陶瓷企業(yè)燃料“煤改氣”技術(shù)措施及節(jié)能環(huán)保效益*

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

隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展、國力的提高以及對環(huán)保問題的重視，尤其是對日益嚴重的工業(yè)化污染的擔憂，使得天然氣的應(yīng)用成為必然。目前，全國各地政府部門開始采取行動限制煤炭的使用，鼓勵工業(yè)、企業(yè)、居民使用天然氣。而且，近年來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環(huán)境的污染。為了積極響應(yīng)政府部門“煤改氣”的號召，解決用能陶瓷企業(yè)“煤改氣”后的燃料成本問題，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，對用能系統(tǒng)進行相應(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，研磨成規(guī)定細度并含有較高水分的泥漿，泥漿經(jīng)陳化之后送入以熱風作熱源的噴霧干燥塔中，噴成霧狀的泥漿經(jīng)與熱風進行熱交換成為含較低水分的泥粉。而噴霧干燥塔的熱風爐所用的燃料經(jīng)歷了從20世紀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爐直接采用鏈排式燃煤熱風爐取代水煤漿熱風爐。據(jù)統(tǒng)計，供給原料車間工序中熱風爐的燃料占全企業(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

在對陶瓷企業(yè)實施的企業(yè)能源審計過程中，我們專門對某企業(yè)的噴霧干燥塔進行熱平衡測試，分別測定了當前企業(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)見表1。

運行規(guī)格同為5000型的噴霧干燥塔，當使用水煤漿燃料的噴霧干燥生產(chǎn)時每噸粉料水煤漿單耗為136.86 kg/t，按所使用燃料的熱值計產(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%。當然，噴霧塔的燃料單耗，與進塔的漿料水分、出塔的粉料水分以及設(shè)備運行負荷和產(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使用天然氣燃氣輪機發(fā)電后的排煙并補燃作噴霧塔干燥供熱(以熱定電)系統(tǒng)燃料消耗量

項目代號計算數(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需見使用天然氣計算表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燃氣輪機參數(shù)0.308用天然氣量(m3/h)S1P×K659 煙氣流量(460℃時)(m3/m3)v燃氣輪機參數(shù)26.3排煙量(460℃時)(m3/h)VS1×v17319 燃氣輪機排煙溫度(℃)t1燃氣輪機參數(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，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)若以天然氣作熱風爐的燃料，即使如上述測試數(shù)據(jù)計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)合燃氣輪機發(fā)電機組的運行，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)進行熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)計。熱電聯(lián)供系統(tǒng)是指以天然氣為主要燃料，在用戶側(cè)安裝天然氣燃氣輪機發(fā)電機組，發(fā)電機組產(chǎn)生的電力滿足用戶的電力需求，同時通過燃氣輪機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)量的噴霧干燥塔費用進行對比如表3所示。

表3使用天然氣燃氣輪機發(fā)電后的排煙作噴霧塔干燥供熱燃料費用對比

項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產(chǎn)每噸粉料燃料費用為68.43元/t，直接使用天然氣時產(chǎn)每噸粉料燃料費用為135.42元/t，使用天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)時產(chǎn)每噸粉料燃料費用為93.86元/t。天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)對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，可以減少煤制氣過程和窯爐燒成過程的熱量損失，具體分析如下：

1.2.1 煤制氣過程熱量損失

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程中存在較大的爐渣、散熱、化學等熱量損失。

我們對煤氣發(fā)生爐的熱平衡進行測定，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 窯爐燒成過程熱量損失

窯爐使用煤制氣時，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，所使用的窯爐煤制氣燒嘴所配置風燃比較大，導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。

窯爐從原來使用煤制氣改為使用天然氣之后，由于降低窯爐燃燒過程空氣系數(shù)，減少了入窯的助燃風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的窯爐燒成實際生產(chǎn)計算，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，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，所排煙損失熱量為：G1=26 122×1.31×250=8 554 955 kJ/h。

窯爐從原來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)能和減少費用計算

一條日產(chǎn)地磚24 000 m2的窯爐，每小時使用煤制氣量為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，由于存在煤氣發(fā)生爐制造煤制氣的工藝過程中各項損失，需要使用熱值為27 416 kJ/kg的原煤量為3.46 kg/m2產(chǎn)品。使用原煤折標準煤3.24 kgce/m2。

如果該窯爐使用天然氣時，若按窯爐使用熱值為35 335 kJ/m3，每小時使用天然氣量為1 850 m3/h，天然氣單耗為1.75 Nm3/m2，使用天然氣折標準煤2.11 kgce/m2。對比原來使用的煤制氣，無煤氣發(fā)生爐制造煤制氣的工藝過程中存在較大的各項能量損失，而且改為使用天然氣之后，由于降低窯爐燃燒過程空氣系數(shù)，減少了入窯的助燃風量和出窯的排煙量，減少了排煙熱量損失，從而降低了窯爐實際運行能耗。

對比節(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程，節(jié)省了設(shè)備運行水電能消耗、操作人員工資、設(shè)備折舊維護等費用。據(jù)某企業(yè)煤氣站實際運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其生產(chǎn)每立方米煤制氣費用(見表5)。

表5 煤氣站生產(chǎn)費用

據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，計算 “煤改氣”之后，每日該窯爐的燃料及生產(chǎn)工藝過程費用(見表6)。

表6 窯爐使用煤制氣時燃料費用計算

續(xù)表6

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

表7 窯爐使用天然氣時燃料費用計算

2 “煤改氣”節(jié)能環(huán)保效益

通過上述計算分析，陶瓷生產(chǎn)企業(yè)在使用燃料上的“煤改氣”，通過對用能工藝和設(shè)備改進，可以達到較大的節(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m2使用水煤漿作噴霧干燥塔燃料的企業(yè)為例計算，按實際測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準煤量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, 按天然氣熱值折標準煤量7 658 813×35 335/29 271=9 245.47 tce。對比節(jié)約標準煤量為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，并對采用天然氣燃燒的窯爐運行參數(shù)調(diào)節(jié)措施，大大降低了工序能耗，從而節(jié)約燒成工序標準煤消耗量為7 200 000×(3.24-2.11)/1 000=8 136 tce。合計共節(jié)約標準煤消耗量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，燃燒過程粉塵排放，減輕了環(huán)保設(shè)備的負擔。廠區(qū)取消了燃煤堆放倉儲、煤氣站、煤渣堆放場地，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)模的陶瓷廠來預(yù)計，可節(jié)約用地20 000 m2，節(jié)約基建投資1 200萬元，節(jié)約設(shè)備投資1 000萬元。

3 結(jié)語

隨著國家“煤改氣”能源政策的推行，各地政府部門開始采取行動限制煤的使用，鼓勵企業(yè)使用天然氣。在使用優(yōu)質(zhì)能源天然氣時，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)過程污染物排放作出貢獻。