〔中華全國供銷合作總社鄭州棉麻工程技術設計研究所,鄭州450004〕
經過國家棉花流通檢驗體制改革后,棉花加工企業(yè)規(guī)?;⑿畔⒒潭鹊玫捷^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備,部分企業(yè)還配置了棉花加濕設備?,F代棉花加工企業(yè)的調濕設備主要包括籽棉烘干、籽棉加濕和皮棉加濕,是棉花加工生產線上的關鍵設備。盡管皮棉有加濕、烘干的需求,但皮棉烘干應用不多,僅在長江流域部分加工企業(yè)有使用。
棉花干燥環(huán)節(jié)主要是熱風干燥方式,暫時沒有冷凍干燥等其它干燥形式的應用。其中,干燥裝置多采用熱風塔式,熱源以燃煤熱風爐為主,少量采用燃煤導熱油爐、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軟化水質,利用超聲波或者高壓對純水進行霧化處理后,直接噴到棉花上。棉纖維的吸濕滯后性和纖維表面的蠟質層構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部形成結合水,如加濕量大,加濕均勻性和一致性差,易導致加濕后棉花存放出現霉斑,長期品質影響難以估計。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生加濕效果。熱加濕工藝通過高溫使中空的棉纖維產生膨脹,容易與高濕空氣中的水分形成結合水,從而提高棉纖維的回潮率。顯然熱加濕均勻性更好。雖然使用熱調濕工藝成本比冷加濕要高。但是為了保證加濕效果,大多數生產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,國家對節(jié)能減排提出更高要求,調濕中普遍采用的燃煤熱源被叫停,需要采用燃油、燃氣、電能等更清潔的能源代替。無論是棉花加工企業(yè)還是棉機生產企業(yè)都面臨著如何正確判斷調濕熱源發(fā)展趨勢,在燃油、燃氣、電能之間做出選擇的難題。
2019軋花年度機采棉普及率超過50%,在新疆北疆棉區(qū)超過了90%。機采棉工藝得到了普遍應用,加上機械化開松喂花設備的使用,生產線安全運轉率得到提升,若加工時間20 h/d,產量25包/h,折算皮棉5.5 t/h計算,加工企業(yè)加工時間能完全控制在100天內。
以技術先進、干燥強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),熱源會配備(5 000~6 700)MJ/h[(120~160)萬kcal/h]熱風爐,熱功率1 389 kW~1 860 kW。熱調濕熱源功率需要加倍,至少需要8 300 MJ/h(200萬kcal/h,2 305 kW),同時驅動干燥和加濕需要12 500 MJ/h(300萬kcal/h)。若按5 000 MJ/h(120萬kcal/h)熱風爐計算,標準煤消耗232 kg/h,4.6 t/d。調濕的熱源成本已經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,提升質量,科學制定調濕標準的重要內容。
對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濟性。以標準煤的熱值為1單位,可以將其他能源折算出一個相對煤炭的折算率值進行換算。對每單位熱值的價格計算價格比率,分析出各種類型的能源性價比。
為使用替代能源,需要采用專用的加熱方式和設備,這些特點也是重要差別。
1.煤炭。
標準煤熱值為29.26 MJ/kg(7 000 kcal/kg),折算率1。動力煤價格約600元/t。
煤炭需要復雜的條件才能保持穩(wěn)定燃燒,通常伴生硫、磷等元素會產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、耐高溫的耐火磚構成的爐膛來保障煤炭連續(xù)、充分燃燒。燃煤爐熱慣性大、質量大,溫度不易調節(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,需要大約24小時的逐步升溫預熱的過程,防止爐膛開裂,因而需要連續(xù)使用,無法做到按需開機使用。
2.生物質燃料。
生物質燃料在不同場景有不同內涵。例如,對稻米加工企業(yè)來說,有大量的稻殼副產物,可以作為免費的生物質燃料來利用。但對棉花加工企業(yè)來說,秸稈、鈴殼等可燃燒雜質量占比<10%,總量太少,從生產線獲得大量、穩(wěn)定的生物質燃料并不容易。大部分生物質燃料仍然需要從外面采購。生物質燃料因成分不同,熱值復雜,以最常見的秸稈、花生殼、雜木類型的顆粒生物質燃料為例,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,生物質顆粒燃料保持連續(xù)燃燒條件比較復雜,爐子構造和燃煤爐相差無幾,因而熱慣性大、質量大,溫度不易調節(jié)、控制,設備成本高。在開機前需要較長的預熱升溫時間,無法快速間歇工作。
3.燃油(輕質柴油)。
棉花加工企業(yè)加工時間一般在9月~12月,需要使用0號和-10號柴油。0號柴油熱值9 600 kcal/kg,-10號柴油熱值為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號柴油價格比0號約高400元/t,平均按7 600元/t計算。
輕質柴油會采用專用柴油燃燒機頭燃燒。燃燒機頭利用高壓霧化柴油,與助燃風機送入的空氣流形成可燃混合氣體,在燃燒盤處點火燃燒。燃燒機頭為保證柴油霧化效果,確保能點燃柴油,會固定噴油嘴的直徑,因此不能連續(xù)調節(jié)火焰大小來控制輸出溫度,另外燃燒機頭的助燃風機風量有限,只保證能點燃混合氣體,需要一個爐膛或蓄熱器來保障火焰燃燒完全和調節(jié)熱風溫度。燃燒爐的爐膛或蓄熱器一般由一個雙層耐高溫的鋼板筒構成,火焰在最內層燃燒,內外層夾兼作散熱器加熱空氣,不需要耐火磚等材料,構造相對簡單,熱慣性較大,控制相對簡單,溫度變化快、波動大。
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熱值相當于1.12 kg~1.2 kg的柴油熱量。零售價格在7.5元/kg。
棉花加工企業(yè)應用LPG和柴油類似,一般會使用線性燃燒機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的較大范圍內控制和調節(jié)火力大小,溫度調整、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,計量單位不同。因天然氣成分各異,熱值也各不相同。1Nm3的CNG質量為0.68-0.75 kg,熱值36.22 MJ/Nm3,折算率1.236。用于估算時1 Nm3CNG熱值相當于0.792 kg柴油熱量。LNG的熱值約為12 000 kcal/kg,標桿價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頭。因CNG和LNG在燃燒前已經完成了與助燃空氣的比例混合,能保證燃燒充分完全,相對這兩種方式燃燒器構造都很簡單,甚至只需要一個保持火焰持續(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、快速調節(jié),熱慣性極小,控制、調節(jié)非常方便。
6.電能。
電可以來自煤炭、核電,甚至水電、風電和太陽能等可再生綠色能源,是比較干凈的優(yōu)質能源。電熱能為3.6MJ/kw·h,折算率0.122 9。分時電價谷時0.2元/kw·h,平時0.8元/kw·h??紤]軋花企業(yè)的實際工作時間,平均可按0.5元/kw·h計算。
電熱風爐熱風爐構造簡單,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。電熱風爐裝機功率較大,1臺電熱風爐根據功率不同會裝備有4~12組,每組可以分別進行控制、調整,能連續(xù)調節(jié)輸出溫度,開關機快速、方便。
綜合分析,若耗費同樣熱功,各類型能源替代消耗與經濟測算見下表1。
根據表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。電熱考慮分時電價后,費用處于燃油和CNG之間,若平均電價處于0.6元/kw·h時,成本和燃油相當。采用生物質顆粒燃料則取決于可獲得的燃料類型和熱值,范圍變動較大,可能數倍于煤炭或者成本相當。
以現有擱板增熱式籽棉烘干塔工藝5 000 MJ/h(120萬大卡)燃煤熱風爐熱源替代為例,分析設備購置、建安、運行費用、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濟成本比較
表2 熱源替代方案成本分析
現實環(huán)境中改造用戶遠多于新建設備用戶數量。干燥設備是嵌入到生產線中運行的,涉及到供熱風機、物料輸送風機、管網等諸多設備系統(tǒng)。如果改造涉及大量設備,改造成本、運行調整維護難度等都會加大。在現有設備基礎上改造,僅僅替換燃煤熱風爐,盡可能保持并兼容現有設備,維持操作習慣的延續(xù)性,加工企業(yè)接受會更容易,同時也是改造風險最低的選擇。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、長期效益等因素。
1.化石能源供需矛盾突出,不是鼓勵發(fā)展方向。
從可用資源獲得性上分析比較,CNG、LPG等燃氣具有相對干凈,管道輸送方便、安全的優(yōu)勢,主要問題是存儲和供應相對不是很穩(wěn)定。一是存儲安全投入,包括一次性建設和運行時維護投入大,設計、施工都需要專業(yè)公司進行,罐裝供應需要氣站安全協(xié)調,占用人員;二是供應保障上供需矛盾突出,供應不能得到保證,價格不確定性大,甚至常出現劇烈波動。2016年、2017年國家發(fā)改委曾連續(xù)出臺多個文件,鼓勵加大進口,并規(guī)劃到2020年形成天然氣儲氣庫工作氣量1.48×1011m3。然而,天然氣進口貨源替代不易。在2018年LNG國產與進口比例為1∶4,CNG則是3∶1,產量基本上都有確定用途。另外,建造儲氣設施有特殊要求,相對選址困難,儲存有一定技術難度,2020年1月中國的儲氣能力不足1×1011Nm3,僅占實際用氣量的3%。甚至新疆所有規(guī)劃開工的6座儲氣設施群在2020年底如期完成建設投產,儲氣調峰能力達8.46×107Nm3,也僅夠新疆自治區(qū)目前民生用氣消費水平下3天應急使用。2017年北方“煤改氣”取暖導致新增年產量18.5%需求而引發(fā)的供應緊張問題已經持續(xù)3年,估計未來2~3年內仍難以解決。國家政策導向依然是優(yōu)先保障民生用氣。因此,熱源改造為CNG或LNG,冬季正常加工時間供氣難以保障,短期內將是過渡方案。
柴油的熱值比較高,相應供應、運輸、儲存、使用比較方便。燃燒機技術成熟,單臺設備供熱能力大,能兼容現有熱源設備,改造費用低。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,若油品質量不能保證,氮氧化物、PM2.5顆粒物等排放難以達標等,隨著時間推移會面臨二次升級改造問題。
2.生物質燃料是一種較好的過渡選擇。
化石燃料中含有硫磷等雜質,燃燒后的產物呈現酸性,對鍋爐材料有耐酸性腐蝕的要求;而生物質燃料燃燒后鉀、鎂等元素作用呈現弱堿性,要求鍋爐材料耐堿性腐蝕,加上燃燒的條件不一致,因此兩者熱風爐的構造和材料并不相同,無法通用,導致改造成本較高。
生物質顆粒燃料熱值變化范圍大,導致使用、控制上存在不方便。另外,生物質顆粒燃料同樣存在污染物排放不達標問題。隨著環(huán)保標準的提升,生物質顆粒燃料熱源最終也會成為一種過渡方案。
電能屬于清潔能源,沒有儲存問題,熱風爐改造方案簡單,控制便捷,使用安全,也不增加人力投入,加上分時電價中谷時電價優(yōu)惠,是可選項之一。存在的主要問題是總體擁有成本過高和資源限制,使用成本對電價比較敏感,以及對一些設備存在電磁干擾。一般棉花加工企業(yè)整個機采棉軋花車間裝機容量為1 200 kW。企業(yè)從經濟運行角度和電力定價策略出發(fā),會配備一主一輔兩臺變壓器,主變壓器2 000 kVA,用于生產時驅動主機設備;輔變壓器100 kVA,用于照明、維修等輔助用電。可以看到,若直接替換現有燃煤熱風爐的熱源,一個標稱5 000 MJ熱功的熱源,其電裝機功率將達到1 389 kW,用電改造需要擴容并新增一組1 600 kVA的變電設備。如果帶動15 t/h籽棉塔式加濕設備則需要替換標稱350萬kcal/h的熱風爐,此時總裝機容量達到4 051 kW,是原設計容量的3倍!可見,調濕成本會大大增加,遠遠超出國家標準技術條件中噸皮棉電耗260度的先進指標。
此外,電熱風爐的基礎發(fā)熱元件——電熱管基本實現了標準化,裝機功率過大時,電熱管數量過多,不僅散熱困難,引起壓力損失增大,熱效率降低,而且會因故障率上升,導致檢修困難,因此,單臺電熱風爐的最大功率都比較小,超過1 200 kW的不多。若需要同時為機采棉兩道干燥和加濕提供熱源,需要安裝2~4臺電熱風爐,導致成本飆升。
單臺電熱風爐功率比較大,必須采用可控硅調功控制技術,對電網環(huán)境干擾比較大,容易引起電網波形畸變,對其它用電設備干擾嚴重,需要單獨配置變電、配電設備。
為數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、配套配電箱及高低壓柜等供電工程合計投資27 萬元,車間電線電纜估計投資為11~20萬元。2019年1 600 kVA箱式變電站報價約在17~25萬元。當然,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用和協(xié)調難度。
應該看到,電熱沒有儲存、運輸、副產物處理等問題,非常干凈,沒有環(huán)保排放壓力,爐子控制簡單,反應快,使用上非常方便、安全,不增加人力成本。盡管存在錯峰用電要求,但谷時電價優(yōu)惠力度非常大,對加工企業(yè)正常工作時間影響不大。存在的主要問題是供電工程問題協(xié)調時間長,總體擁有成本過高和電力資源限制,使用成本對電價比較敏感。但是地方政府往往對產業(yè)用電等出臺有產業(yè)支持政策,優(yōu)惠力度非常大。選擇直接升級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)升級問題。
傳統(tǒng)化石燃料中,柴油等輕質燃油的熱值比較高,相應供應、運輸、儲存、使用比較方便。天然氣、LPG的優(yōu)勢是干凈,可管道輸送,方便、安全。燃油、燃氣的燃燒機技術成熟,能兼容現有熱源設備,改造費用相對較低,用戶易接受。因此建議以燃油改造為重點方向,以天然氣(CNG或LNG)、LPG為次優(yōu),生物質燃料為替代。生物質燃料顆粒因為制造成本較高,原材料獲取受地域特色限制,熱值變化范圍大,對價格的影響起決定性作用。若當地有大量、穩(wěn)定來源的生物質燃料顆粒原料,則其運行成本僅略高于煤炭,且燃燒后的爐灰是優(yōu)質鉀肥,能額外產生收益,值得作為改造的替代考慮。