天然氣熱風(fēng)爐在干燥行業(yè)中的節(jié)能應(yīng)用

張麗麗，姜 謀

(1.浙江省能源與核技術(shù)應(yīng)用研究院，浙江 杭州310012;2.新奧燃氣控股有限公司，河北 廊坊065001)

0 引言

干燥設(shè)備其能耗約占全國總能耗的12%，涉及國民經(jīng)濟的廣泛領(lǐng)域［1］。我國每年機械化干燥消耗大量煤炭資源，2008年耗煤342 Mt［2］。

目前國內(nèi)大部分干燥設(shè)備熱源來自于蒸汽或?qū)嵊蜑榻橘|(zhì)的熱量傳遞，采用的燃料以煤炭為主，普遍存在設(shè)備龐大、環(huán)節(jié)多、遠距離輸送跑冒滴漏及管道損失等問題。在換熱環(huán)節(jié)存在介質(zhì)溫度低、生產(chǎn)效率低、熱量浪費嚴(yán)重的現(xiàn)象［3］。干燥過程的熱效率一般均較低，為30%～60%［4］。因此，干燥行業(yè)具有巨大的節(jié)能空間。同時，煤炭燃燒過程排放大量SO2、NOx和粉塵等污染物，對環(huán)境危害巨大，是減排的重點對象。

天然氣是一種高效、清潔的優(yōu)質(zhì)能源，燃燒過程基本不排放SO2和粉塵。而且，與煤炭和石油相比，可減排約60%的CO2和50%的NOx。然而，在我國一次能源結(jié)構(gòu)中，煤炭所占比例高達60%以上，而天然氣所占比例僅4%左右，遠遠低于世界23.5%的平均水平［5］。因此，提高天然氣在能源構(gòu)成中的比重，是我國經(jīng)濟與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。

國家能源局指出，為推進“十二五”期間能源優(yōu)化工作，需要大力發(fā)展天然氣，到“十二五”末期，天然氣利用規(guī)模達到2 600億m3，在能源消費結(jié)構(gòu)中的比例從目前的3.9%提高到8.3%左右［6］。因此，未來幾年對天然氣的消費量將以每年25%的速度遞增。隨著我國“西氣東輸”、“海氣登陸”、“液化天然氣上岸”和“俄羅斯天然氣南輸”等為代表的重大開發(fā)項目的實施，天然氣必將起到推動我國能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、減少污染物排放的重要作用。

在干燥行業(yè)，采用天然氣燃料替代傳統(tǒng)的煤炭，具有干燥介質(zhì)溫度高、熱效率高、系統(tǒng)簡單可靠、污染物排放低等特點，節(jié)能和環(huán)保優(yōu)勢非常明顯。然而，目前天然氣在干燥行業(yè)的應(yīng)用不多，相關(guān)的試驗和實踐較少。

本文介紹了某生物制藥公司熱風(fēng)干燥系統(tǒng)的改造項目，采用天然氣為燃料的直燃熱風(fēng)爐代替了原蒸汽換熱器，解決了原系統(tǒng)出力不足的問題，大幅提高了系統(tǒng)熱效率，為進一步推動天然氣在干燥行業(yè)的應(yīng)用提供實踐經(jīng)驗。

1 改造項目概況

山東某生物制藥公司以糧食為原料提煉生物藥品，在生產(chǎn)過程中有大量的尾料需要烘干，作為生物質(zhì)飼料的原料。該公司原采用熱電廠的管道蒸汽作為熱源，干燥介質(zhì)為空氣。如圖1所示，整個干燥系統(tǒng)主要由蒸汽、換熱器和回轉(zhuǎn)干燥筒組成。冷空氣進入換熱器，被管道蒸汽加熱后，溫度達到150℃左右，進入回轉(zhuǎn)干燥筒。在生產(chǎn)中，可根據(jù)實際需要，調(diào)節(jié)蒸汽流量和冷凝水流量，來調(diào)整干燥介質(zhì)溫度。原干燥系統(tǒng)運行參數(shù)見表1。

表1 原干燥系統(tǒng)運行參數(shù)

圖1 原干燥系統(tǒng)示意

經(jīng)過長期運行，發(fā)現(xiàn)原干燥系統(tǒng)存在以下問題:

(1)原系統(tǒng)設(shè)計出口熱風(fēng)(干燥介質(zhì))溫度為170℃，但由于熱力蒸汽經(jīng)長距離管輸后，至換熱器前溫度已經(jīng)下降至170℃。經(jīng)換熱后，只能得到150℃左右的出口熱風(fēng)，干燥能力受到影響。尤其在冬季，受環(huán)境溫度影響，出口熱風(fēng)溫度更低，干燥能力直線下降，嚴(yán)重影響企業(yè)正常生產(chǎn)。

(2)企業(yè)為提高出口熱風(fēng)溫度，在實際運行中，將蒸汽閥和疏水閥調(diào)至最大，以增加蒸汽流量和加速冷凝水排出，導(dǎo)致冷凝水溫度和含汽率分別高達130℃和15%，部分蒸汽未完全冷凝即被排出換熱器，造成蒸汽的熱利用率降低。

(3)由于企業(yè)無鍋爐，換熱器排出的冷凝水無法回收利用，從而造成大量余熱浪費。

2 天然氣熱風(fēng)爐干燥系統(tǒng)

為克服原干燥系統(tǒng)的不足，提出采用天然氣直燃熱風(fēng)爐代替原蒸汽換熱器的改造方案，直接采用天然氣燃燒煙氣作為干燥介質(zhì)。改造后的干燥系統(tǒng)如圖2所示，主要由燃燒器、天然氣熱風(fēng)爐和回轉(zhuǎn)干燥筒等組成。天然氣在絕熱燃燒室內(nèi)燃燒，產(chǎn)生溫度大于1 300℃的高溫?zé)煔?。離開燃燒室后，在混合室與大量冷空氣混合，溫度降至180℃左右后，進入回轉(zhuǎn)干燥筒。天然氣熱風(fēng)爐干燥系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)見表2，燃料采用西氣東輸管道天然氣，成分分析見表3。

圖2 天然氣直燃熱風(fēng)爐干燥系統(tǒng)

表2 天然氣熱風(fēng)爐設(shè)計參數(shù)

表3 天然氣成分分析

天然氣燃燒器如圖3所示，采用旋流擴散式結(jié)構(gòu)。助燃空氣經(jīng)過軸向葉片，形成旋流，天然氣從中心管小孔中高速射出，邊混合邊燃燒。由于二次風(fēng)是旋轉(zhuǎn)的，擾動強烈，可加強天然氣與空氣的混合，強化燃燒。旋轉(zhuǎn)射流在中心形成回流區(qū)，回卷高溫?zé)煔?，起到穩(wěn)燃作用。燃燒區(qū)域采用絕熱的多孔成型耐火磚，提高燃燒溫度，進一步促進穩(wěn)燃和燃盡。燃燒器功率為1.4 MW，采用PID控制，通過調(diào)節(jié)燃氣流量，控制混合風(fēng)溫度。

圖3 天然氣燃燒器示意

3 改造效果及節(jié)能分析

3.1 運行效果

經(jīng)過實際運行發(fā)現(xiàn)，天然氣直燃熱風(fēng)爐干燥系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，各項參數(shù)均達到了設(shè)計指標(biāo)。實際耗氣量為115 Nm3/h，干燥介質(zhì)溫度可達180℃以上。

與原系統(tǒng)相比，改造后的天然氣直燃干燥系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢:

(1)干燥介質(zhì)溫度不受熱載體(蒸汽)溫度的限制，很容易提高到180℃以上。且不再受蒸汽管網(wǎng)溫度波動的影響，干燥介質(zhì)溫度穩(wěn)定，企業(yè)生產(chǎn)力增強，產(chǎn)量提高20%以上。

(2)干燥介質(zhì)溫度采用PID自動控制，可以根據(jù)物料水份含量靈活調(diào)節(jié)，干燥品質(zhì)得到保證。

(3)干燥系統(tǒng)中不存在冷凝水造成的余熱浪費現(xiàn)象，系統(tǒng)熱效率提高，運行成本大大降低。

3.2 節(jié)能效果分析

原干燥系統(tǒng)以蒸汽為熱源，系統(tǒng)能流如圖4所示。由圖可見，采用蒸汽為熱源的干燥系統(tǒng)熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)較多，蒸汽產(chǎn)生、輸送和使用三個過程都存在熱損失，分別為鍋爐熱損失、蒸汽輸送管損和換熱器熱損失。

圖4 以蒸汽為熱源的干燥系統(tǒng)能流

其中，原干燥系統(tǒng)各項熱損失為:(1)燃煤鍋爐熱效率約為70%;(2)蒸汽輸送管損約為8%;(3)170℃和130℃時飽和蒸汽焓分別為2 768 kJ/kg和2 720 kJ/kg，飽和水焓為546 kJ/kg，則蒸汽放熱量為1 896 kJ/kg，換熱器熱效率為68.5%。因此，以蒸汽為熱源的干燥系統(tǒng)總熱效率為44.1%。

改造后的天然氣直燃熱風(fēng)爐干燥系統(tǒng)中，只存在兩部分熱損失，分別為天然氣燃燒熱損失和爐體散熱損失。天然氣直燃爐采用絕熱爐體，火焰溫度高于1 300℃，保證了天然氣的完全燃燒，燃燒效率為98%左右;高溫?zé)煔怆x開燃燒室后，與大量冷空氣進行混合，在此過程中爐體散熱損失很少，可忽略不計。因此，天然氣熱風(fēng)爐干燥系統(tǒng)的總熱效率可達96%以上，與原蒸汽為熱源的干燥系統(tǒng)相比，熱效率提高了52%，節(jié)能效果顯著。

3.3 經(jīng)濟效益和社會效益

按天然氣熱值36 216 kJ/Nm3、熱風(fēng)爐系統(tǒng)熱效率96%計，干燥系統(tǒng)理論天然氣用量為130 Nm3/h。然而在實際運行中，天然氣熱風(fēng)爐系統(tǒng)熱效率高于96%，天然氣用量約為115 Nm3/h。

天然氣價格為3.3元/Nm3，小時耗氣量115 Nm3/h，則燃料費用為379.5元/h;蒸汽價格為180元/t，耗量2.5 t/h，則熱力費用為450元/h。單條生產(chǎn)線按每年運行330 d、每天24 h計，則每年可節(jié)約燃料費用55.8萬元，經(jīng)濟效益非?？捎^。.

通過天然氣直燃熱風(fēng)爐干燥系統(tǒng)改造，每年可節(jié)約2 904 t標(biāo)煤，減少CO2排放8 073 t，減少SO2排放58.1 t，減少NOx排放17.4 t。以干燥行業(yè)年耗煤342 Mt計，若將這一技術(shù)推廣，將全國60%的燃煤干燥系統(tǒng)改造為天然氣直燃熱風(fēng)爐，則每年可節(jié)約205 Mt標(biāo)煤，減少CO2排放570 t，減少SO2排放4.1 Mt，減少NOx排 放1.2 Mt，產(chǎn) 生 巨 大 的社 會效益。

4 結(jié)論

將某臺采用蒸汽作為熱源的回轉(zhuǎn)干燥爐改造為天然氣直燃熱風(fēng)爐，取得了以下改造效果:

(1)干燥介質(zhì)溫度可達到180℃以上，溫度穩(wěn)定，使企業(yè)產(chǎn)量提高20%;

(2)干燥介質(zhì)的溫度可根據(jù)生物質(zhì)飼料所含水分自動調(diào)節(jié)，確保了干燥品質(zhì);

(3)系統(tǒng)中不存在管損和冷凝水造成的余熱浪費現(xiàn)象，熱損失減少，熱效率由改造前的44%提高到96%以上，提高了52%。

(4)通過天然氣直燃熱風(fēng)爐干燥系統(tǒng)改造，每年可節(jié)約2 904 t標(biāo)煤，減少CO2排放8 073 t，減少SO2排放58.1 t，減少NOx排放17.4 t。產(chǎn)生巨大的社會效益。

［1］李海霞，朱躍釗，廖傳華.可再生能源在干燥設(shè)備中的應(yīng)用［J］.干燥技術(shù)與設(shè)備，2009，7(5):228－232.

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［5］中國統(tǒng)計年鑒:2009［M］.北京:中國統(tǒng)計出版社，2009.

［6］何文淵，何慶華.加快我國天然氣工業(yè)發(fā)展的有關(guān)問題［J］.中國能源，2004，26(1):23－28.