伍志良 黃春林

(佛山市三水新明珠建陶工業(yè)有限公司 廣東 佛山 528131)

前言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、國(guó)力的提高以及對(duì)環(huán)保問(wèn)題的重視，尤其是對(duì)日益嚴(yán)重的工業(yè)化污染的擔(dān)憂，使得天然氣的應(yīng)用成為必然。目前，全國(guó)各地政府部門(mén)開(kāi)始采取行動(dòng)限制煤炭的使用，鼓勵(lì)工業(yè)、企業(yè)、居民使用天然氣。而且，近年來(lái)隨著天然氣輸送管道的大力投資發(fā)展，天然氣的利用已具備了必要條件。天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)、高效、清潔的氣體燃料已經(jīng)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(duì)環(huán)境的污染。為了積極響應(yīng)政府部門(mén)“煤改氣”的號(hào)召，解決用能陶瓷企業(yè)“煤改氣”后的燃料成本問(wèn)題，需要研究提高建筑陶瓷墻地磚生產(chǎn)企業(yè)的用能系統(tǒng)和設(shè)備的能源利用效率，對(duì)用能系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的改革。以下僅就陶瓷企業(yè)使用燃料的原料加工工序和窯爐燒成工序“煤改氣”后作節(jié)能分析。

1 陶瓷企業(yè) “煤改氣”節(jié)能分析

1.1 原料加工

建筑陶瓷墻地磚生產(chǎn)企業(yè)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(jī)，研磨成規(guī)定細(xì)度并含有較高水分的泥漿，泥漿經(jīng)陳化之后送入以熱風(fēng)作熱源的噴霧干燥塔中，噴成霧狀的泥漿經(jīng)與熱風(fēng)進(jìn)行熱交換成為含較低水分的泥粉。而噴霧干燥塔的熱風(fēng)爐所用的燃料經(jīng)歷了從20世紀(jì)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(fēng)爐直接采用鏈排式燃煤熱風(fēng)爐取代水煤漿熱風(fēng)爐。據(jù)統(tǒng)計(jì)，供給原料車間工序中熱風(fēng)爐的燃料占全企業(yè)總?cè)剂舷牧亢艽蟊壤?/p>

表1 噴霧塔產(chǎn)量和燃料消耗量情況

在對(duì)陶瓷企業(yè)實(shí)施的企業(yè)能源審計(jì)過(guò)程中，我們專門(mén)對(duì)某企業(yè)的噴霧干燥塔進(jìn)行熱平衡測(cè)試，分別測(cè)定了當(dāng)前企業(yè)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(chǎn)品單位能耗，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

運(yùn)行規(guī)格同為5000型的噴霧干燥塔，當(dāng)使用水煤漿燃料的噴霧干燥生產(chǎn)時(shí)每噸粉料水煤漿單耗為136.86 kg/t，按所使用燃料的熱值計(jì)產(chǎn)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(chǎn)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(jì)產(chǎn)每噸粉料熱耗為1 575 356 kJ/t。生產(chǎn)每噸粉料熱耗隨著使用的燃料不同，致使設(shè)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(dá)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(dāng)然，噴霧塔的燃料單耗，與進(jìn)塔的漿料水分、出塔的粉料水分以及設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷和產(chǎn)量等因素相關(guān)。

圖1 陶瓷企業(yè)原料車間熱力系統(tǒng)

表2使用天然氣燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電后的排煙并補(bǔ)燃作噴霧塔干燥供熱(以熱定電)系統(tǒng)燃料消耗量

項(xiàng)目代號(hào)計(jì)算數(shù)據(jù)噴霧干燥粉料產(chǎn)量(kg/h)W企業(yè)數(shù)據(jù)8972噴霧塔需要熱量(kJ/h)Q需見(jiàn)使用天然氣計(jì)算表14134095發(fā)電量(kW·h)P設(shè)定2138天然氣熱值(kJ/m3)q設(shè)定35335氣耗率(m3/kW·h)K燃?xì)廨啓C(jī)參數(shù)0.308用天然氣量(m3/h)S1P×K659 煙氣流量(460℃時(shí))(m3/m3)v燃?xì)廨啓C(jī)參數(shù)26.3排煙量(460℃時(shí))(m3/h)VS1×v17319 燃?xì)廨啓C(jī)排煙溫度(℃)t1燃?xì)廨啓C(jī)參數(shù)460

續(xù)表2

噴霧干燥工藝主要用熱需求是所要求的加熱介質(zhì)為熱風(fēng)，而陶瓷企業(yè)噴霧干燥要求的則是熱煙氣，熱煙氣的溫度為600 ℃左右。企業(yè)若以天然氣作熱風(fēng)爐的燃料，即使如上述測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)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(jià)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(jié)合燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)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(yè)噴霧干燥工藝可以采取分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)計(jì)。熱電聯(lián)供系統(tǒng)是指以天然氣為主要燃料，在用戶側(cè)安裝天然氣燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的電力滿足用戶的電力需求，同時(shí)通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)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(yè)“煤改氣”，相對(duì)于以天然氣直接全替代用能系統(tǒng)，可以降低企業(yè)“煤改氣”后的燃料成本，優(yōu)化企業(yè)的用能系統(tǒng)和設(shè)備能源利用效率。

我們以上述噴霧干燥粉料產(chǎn)量為8.972 t/h，采用天然氣燃燒產(chǎn)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(lián)供系統(tǒng)，則可降低純?nèi)紵烊粴鈺r(shí)的燃料成本。

圖2 陶瓷企業(yè)原料車間熱電聯(lián)供熱力系統(tǒng)

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(lián)產(chǎn)系統(tǒng)煙氣余熱的同樣產(chǎn)量的噴霧干燥塔費(fèi)用進(jìn)行對(duì)比如表3所示。

表3使用天然氣燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電后的排煙作噴霧塔干燥供熱燃料費(fèi)用對(duì)比

項(xiàng)目使用水煤漿直接使用天然氣使用天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)粉料產(chǎn)量(kg/h)912689728972燃料用量(kg/h)1249405744產(chǎn)每噸粉料燃料單耗(m3/t)136.8645.1482.92

續(xù)表3

續(xù)表3

噴霧塔使用水煤漿時(shí)產(chǎn)每噸粉料燃料費(fèi)用為68.43元/t，直接使用天然氣時(shí)產(chǎn)每噸粉料燃料費(fèi)用為135.42元/t，使用天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)時(shí)產(chǎn)每噸粉料燃料費(fèi)用為93.86元/t。天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)對(duì)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(yè)窯爐燒成工序采取“煤改氣”后，可以減少煤制氣過(guò)程和窯爐燒成過(guò)程的熱量損失，具體分析如下：

1.2.1 煤制氣過(guò)程熱量損失

陶瓷企業(yè)窯爐目前使用煤氣發(fā)生爐生產(chǎn)的煤制氣。在煤氣發(fā)生爐制造煤制氣的過(guò)程中存在較大的爐渣、散熱、化學(xué)等熱量損失。

我們對(duì)煤氣發(fā)生爐的熱平衡進(jìn)行測(cè)定，數(shù)據(jù)如表4和圖3所示。

表4 煤氣發(fā)生爐熱平衡數(shù)據(jù)表

圖3 煤氣發(fā)生爐熱平衡

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

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

煤氣產(chǎn)率=8 308.06/2 699.9=3.08 Nm3/kg

熱平衡測(cè)定數(shù)據(jù)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(guò)程熱量損失

窯爐使用煤制氣時(shí)，由于煤制氣的熱值較低，獲得同樣的窯內(nèi)溫度和保證窯內(nèi)橫向溫差一致時(shí)，所使用的窯爐煤制氣燒嘴所配置風(fēng)燃比較大，導(dǎo)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(lái)使用煤制氣改為使用天然氣之后，由于降低窯爐燃燒過(guò)程空氣系數(shù)，減少了入窯的助燃風(fēng)量和減少了出窯的排煙量，可以減少排煙熱量損失，按產(chǎn)量為1 000 m2/h的窯爐燒成實(shí)際生產(chǎn)計(jì)算，其節(jié)能量為：

使用煤制氣燒嘴窯爐內(nèi)空氣系數(shù)：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(shí)際煙氣量：VS=Vo+(a2-1) ×Lo

=2.09+(1.85-1)×1.31

=3.20 Nm3/m3

產(chǎn)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(jì)，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(nèi)空氣系數(shù):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(shí)際煙氣量：VS=Vo+( a1-1) ×Lo

=9.41+(1.50-1)×9.41

=14.12 Nm3/m3

產(chǎn)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(jì)，所排煙損失熱量為：G1=26 122×1.31×250=8 554 955 kJ/h。

窯爐從原來(lái)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(jié)能和減少費(fèi)用計(jì)算

一條日產(chǎn)地磚24 000 m2的窯爐，每小時(shí)使用煤制氣量為10 650 m3/h，生產(chǎn)每平方米產(chǎn)品的煤氣單耗為10.65 m3/m2產(chǎn)品。實(shí)際上由上述煤氣站生產(chǎn)熱值為6 281 kJ/Nm3的煤制氣，其煤氣產(chǎn)率為3.08 m3/kg時(shí)，由于存在煤氣發(fā)生爐制造煤制氣的工藝過(guò)程中各項(xiàng)損失，需要使用熱值為27 416 kJ/kg的原煤量為3.46 kg/m2產(chǎn)品。使用原煤折標(biāo)準(zhǔn)煤3.24 kgce/m2。

如果該窯爐使用天然氣時(shí)，若按窯爐使用熱值為35 335 kJ/m3，每小時(shí)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(biāo)準(zhǔn)煤2.11 kgce/m2。對(duì)比原來(lái)使用的煤制氣，無(wú)煤氣發(fā)生爐制造煤制氣的工藝過(guò)程中存在較大的各項(xiàng)能量損失，而且改為使用天然氣之后，由于降低窯爐燃燒過(guò)程空氣系數(shù)，減少了入窯的助燃風(fēng)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(shí)際運(yùn)行能耗。

對(duì)比節(jié)能率為：(3.24-2.11)/3.24×100%=34.88%

另外，取消了煤氣發(fā)生爐制造煤制氣的工藝過(guò)程，節(jié)省了設(shè)備運(yùn)行水電能消耗、操作人員工資、設(shè)備折舊維護(hù)等費(fèi)用。據(jù)某企業(yè)煤氣站實(shí)際運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其生產(chǎn)每立方米煤制氣費(fèi)用(見(jiàn)表5)。

表5 煤氣站生產(chǎn)費(fèi)用

據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，計(jì)算 “煤改氣”之后，每日該窯爐的燃料及生產(chǎn)工藝過(guò)程費(fèi)用(見(jiàn)表6)。

表6 窯爐使用煤制氣時(shí)燃料費(fèi)用計(jì)算

續(xù)表6

窯爐“煤改氣”后費(fèi)用對(duì)比：窯爐產(chǎn)量為24 000 m2/d的窯爐，使用煤制氣時(shí)燃料費(fèi)用加工過(guò)程費(fèi)用為85 472元/d，使用天然氣時(shí)燃料費(fèi)用為126 000元/d。使用天然氣的費(fèi)用比使用煤制氣的費(fèi)用增加47.42%。

表7 窯爐使用天然氣時(shí)燃料費(fèi)用計(jì)算

2 “煤改氣”節(jié)能環(huán)保效益

通過(guò)上述計(jì)算分析，陶瓷生產(chǎn)企業(yè)在使用燃料上的“煤改氣”，通過(guò)對(duì)用能工藝和設(shè)備改進(jìn)，可以達(dá)到較大的節(jié)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(shí)結(jié)合熱電聯(lián)產(chǎn)措施，則更可以降低天然氣燃料成本30.69%。若以一家年生產(chǎn)吸水率E≤0.5%陶瓷磚產(chǎn)量為720萬(wàn)m2使用水煤漿作噴霧干燥塔燃料的企業(yè)為例計(jì)算，按實(shí)際測(cè)定其原料加工工序噴霧干燥塔產(chǎn)粉料產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)煤量7 658 813×35 335/29 271=9 245.47 tce。對(duì)比節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)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(fā)生爐減少能源轉(zhuǎn)換損失，并對(duì)采用天然氣燃燒的窯爐運(yùn)行參數(shù)調(diào)節(jié)措施，大大降低了工序能耗，從而節(jié)約燒成工序標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量為7 200 000×(3.24-2.11)/1 000=8 136 tce。合計(jì)共節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)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(guò)程粉塵排放，減輕了環(huán)保設(shè)備的負(fù)擔(dān)。廠區(qū)取消了燃煤堆放倉(cāng)儲(chǔ)、煤氣站、煤渣堆放場(chǎng)地，減少了陶瓷企業(yè)的用地面積。以日產(chǎn)60 000 m2仿古磚，4條窯爐生產(chǎn)線規(guī)模的陶瓷廠來(lái)預(yù)計(jì)，可節(jié)約用地20 000 m2，節(jié)約基建投資1 200萬(wàn)元，節(jié)約設(shè)備投資1 000萬(wàn)元。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家“煤改氣”能源政策的推行，各地政府部門(mén)開(kāi)始采取行動(dòng)限制煤的使用，鼓勵(lì)企業(yè)使用天然氣。在使用優(yōu)質(zhì)能源天然氣時(shí)，需要努力尋求更優(yōu)化的能源轉(zhuǎn)換方式和更高的轉(zhuǎn)換效率。建議企業(yè)積極推廣高能效設(shè)備的應(yīng)用，更深入提高企業(yè)能源利用效率和降低企業(yè)用能成本，也為減少生產(chǎn)過(guò)程污染物排放作出貢獻(xiàn)。