xiàn)混入有害介質(zhì)的現(xiàn)象，這是工藝車間冷凝水不向原水汽車間回收的原因之一，這種狀況一旦發(fā)生會對冷凝水管網(wǎng)造成嚴(yán)重的腐蝕，因此在設(shè)計上考慮讓地暖水不與冷凝水混合，而是一個閉路循環(huán)系統(tǒng)，冷凝水進(jìn)入換熱器將熱量傳給地暖水后排放。整個閉路循環(huán)地暖水加熱系統(tǒng)組成如下：①地暖管管材選用在75 ℃下可長期使用的交聯(lián)聚乙烯鋁塑復(fù)合管，規(guī)格Φ20.0 mm×2.3 mm，地面下不設(shè)接頭；干管采用碳鋼材質(zhì)，在進(jìn)車間前設(shè)過濾器；分水器采用不銹鋼材質(zhì)(車間內(nèi)的氨介質(zhì)對銅有腐蝕作用)，在每個分水器進(jìn)水處設(shè)過濾器，進(jìn)、回水均設(shè)置排氣閥；板式換熱器用于冷凝水換熱；列管式換熱器用于汽水換熱；設(shè)置自動補水系統(tǒng)和膨脹水箱；自控系統(tǒng)與儀表采用自力式溫控閥；在回水管線上設(shè)置1臺除污器，通過反沖洗及時進(jìn)行排污。

3.2 設(shè)計計算

3.2.1 單位地面所需總供熱量

地面構(gòu)造由上至下依次為100 mm厚鋼筋混凝土、50 mm厚細(xì)石混凝土(盤管敷設(shè)在此區(qū)域)、150 mm厚C20混凝土、300 mm厚基砂墊層、自然土壤。供回水平均溫度為65 ℃，室內(nèi)溫度為30 ℃，室內(nèi)地面溫度為40 ℃。

3.2.1.1 單位地面向上散熱量

(1)混凝土填充層等效厚度

混凝土填充層等效厚度a和b(圖1)按式(1)和式(2)計算：

圖1 混凝土填充層等效厚度a和b

a=h+d0/2

(1)

b=[a2+(S/2)2]0.5

(2)

式中：h——加熱管上部混凝土填充層厚度，取0.1 m；

d0——加熱管外徑，取0.025 m；

S——加熱管的管間距，取0.25 m；

計算得:a=0.112 5 m，b=0.168 m。

(2)地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)ku按式(3)計算：

(3)

式中：Ru——室內(nèi)地面熱阻，取0.15 m2·K/W；

Ri——混凝土填充層以上各層材料熱阻的總和，m2·K/W；

λ——混凝土填充層導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

(3)單位地面向上散熱量qu

單位地面向上散熱量qu按式(4)計算：

(4)

式中：t1——回水溫度，取60 ℃；

t2——供水溫度，取70 ℃；

tr——室內(nèi)溫度，取30 ℃。

通過式(1)～式(4)，計算得到單位地面向上散熱量qu為166.7 W/m2。

3.2.1.2 單位地面向下熱損失

(1)地面向下傳熱系數(shù)

地面向下傳熱系數(shù)Kd按式(5)計算：

(5)

式中：δp——加熱管壁厚，取0.002 3 m；

λp——加熱管導(dǎo)熱系數(shù)，取0.45 W/(m·K)；

δi——絕熱層厚度，因本工程未設(shè)置絕熱層，故取0；

λi——絕熱層導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

λ——土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，取1.51 W/(m·K)。

計算得到Kd=1.28 W/(m2·K)

(2)單位地面向下熱損失

單位地面向下熱損失qd按式(6)計算：

(6)

式中：t——土壤溫度，取3 ℃。

由式(5)和式(6)，計算求得單位地面向下熱損失qd為79.4 W/m2。

3.2.1.3 單位地面所需的總供熱量

單位地面所需的總供熱量(1 m2盤管所需釋放的熱量)q總=qu+qd=246.1(W/m2)。

3.2.2 換熱設(shè)備選型計算

(1)地暖系統(tǒng)所需的總熱量

地暖敷設(shè)面積為1 050 m2，則地暖系統(tǒng)所需的總熱量Q=246.1×1 050=258.4(kW)。

(2)對數(shù)平均溫差

對數(shù)平均溫差Δtm按式(7)計算：

(7)

式中：T1——熱介質(zhì)進(jìn)口溫度，取105 ℃；

T2——熱介質(zhì)出口溫度，取65 ℃；

計算得Δtm=15.4(℃)。

(3)所需換熱面積

所需換熱面積A按式(8)進(jìn)行計算：

(8)

式中：K——換熱器的傳熱系數(shù)，取3 000 W/(m2·℃)。

經(jīng)計算，A為7 m2。設(shè)計取安全系數(shù)為1.2，則實際換熱器的換熱面積為8.4 m2。為此，選取BR0.2型板式換熱器，板片數(shù)為51片，換熱面積為10.0 m2。

4 項目運營情況與評價

系統(tǒng)投運后，實測各參數(shù)如下：地盤管循環(huán)水溫度40～50 ℃；板式換熱器進(jìn)水溫度取決于工藝?yán)淠疁囟?，一般?0～100 ℃；板式換熱器進(jìn)水壓力取決于工藝?yán)淠畨毫Γ?.1～0.2 MPa；板式換熱器冷水(換熱后的工藝?yán)淠?溫度30～40 ℃；板式換熱器進(jìn)口循環(huán)水(回水)溫度20～40 ℃；膨脹水箱中水的溫度在20 ℃左右，伴熱和防凍盤管運行正常；板式換熱器、循環(huán)泵、膨脹水箱、儀表等設(shè)備無故障，運行正常，工藝參數(shù)基本達(dá)到設(shè)計要求；地面溫度受天氣狀況影響有所波動，一般在15～18 ℃，地面較干燥。

地面除濕效果：在陰雨天，工藝車間未鋪設(shè)地暖區(qū)域均呈潮濕、泥濘、打滑狀態(tài)，而鋪設(shè)地暖的區(qū)域地面干燥，地面除濕效果明顯。

5 項目效果和效益評價

5.1 環(huán)境效益評價

原濕滑、泥濘的地面變得干燥，粉塵、漏料的清理作業(yè)方便、安全，提高了工作效率。該項目的實施，降低了操作人員的勞動強度，也改善了底樓設(shè)備的運行環(huán)境。

系統(tǒng)設(shè)計了車間地面沖洗排水功能，設(shè)置了排水渠、排水口，室外設(shè)置了列管式蒸汽快速換熱器，一旦車間沖洗地面，就可開啟該換熱器對地面進(jìn)行快速干燥。

5.2 技術(shù)評價

經(jīng)測量，冬季車間地面溫度可加熱至15～18 ℃，比未加熱的地面溫度高出15～16 ℃，除濕效果明顯。板式換熱器進(jìn)水溫度90～100 ℃，可將循環(huán)水加熱至40～50 ℃，換熱后30 ℃左右排放，換熱效率達(dá)到設(shè)計要求。項目實施后交付使用，經(jīng)鏟車反復(fù)碾壓已1年，地面和底盤管均未出現(xiàn)異常情況。

5.3 效益評價

地暖除濕系統(tǒng)投用成功后，原熱風(fēng)加熱器即可停用，僅按夏季6月至8月運行3個月計算，停運熱風(fēng)加熱器可節(jié)電1 100 000 kW·h，折合費用81.0萬元，折標(biāo)煤135 t；節(jié)約蒸汽1 486 t，折合費用29.7萬元，折標(biāo)煤133 t；回收冷凝水余熱折合費用4.0萬元，折標(biāo)煤46 t。以上合計，節(jié)能折標(biāo)煤314 t，創(chuàng)造經(jīng)濟效益114.7萬元。

6 結(jié)語

地暖除濕系統(tǒng)利用車間冷凝水余熱，通過對地暖管技術(shù)進(jìn)行針對性改進(jìn)，應(yīng)用于車間地面加熱，地面除濕效果明顯，解決了長期困擾生產(chǎn)的地面濕滑難題，既回收冷凝水熱量，又改善了車間環(huán)境，實現(xiàn)了節(jié)能與環(huán)保的雙重目的。該項目的成功投用，開創(chuàng)了工藝余熱解決地面潮濕的先例，在同行業(yè)乃至其他工業(yè)領(lǐng)域類似工況中具有廣闊的應(yīng)用前景。