〔中華全國供銷合作總社鄭州棉麻工程技術(shù)設(shè)計(jì)研究所,鄭州450004〕
經(jīng)過國家棉花流通檢驗(yàn)體制改革后,棉花加工企業(yè)規(guī)?;?、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(shè)備,部分企業(yè)還配置了棉花加濕設(shè)備?,F(xiàn)代棉花加工企業(yè)的調(diào)濕設(shè)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(shè)備。盡管皮棉有加濕、烘干的需求,但皮棉烘干應(yīng)用不多,僅在長(zhǎng)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(fēng)干燥方式,暫時(shí)沒有冷凍干燥等其它干燥形式的應(yīng)用。其中,干燥裝置多采用熱風(fēng)塔式,熱源以燃煤熱風(fēng)爐為主,少量采用燃煤導(dǎo)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(duì)純水進(jìn)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(dǎo)致加濕后棉花存放出現(xiàn)霉斑,長(zhǎng)期品質(zhì)影響難以估計(jì)。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(duì)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?xì)?、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(jī)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(shì),在燃油、燃?xì)狻㈦娔苤g做出選擇的難題。
2019軋花年度機(jī)采棉普及率超過50%,在新疆北疆棉區(qū)超過了90%。機(jī)采棉工藝得到了普遍應(yīng)用,加上機(jī)械化開松喂花設(shè)備的使用,生產(chǎn)線安全運(yùn)轉(zhuǎn)率得到提升,若加工時(shí)間20 h/d,產(chǎn)量25包/h,折算皮棉5.5 t/h計(jì)算,加工企業(yè)加工時(shí)間能完全控制在100天內(nèi)。
以技術(shù)先進(jìn)、干燥強(qiáng)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(huì)配備(5 000~6 700)MJ/h[(120~160)萬kcal/h]熱風(fēng)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(shí)驅(qū)動(dòng)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(fēng)爐計(jì)算,標(biāo)準(zhǔn)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(xué)制定調(diào)濕標(biāo)準(zhǔn)的重要內(nèi)容。
對(duì)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(jì)性。以標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值為1單位,可以將其他能源折算出一個(gè)相對(duì)煤炭的折算率值進(jìn)行換算。對(duì)每單位熱值的價(jià)格計(jì)算價(jià)格比率,分析出各種類型的能源性價(jià)比。
為使用替代能源,需要采用專用的加熱方式和設(shè)備,這些特點(diǎn)也是重要差別。
1.煤炭。
標(biāo)準(zhǔn)煤熱值為29.26 MJ/kg(7 000 kcal/kg),折算率1。動(dòng)力煤價(jià)格約600元/t。
煤炭需要復(fù)雜的條件才能保持穩(wěn)定燃燒,通常伴生硫、磷等元素會(huì)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(shí),需要大約24小時(shí)的逐步升溫預(yù)熱的過程,防止?fàn)t膛開裂,因而需要連續(xù)使用,無法做到按需開機(jī)使用。
2.生物質(zhì)燃料。
生物質(zhì)燃料在不同場(chǎng)景有不同內(nèi)涵。例如,對(duì)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(fèi)的生物質(zhì)燃料來利用。但對(duì)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(fù)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(duì)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(fù)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(shè)備成本高。在開機(jī)前需要較長(zhǎng)的預(yù)熱升溫時(shí)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(shí)間一般在9月~12月,需要使用0號(hào)和-10號(hào)柴油。0號(hào)柴油熱值9 600 kcal/kg,-10號(hào)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(hào)柴油價(jià)格比0號(hào)約高400元/t,平均按7 600元/t計(jì)算。
輕質(zhì)柴油會(huì)采用專用柴油燃燒機(jī)頭燃燒。燃燒機(jī)頭利用高壓霧化柴油,與助燃風(fēng)機(jī)送入的空氣流形成可燃混合氣體,在燃燒盤處點(diǎn)火燃燒。燃燒機(jī)頭為保證柴油霧化效果,確保能點(diǎn)燃柴油,會(huì)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(jī)頭的助燃風(fēng)機(jī)風(fēng)量有限,只保證能點(diǎn)燃混合氣體,需要一個(gè)爐膛或蓄熱器來保障火焰燃燒完全和調(diào)節(jié)熱風(fēng)溫度。燃燒爐的爐膛或蓄熱器一般由一個(gè)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(duì)簡(jiǎn)單,熱慣性較大,控制相對(duì)簡(jiǎn)單,溫度變化快、波動(dòng)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(dāng)于1.12 kg~1.2 kg的柴油熱量。零售價(jià)格在7.5元/kg。
棉花加工企業(yè)應(yīng)用LPG和柴油類似,一般會(huì)使用線性燃燒機(jī)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(jì)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(shí)1 Nm3CNG熱值相當(dāng)于0.792 kg柴油熱量。LNG的熱值約為12 000 kcal/kg,標(biāo)桿價(jià)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(shí)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(jià)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(jī)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(duì)這兩種方式燃燒器構(gòu)造都很簡(jiǎn)單,甚至只需要一個(gè)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(fēng)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(shí)電價(jià)谷時(shí)0.2元/kw·h,平時(shí)0.8元/kw·h??紤]軋花企業(yè)的實(shí)際工作時(shí)間,平均可按0.5元/kw·h計(jì)算。
電熱風(fēng)爐熱風(fēng)爐構(gòu)造簡(jiǎn)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(fēng)爐裝機(jī)功率較大,1臺(tái)電熱風(fēng)爐根據(jù)功率不同會(huì)裝備有4~12組,每組可以分別進(jìn)行控制、調(diào)整,能連續(xù)調(diào)節(jié)輸出溫度,開關(guān)機(jī)快速、方便。
綜合分析,若耗費(fèi)同樣熱功,各類型能源替代消耗與經(jīng)濟(jì)測(cè)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(shí)電價(jià)后,費(fèi)用處于燃油和CNG之間,若平均電價(jià)處于0.6元/kw·h時(shí),成本和燃油相當(dāng)。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(dòng)較大,可能數(shù)倍于煤炭或者成本相當(dāng)。
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(fēng)爐熱源替代為例,分析設(shè)備購置、建安、運(yùn)行費(fèi)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(jì)成本比較
表2 熱源替代方案成本分析
現(xiàn)實(shí)環(huán)境中改造用戶遠(yuǎn)多于新建設(shè)備用戶數(shù)量。干燥設(shè)備是嵌入到生產(chǎn)線中運(yùn)行的,涉及到供熱風(fēng)機(jī)、物料輸送風(fēng)機(jī)、管網(wǎng)等諸多設(shè)備系統(tǒng)。如果改造涉及大量設(shè)備,改造成本、運(yùn)行調(diào)整維護(hù)難度等都會(huì)加大。在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上改造,僅僅替換燃煤熱風(fēng)爐,盡可能保持并兼容現(xiàn)有設(shè)備,維持操作習(xí)慣的延續(xù)性,加工企業(yè)接受會(huì)更容易,同時(shí)也是改造風(fēng)險(xiǎn)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(zhǎng)期效益等因素。
1.化石能源供需矛盾突出,不是鼓勵(lì)發(fā)展方向。
從可用資源獲得性上分析比較,CNG、LPG等燃?xì)饩哂邢鄬?duì)干凈,管道輸送方便、安全的優(yōu)勢(shì),主要問題是存儲(chǔ)和供應(yīng)相對(duì)不是很穩(wěn)定。一是存儲(chǔ)安全投入,包括一次性建設(shè)和運(yùn)行時(shí)維護(hù)投入大,設(shè)計(jì)、施工都需要專業(yè)公司進(jìn)行,罐裝供應(yīng)需要?dú)庹景踩珔f(xié)調(diào),占用人員;二是供應(yīng)保障上供需矛盾突出,供應(yīng)不能得到保證,價(jià)格不確定性大,甚至常出現(xiàn)劇烈波動(dòng)。2016年、2017年國家發(fā)改委曾連續(xù)出臺(tái)多個(gè)文件,鼓勵(lì)加大進(jìn)口,并規(guī)劃到2020年形成天然氣儲(chǔ)氣庫工作氣量1.48×1011m3。然而,天然氣進(jìn)口貨源替代不易。在2018年LNG國產(chǎn)與進(jìn)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(chǔ)氣設(shè)施有特殊要求,相對(duì)選址困難,儲(chǔ)存有一定技術(shù)難度,2020年1月中國的儲(chǔ)氣能力不足1×1011Nm3,僅占實(shí)際用氣量的3%。甚至新疆所有規(guī)劃開工的6座儲(chǔ)氣設(shè)施群在2020年底如期完成建設(shè)投產(chǎn),儲(chǔ)氣調(diào)峰能力達(dá)8.46×107Nm3,也僅夠新疆自治區(qū)目前民生用氣消費(fèi)水平下3天應(yīng)急使用。2017年北方“煤改氣”取暖導(dǎo)致新增年產(chǎn)量18.5%需求而引發(fā)的供應(yīng)緊張問題已經(jīng)持續(xù)3年,估計(jì)未來2~3年內(nèi)仍難以解決。國家政策導(dǎo)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(shí)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(yīng)供應(yīng)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、使用比較方便。燃燒機(jī)技術(shù)成熟,單臺(tái)設(shè)備供熱能力大,能兼容現(xiàn)有熱源設(shè)備,改造費(fèi)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(dá)標(biāo)等,隨著時(shí)間推移會(huì)面臨二次升級(jí)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(duì)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(fēng)爐的構(gòu)造和材料并不相同,無法通用,導(dǎo)致改造成本較高。
生物質(zhì)顆粒燃料熱值變化范圍大,導(dǎo)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(dá)標(biāo)問題。隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的提升,生物質(zhì)顆粒燃料熱源最終也會(huì)成為一種過渡方案。
電能屬于清潔能源,沒有儲(chǔ)存問題,熱風(fēng)爐改造方案簡(jiǎn)單,控制便捷,使用安全,也不增加人力投入,加上分時(shí)電價(jià)中谷時(shí)電價(jià)優(yōu)惠,是可選項(xiàng)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(duì)電價(jià)比較敏感,以及對(duì)一些設(shè)備存在電磁干擾。一般棉花加工企業(yè)整個(gè)機(jī)采棉軋花車間裝機(jī)容量為1 200 kW。企業(yè)從經(jīng)濟(jì)運(yùn)行角度和電力定價(jià)策略出發(fā),會(huì)配備一主一輔兩臺(tái)變壓器,主變壓器2 000 kVA,用于生產(chǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)主機(jī)設(shè)備;輔變壓器100 kVA,用于照明、維修等輔助用電??梢钥吹剑糁苯犹鎿Q現(xiàn)有燃煤熱風(fēng)爐的熱源,一個(gè)標(biāo)稱5 000 MJ熱功的熱源,其電裝機(jī)功率將達(dá)到1 389 kW,用電改造需要擴(kuò)容并新增一組1 600 kVA的變電設(shè)備。如果帶動(dòng)15 t/h籽棉塔式加濕設(shè)備則需要替換標(biāo)稱350萬kcal/h的熱風(fēng)爐,此時(shí)總裝機(jī)容量達(dá)到4 051 kW,是原設(shè)計(jì)容量的3倍!可見,調(diào)濕成本會(huì)大大增加,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)條件中噸皮棉電耗260度的先進(jìn)指標(biāo)。
此外,電熱風(fēng)爐的基礎(chǔ)發(fā)熱元件——電熱管基本實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化,裝機(jī)功率過大時(shí),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(huì)因故障率上升,導(dǎo)致檢修困難,因此,單臺(tái)電熱風(fēng)爐的最大功率都比較小,超過1 200 kW的不多。若需要同時(shí)為機(jī)采棉兩道干燥和加濕提供熱源,需要安裝2~4臺(tái)電熱風(fēng)爐,導(dǎo)致成本飆升。
單臺(tái)電熱風(fēng)爐功率比較大,必須采用可控硅調(diào)功控制技術(shù),對(duì)電網(wǎng)環(huán)境干擾比較大,容易引起電網(wǎng)波形畸變,對(duì)其它用電設(shè)備干擾嚴(yán)重,需要單獨(dú)配置變電、配電設(shè)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(tái)、配套配電箱及高低壓柜等供電工程合計(jì)投資27 萬元,車間電線電纜估計(jì)投資為11~20萬元。2019年1 600 kVA箱式變電站報(bào)價(jià)約在17~25萬元。當(dāng)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(fèi)用和協(xié)調(diào)難度。
應(yīng)該看到,電熱沒有儲(chǔ)存、運(yùn)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(jiǎn)單,反應(yīng)快,使用上非常方便、安全,不增加人力成本。盡管存在錯(cuò)峰用電要求,但谷時(shí)電價(jià)優(yōu)惠力度非常大,對(duì)加工企業(yè)正常工作時(shí)間影響不大。存在的主要問題是供電工程問題協(xié)調(diào)時(shí)間長(zhǎng),總體擁有成本過高和電力資源限制,使用成本對(duì)電價(jià)比較敏感。但是地方政府往往對(duì)產(chǎn)業(yè)用電等出臺(tái)有產(chǎn)業(yè)支持政策,優(yōu)惠力度非常大。選擇直接升級(jí)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(jí)問題。
傳統(tǒng)化石燃料中,柴油等輕質(zhì)燃油的熱值比較高,相應(yīng)供應(yīng)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、使用比較方便。天然氣、LPG的優(yōu)勢(shì)是干凈,可管道輸送,方便、安全。燃油、燃?xì)獾娜紵龣C(jī)技術(shù)成熟,能兼容現(xiàn)有熱源設(shè)備,改造費(fèi)用相對(duì)較低,用戶易接受。因此建議以燃油改造為重點(diǎn)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?yàn)橹圃斐杀据^高,原材料獲取受地域特色限制,熱值變化范圍大,對(duì)價(jià)格的影響起決定性作用。若當(dāng)?shù)赜写罅?、穩(wěn)定來源的生物質(zhì)燃料顆粒原料,則其運(yùn)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。