王雷崗 王團(tuán)結(jié)

機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司

0 引言

卷煙生產(chǎn)企業(yè)具有空調(diào)面積大、全年保持恒溫恒濕、車間內(nèi)工藝設(shè)備發(fā)熱量大等特點(diǎn)，此外，還有較大的鍋爐、空壓、真空等動(dòng)力系統(tǒng)，這些能耗占卷煙生產(chǎn)企業(yè)總能耗的比重較大。2016 年印發(fā)的煙草行業(yè)“十三五”節(jié)能減排工作方案[1]，從管理及技術(shù)方面提出了行業(yè)節(jié)能減排的要求。一些科研單位和卷煙生產(chǎn)企業(yè)相繼開(kāi)展了卷煙生產(chǎn)企業(yè)節(jié)能減排的研究，余熱綜合利用被認(rèn)為是卷煙生產(chǎn)企業(yè)節(jié)能減排一項(xiàng)重點(diǎn)工作。

研究人員已對(duì)余熱回收利用做出了大量研究，劉宇寧等[2]采用全年逐時(shí)動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算的方法，研究排風(fēng)熱回收系統(tǒng)全年動(dòng)態(tài)節(jié)能率，研究結(jié)果表明溫和地區(qū)不建議采用排風(fēng)熱回收裝置。彭嶸等[3]研究武漢卷煙廠排風(fēng)熱回收在典型年工況運(yùn)行時(shí)的熱回收量，結(jié)果表明卷接包工藝排風(fēng)熱回收價(jià)值不高，不推薦回收。邵征宇等[4]結(jié)合卷煙廠工藝特點(diǎn)利用聯(lián)合工房工藝排風(fēng)，預(yù)熱空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)，確定了全熱回收方式的可行性。張小芬等[5]介紹了卷煙廠的工藝及負(fù)荷特點(diǎn)，提出了卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)余熱回收利用的研究方向。尚未發(fā)現(xiàn)有對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)卷煙廠工藝過(guò)程余熱綜合利用的研究，嚴(yán)寒地區(qū)新風(fēng)預(yù)熱耗熱量大，因此筆者對(duì)此進(jìn)行了深入的分析和研究。

1 卷煙工藝流程及余熱利用潛力分析

卷煙工藝流程主要有煙片處理，葉絲加工，梗絲加工，摻配加香，膨脹煙絲，濾棒成型及卷接包裝等[6]。生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的熱、塵及大量濕蒸汽，對(duì)煙絲的含水率，卷煙質(zhì)量及物料消耗等有很大的影響，因此恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)的控制精度要求較高，如表1[7]所示。

表1 卷煙廠車間工藝特點(diǎn)及溫濕度要求

可以看出在卷煙生產(chǎn)過(guò)程中，工藝除塵、排潮工作十分重要，除塵、排潮均是通過(guò)排風(fēng)的方式到達(dá)除濕除塵的目的，但是以犧牲室內(nèi)空調(diào)房間內(nèi)空氣為代價(jià)，排風(fēng)溫度達(dá)到高溫排風(fēng)120～150 ℃，低溫排風(fēng)30～50 ℃，其次制絲車間工藝排風(fēng)量較大，設(shè)計(jì)時(shí)最小新風(fēng)比一般達(dá)到35%[5]，在嚴(yán)寒地區(qū)的冬季，預(yù)熱新風(fēng)造成很大能量浪費(fèi)，工藝排風(fēng)是余熱回收研究重點(diǎn)。

2 余熱綜合利用系統(tǒng)

當(dāng)前卷煙生產(chǎn)企業(yè)余熱回收利用存在問(wèn)題如下：1）余熱資源供給和需求不平衡，一方面工藝過(guò)程產(chǎn)生的大量中低溫余熱資源直接排放，另一方面烘絲、貯葉、工藝空調(diào)等環(huán)節(jié)需消耗大量的熱量。2）余熱利用率低，卷煙生產(chǎn)企業(yè)缺乏整體余熱資源的綜合利用規(guī)劃，余熱資源的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益沒(méi)有得到充分發(fā)揮。3）利用余熱資源時(shí)沒(méi)有考慮不同地區(qū)的氣候條件差異性，盲目跟風(fēng)導(dǎo)致余熱回收系統(tǒng)的投入和產(chǎn)出嚴(yán)重失衡，經(jīng)濟(jì)性差。

筆者從現(xiàn)有卷煙生產(chǎn)企業(yè)能源利用方式及存在的問(wèn)題出發(fā)，對(duì)其余熱綜合利用的要求主要包括：

1）不能以犧牲工業(yè)生產(chǎn)作為節(jié)能的代價(jià)。

2）以需求量確定回收量，避免余熱回收后得不到充分利用的現(xiàn)象，產(chǎn)生“二次余熱”。

3）堅(jiān)持“高質(zhì)高用、低質(zhì)低用”的利用原則。

4）就近利用，降低熱量運(yùn)輸?shù)臒釗p失與管線投資成本。

5）技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理，投資回收期合理。

6）滿足工藝性，舒適性，經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，地區(qū)適宜性及節(jié)能降耗之間綜合平衡。

如圖1 所示將余熱回收系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，利用地源熱泵系統(tǒng)室外地埋換熱、蓄熱系統(tǒng)，將其作為“熱能銀行”，工廠生產(chǎn)及熱量富裕時(shí)向其內(nèi)“儲(chǔ)蓄熱能”，工廠停產(chǎn)及需用熱量時(shí)從其內(nèi)“支取熱能”，這樣就建立了一個(gè)熱能的閉合傳送鏈，極大地提高了能源利用率。土壤源熱泵技術(shù)利用低品位的地?zé)崮?，余熱回收提供高品位熱能，兩者結(jié)合，既能大大提高夏季土壤源熱泵機(jī)組的COP 值，又能擴(kuò)大余熱回收后的利用空間，充分實(shí)現(xiàn)了能源的梯級(jí)利用。

圖1 卷煙廠余熱綜合利用示意圖

3 余熱綜合利用案例分析

本文以北方某卷煙廠為研究對(duì)象，構(gòu)建了一套綜合的余熱利用方案，以解決嚴(yán)寒地區(qū)生產(chǎn)過(guò)程余熱回收利用的問(wèn)題。該項(xiàng)目地處嚴(yán)寒地區(qū)，工藝性空調(diào)冬季的新風(fēng)溫度較低，在進(jìn)入空調(diào)箱之前必須進(jìn)行預(yù)熱處理，避免低溫新風(fēng)凍壞空調(diào)加熱盤(pán)管，新風(fēng)熱負(fù)荷很大。按工藝資料提供的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，片煙預(yù)處理、真空回潮、制葉絲、制梗絲、加香儲(chǔ)絲等工段有工藝排潮，排潮風(fēng)量共計(jì)79200 m3/h。制絲車間的除塵風(fēng)量共計(jì)143360 m3/h。通過(guò)對(duì)可資回收利用的余熱資源進(jìn)行評(píng)估，有兩種熱回收方案可供選擇：一是高溫的工藝排風(fēng)直接換熱得到55 ℃熱水然后加以利用。二是低溫的工藝排風(fēng)經(jīng)高溫空氣源熱泵回收提升為55 ℃熱水并加以利用，兩個(gè)方案回收的55 ℃熱水再輔以保障性的蒸汽熱源可用作新風(fēng)加熱熱源。同時(shí)為提高熱源系統(tǒng)的保障率，本項(xiàng)目利用城市熱網(wǎng)系統(tǒng)的熱水（60/40 ℃）直接連在供水循環(huán)蓄熱水箱上，即當(dāng)余熱回收系統(tǒng)因故不能保證系統(tǒng)需求時(shí)，可啟用保障系統(tǒng)臨時(shí)應(yīng)急，以保障生產(chǎn)的安全性。

3.1 制絲車間余熱源及用途

制絲車間排潮最大風(fēng)量75480 m3/h，高溫氣體少，不分高低溫，混合進(jìn)行熱回收，溫度40 ℃。薄板烘絲機(jī)、葉絲氣流干燥機(jī)、滾筒式烘梗絲機(jī)、梗絲氣流干燥機(jī)等高溫排氣設(shè)備排風(fēng)量共計(jì)35500 m3/h，溫度120～150 ℃。制絲車間工藝除塵排風(fēng)風(fēng)量143360 m3/h，溫度30 ℃。制絲車間余熱回收的熱量用于制絲車間空調(diào)機(jī)組的新風(fēng)預(yù)熱，將室外空氣由-25 ℃（最低）加熱到10 ℃。

3.2 制絲車間余熱回收方案

制絲車間余熱熱回收空調(diào)系統(tǒng)由余熱回收系統(tǒng)，保障系統(tǒng)，制絲車間空調(diào)機(jī)組新風(fēng)預(yù)熱系統(tǒng)及制絲車間余熱回收智能控制系統(tǒng)等組成，空調(diào)系統(tǒng)原理如圖2 所示：

圖2 制絲車間空調(diào)余熱回收系統(tǒng)圖

烤煙工藝除塵排風(fēng)，其高溫部分（14500 m3/h），在未進(jìn)入除異味系統(tǒng)之前（溫度按90 ℃計(jì)算），利用“高溫余熱源換熱機(jī)組（設(shè)備編號(hào)TH-02，換熱量75 kW）”進(jìn)行熱能回收，得到水溫為55 ℃（余熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)供水溫度）的熱水，進(jìn)入供水循環(huán)水箱。對(duì)經(jīng)過(guò)汽水換熱回收后的烘絲機(jī)尾氣（溫度按65 ℃計(jì)算）與其它除塵排風(fēng)混合后（共計(jì)87280 m3/h，溫度按30 ℃計(jì)算），進(jìn)入除味系統(tǒng)的噴淋塔前，利用1 套“低溫余熱源換熱機(jī)組（設(shè)備編號(hào)TM-03 換熱量共計(jì)600 kW）”進(jìn)行二次能量回收。

白肋煙工藝除塵排風(fēng)，其高溫部分（21000 m3/h），在與低溫除塵混合進(jìn)入除味系統(tǒng)前（溫度按90 ℃計(jì)算），利用“高溫余熱源換熱機(jī)組（設(shè)備編號(hào)TH-01，換熱量100 kW）”進(jìn)行熱能回收，得到水溫為55 ℃（余熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)供水溫度）的熱水，進(jìn)入供水循環(huán)水箱。對(duì)經(jīng)過(guò)汽水換熱回收后的烘絲機(jī)尾氣（溫度按65 ℃計(jì)算）與其它除塵排風(fēng)混合后（共計(jì)58580 m3/h，溫度按40 ℃計(jì)算），進(jìn)入除味系統(tǒng)的噴淋塔前，通過(guò)1 套“低溫余熱源換熱機(jī)組（設(shè)備編號(hào)TM-04，換熱量800 kW）”進(jìn)行二次能量回收。

白肋煙排潮（風(fēng)量最大27700 m3/h，溫度按40 ℃計(jì)算），在進(jìn)入除味系統(tǒng)的噴淋塔前，通過(guò)1 套“低溫余熱源換熱機(jī)組（設(shè)備編號(hào)TM-01，換熱量300 kW）”進(jìn)行二次能量回收。

烤煙排潮（風(fēng)量最大45280 m3/h，溫度按40 ℃計(jì)算），在進(jìn)入除異味系統(tǒng)的噴淋塔前，采用1 套“低溫余熱源換熱機(jī)組（設(shè)備編號(hào)TM-02，換熱量500 kW）”進(jìn)行二次能量回收。

以上所有低溫余熱源換熱機(jī)組組成一套回收側(cè)的的循環(huán)水系統(tǒng)，并配置循環(huán)水泵及管道系統(tǒng)，利用1套“高效余熱回收機(jī)組”進(jìn)行二次能量回收，得到供水溫度為55 ℃的熱水，進(jìn)入供水循環(huán)水箱。供水管路設(shè)置一組供水循環(huán)蓄熱水箱（儲(chǔ)水量20 噸），并配置循環(huán)水泵及管道系統(tǒng)，使“高溫余熱源高效熱回收機(jī)組”以及“低溫余熱源高效熱回收機(jī)組”分別與循環(huán)蓄熱水箱之間進(jìn)行循環(huán)換熱。

根據(jù)計(jì)算，制絲車間除塵、排潮尾氣的最大余熱回收量約2300 kW，而制絲車間、白肋煙預(yù)處理車間的冬季空調(diào)新風(fēng)預(yù)熱所需熱量約1800 kW，此部分余熱回收量可以滿足空調(diào)新風(fēng)預(yù)熱的需求。

3.3 卷包車間余熱回收方案

卷接包車間工藝除塵最大排風(fēng)風(fēng)量109600 m3/h，溫度25 ℃。因卷接包車間工藝除塵排風(fēng)的可回收熱量較小，不能滿足卷接包車間空調(diào)機(jī)組的余熱要求，與制絲車間共用蓄熱水箱，卷包車間余熱熱回收及空調(diào)系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖3：

圖3 卷包車間余熱回收及空調(diào)系統(tǒng)原理圖

1）卷接包工藝除塵（風(fēng)量最大109600 m3/h，溫度按25 ℃計(jì)算），在進(jìn)入除味系統(tǒng)的噴淋塔前，通過(guò)2 套低溫余熱源換熱機(jī)組（設(shè)備編號(hào)TM-05，TM-06，換熱量160 kW）進(jìn)行二次能量回收。

2）所有的低溫余熱源換熱機(jī)組組成一套回收側(cè)的循環(huán)水系統(tǒng)，并配置循環(huán)水泵及管道系統(tǒng)，利用1 套高效余熱回收機(jī)組進(jìn)行二次能量回收，得到供水溫度為50 ℃的熱水，進(jìn)入供水循環(huán)水箱。

3）供水管路設(shè)置一組供水循環(huán)蓄熱水箱（儲(chǔ)水量20 噸），并配置循環(huán)水泵及管道系統(tǒng)，使空壓機(jī)，真空泵的余熱以及低溫余熱源高效熱回收機(jī)組分別與循環(huán)蓄熱水箱之間進(jìn)行循環(huán)換熱。

根據(jù)計(jì)算，卷包車間除塵尾氣的最大余熱回收量約320 kW，而卷包車間的冬季空調(diào)新風(fēng)預(yù)熱所需熱量約1000 kW，此部分余熱回收量只能滿足部分空調(diào)新風(fēng)預(yù)熱，不足部分由動(dòng)力中心蒸汽熱源補(bǔ)充，運(yùn)行節(jié)能降耗。

3.4 其他余熱綜合利用分析

卷煙生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢熱，除了制絲生產(chǎn)過(guò)程中工藝設(shè)備除塵、排潮的尾氣，蘊(yùn)含大量的余熱資源外，鍋爐尾部煙氣余熱。凝結(jié)水及閃蒸汽余熱?？諌?、真空的冷凝熱等。具體分析如表2：

表2 其他余熱資源利用分析

4 經(jīng)濟(jì)性分析

空調(diào)預(yù)熱系統(tǒng)有較大的季節(jié)性和時(shí)間性，根據(jù)項(xiàng)目所在地的氣象參數(shù)可知，室外新風(fēng)從9 月到第二年的5 月均需要預(yù)熱。其中，室外氣溫≤-10 ℃的時(shí)間為1867 h；室外氣溫在-10～0 ℃之間的時(shí)間為1457 h。室外氣溫在0～10 ℃之間的時(shí)間為1688 h。由于余熱源對(duì)空調(diào)預(yù)熱系統(tǒng)的最大可能貢獻(xiàn)率不足最大需求的18%，所以高溫余熱系統(tǒng)回收的熱量幾乎可不停歇的使用。

余熱回收系統(tǒng)的正常工作是建立在車間有余熱的基礎(chǔ)上，下面僅就余熱回收系統(tǒng)正常工作時(shí)，系統(tǒng)本身的能效加以分析：

當(dāng)制絲車間所有設(shè)備均處于正常工作狀態(tài)時(shí)，制絲高溫余熱回收系統(tǒng)的最大可回收余熱量為960 kW。則全年用于預(yù)熱的回收熱量為：總熱量=最大可回收高溫?zé)崃俊列桀A(yù)熱時(shí)間×運(yùn)行頻率=960×5012×0.45=2405634 kWh?？照{(diào)預(yù)熱平均開(kāi)啟頻率按需預(yù)熱工況的50%計(jì)，即0.5。換算成蒸汽約為3200 噸，蒸汽按400 元/噸計(jì)算，折算的蒸汽費(fèi)用=3200×400=128萬(wàn)元。

在此狀態(tài)下，余熱回收系統(tǒng)的能源消耗主要來(lái)自于機(jī)組循環(huán)水泵，余熱回收機(jī)組水泵功耗=5.5×0.9×2=9.9 kW，水泵能耗=水泵功耗×需預(yù)熱時(shí)間×運(yùn)行頻率=9.9×5012×0.5=24809 kWh，電價(jià)按1 元/kWh 計(jì)算，折算電費(fèi)：24809×1=2.5 萬(wàn)元。

夏季，當(dāng)新風(fēng)不需要預(yù)熱時(shí)，可以將回收的熱量用于地源熱泵系統(tǒng)回灌，此時(shí)只需要將管路系統(tǒng)與熱泵夏季回灌系統(tǒng)連接即可。如前所述，當(dāng)制絲車間所有設(shè)備均處于正常工作狀態(tài)時(shí)，制絲高溫余熱回收系統(tǒng)的最大可回收余熱量為730 kW。則全年用于回灌的回收熱量為：總熱量=最大可回收高溫?zé)崃俊列桀A(yù)熱時(shí)間×運(yùn)行頻率=960×3000×0.5=1439925 kWh，制絲車間平均開(kāi)工頻率按50%計(jì)，即0.5。換算成蒸汽約為1920噸，折算蒸汽費(fèi)用：1920×400=76.8 萬(wàn)元。

在此狀態(tài)下，余熱回收系統(tǒng)的能源消耗主要來(lái)自于機(jī)組循環(huán)水泵，余熱回收機(jī)組水泵功耗：5.5×0.9×2=9.9 kW，水泵能耗=水泵功耗×需預(yù)熱時(shí)間×運(yùn)行頻率=9.9×3000×0.5=14850 kWh，折算電費(fèi)：14850×1=1.485 萬(wàn)元。

費(fèi)用分析：回收節(jié)省總計(jì)=128+76.8=204.8 萬(wàn)，回收循環(huán)用電費(fèi)=2.5+1.485=3.985 萬(wàn)，年預(yù)計(jì)節(jié)約費(fèi)用=204.8-3.985=200.8 萬(wàn)。

其余與預(yù)熱回收有關(guān)的能耗，包括空調(diào)機(jī)組預(yù)熱的循環(huán)水泵，汽水換熱循環(huán)水泵或與回灌系統(tǒng)相連的水泵等動(dòng)力系統(tǒng)，可以看做是正常開(kāi)通系統(tǒng)的一部分。空調(diào)預(yù)熱循環(huán)水泵功耗：30×0.9×2+18.5×0.9×2=87.3 kW，汽水換熱循環(huán)水泵功耗：30×0.9×3=81 kW，因空調(diào)循環(huán)水泵是為整個(gè)空調(diào)預(yù)熱系統(tǒng)服務(wù)的，如不計(jì)入空調(diào)循環(huán)功耗時(shí)，余熱回收系統(tǒng)總耗電功率為9.9 kW，此時(shí)余熱回收系統(tǒng)的能效比為960/9.9=96.9。

可見(jiàn)，制絲車間高溫余熱回收系統(tǒng)具有極高的能效比和經(jīng)濟(jì)性，節(jié)能減排效果顯著。

5 結(jié)論

卷煙廠工藝生產(chǎn)過(guò)程中一方面除塵、排潮等工藝排風(fēng)伴隨著大量的能量散失。另一方面嚴(yán)寒地區(qū)工藝性空調(diào)冬季的新風(fēng)溫度較低，在進(jìn)入空調(diào)箱之前必須進(jìn)行預(yù)熱處理，需要消耗大量的熱量，余熱資源存在很大的利用空間。本文對(duì)黑龍江某卷煙廠余熱資源利用方案進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明，嚴(yán)寒地區(qū)卷煙廠余熱回收綜合利用系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，具有極高的能效比和經(jīng)濟(jì)性。在此基礎(chǔ)上筆者認(rèn)為卷煙廠設(shè)備運(yùn)行周期長(zhǎng)，鍋爐煙氣、空壓機(jī)排氣、工藝設(shè)備散熱等余熱資源同樣可利用性較高，有待進(jìn)一步深入研究。