黃萌潔
(廣州造紙集團(tuán)有限公司,廣東廣州,511462)
壓縮空氣是工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的動(dòng)力源之一,由于其具有安全、無公害、調(diào)節(jié)性能好、輸送方便等諸多優(yōu)點(diǎn),使其在造紙、鋼鐵、采礦、紡織等現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣泛。產(chǎn)生壓縮空氣的空壓機(jī)是通過自身的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,機(jī)械能又轉(zhuǎn)化為空氣勢能,提供氣源動(dòng)力[1-3]。在這一過程中,僅有15%的能量轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)工作需要的空氣勢能,剩余85%的能量轉(zhuǎn)化為熱量[4],大部分被壓縮后的油氣混合物帶走[5]。這些油氣混合物經(jīng)過分離,分別在各自的冷卻器(油冷卻器和氣冷卻器)中被冷卻介質(zhì)(水或空氣)帶走,導(dǎo)致熱量浪費(fèi)??諌簷C(jī)運(yùn)行油溫一般可達(dá)80~100℃[6],空壓機(jī)出口排氣溫度也在80~100℃,利用好這些余熱,是企業(yè)節(jié)能減排的重要工作,可為企業(yè)創(chuàng)造良好經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)創(chuàng)造良好的環(huán)境效益[7]。
空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)原理是在不改變空壓機(jī)原有工作狀態(tài)的情況下,將潤滑油路及熱空氣接至機(jī)組外部,采用余熱回收裝置對(duì)高溫潤滑油和熱空氣進(jìn)行熱量交換,將油中及空氣中的熱能傳遞給水,用于生產(chǎn)熱水,實(shí)現(xiàn)熱能的利用[8-9],如圖1 所示。簡單地說,加入余熱回收系統(tǒng)后,空壓機(jī)從單純的生產(chǎn)壓縮空氣變成既可以生產(chǎn)壓縮空氣又可以生產(chǎn)熱水。
圖1 空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of air compressor waste heat recovery system
本項(xiàng)目中的造紙廠位于珠江出海口附近,配置了7 臺(tái)壓縮空氣排氣量40 m3的250 kW 雙螺桿式風(fēng)冷壓縮機(jī)。但每年有1/2 時(shí)間均是夏季的廣州,選擇風(fēng)冷空壓機(jī)對(duì)環(huán)境溫度及空氣流向的情況考慮不足,使得該車間在夏季時(shí)空壓機(jī)排氣溫度常年超過100℃,很多時(shí)候甚至接近110℃,容易引起設(shè)備跳停。嘗試了很多方法,但不論增加多少強(qiáng)排風(fēng)裝置作用均很小。另一方面,該車間生產(chǎn)工藝用水溫度約為55℃,因此一年四季補(bǔ)充進(jìn)入系統(tǒng)的常溫清水均需要用蒸汽加熱至接近該溫度。一邊是空壓機(jī)的超高溫,一邊是溫水系統(tǒng)不斷對(duì)常溫清水加熱,這就使得空壓機(jī)余熱回收在該車間有實(shí)施的條件和必要。
按照該造紙生產(chǎn)線設(shè)備配置的需要,7 臺(tái)空壓機(jī)中的6臺(tái)空壓機(jī)聯(lián)網(wǎng)使用,即通過壓力設(shè)定自動(dòng)啟動(dòng)停止;第7臺(tái)空壓機(jī)由生產(chǎn)工手動(dòng)控制。在正常生產(chǎn)時(shí),至少有3臺(tái)空壓機(jī)長時(shí)間加載運(yùn)行;若紙幅斷紙需重新引紙時(shí),或其他大用氣設(shè)備啟動(dòng)時(shí),聯(lián)網(wǎng)的6臺(tái)空壓機(jī)中其余的3臺(tái)空壓機(jī)檢測到壓力低于設(shè)定值自動(dòng)啟動(dòng);第7 臺(tái)空壓機(jī)作為備用機(jī),在聯(lián)網(wǎng)的6 臺(tái)空壓機(jī)有故障或者空氣壓力報(bào)警時(shí)手動(dòng)啟動(dòng)。按照此使用情況,需要給聯(lián)網(wǎng)的6臺(tái)空壓機(jī)均配置余熱回收裝置,并與空壓機(jī)設(shè)置啟動(dòng)聯(lián)鎖,回收的熱量按照3臺(tái)24 h加載運(yùn)行的空壓機(jī)進(jìn)行計(jì)算。
改造6臺(tái)250 kW 空壓機(jī),至少每天3臺(tái)24 h加載運(yùn)行,加載率95%,余熱回收效率70%[10];溫水系統(tǒng)出水溫度55℃。
1 臺(tái)空壓機(jī)1 h 所提供熱能:Q1=250 kW× 1 臺(tái)×95% × 70% × 1 h=166.25 kWh;1 臺(tái)空壓機(jī)1 h 可利用熱量Q'=166.25 kWh × 3.6 MJ=598.5 MJ(功率與熱量轉(zhuǎn)換1 kWh≈3600 kJ);3 臺(tái)空壓機(jī)1 h 可利用總熱量Q=598.5 MJ×3臺(tái)=1795.5 MJ,具體如表1所示。
表1 3臺(tái)空壓機(jī)1 h可回收熱量計(jì)算Table 1 Calculation of 1 h recoverable heat of 3 air compressors
以進(jìn)水溫度為20℃,出水溫度為55℃,溫差35℃,水比熱容4.2 kJ/(kg·℃)計(jì)算,理論上3 臺(tái)空壓機(jī)每天利用熱量可產(chǎn)熱水量為O2=1795.5 MJ÷35℃÷4.2 kJ/(kg·℃)×24 h/d=293.143 t/d,如表2所示。
表2 3臺(tái)空壓機(jī)每天可加熱水量計(jì)算Table 2 Calculation of daily heating water volume of 3 air compressors
結(jié)合該造紙生產(chǎn)線的空壓機(jī)實(shí)際配置使用情況,從水質(zhì)、投資、補(bǔ)水量等方面考慮,具體余熱回收系統(tǒng)流程為:6 臺(tái)聯(lián)網(wǎng)的空壓機(jī)各配置1 套余熱回收裝置,用于回收空壓機(jī)熱油及熱空氣中的熱,然后通過一次熱交換將水加熱,這些熱水作為內(nèi)循環(huán)水由循環(huán)水泵送至生產(chǎn)工藝溫水系統(tǒng),與溫水系統(tǒng)的常溫清水進(jìn)行二次熱交換,將內(nèi)循環(huán)中的熱水熱能交換給清水,使得清水升溫,內(nèi)循環(huán)中的熱水降溫再送回至余熱回收裝置作為冷水使用。內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)配置一用一備2 臺(tái)熱介質(zhì)循環(huán)水泵及1 個(gè)用于補(bǔ)水和穩(wěn)定內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)水量、壓力的水箱,余熱回收裝置與空壓機(jī)聯(lián)鎖,空壓機(jī)啟動(dòng)余熱回收裝置啟動(dòng),整個(gè)系統(tǒng)配置一套閉式循環(huán)智能控制系統(tǒng),便于控制。圖2為余熱回收系統(tǒng)流程圖。
圖2 余熱回收系統(tǒng)流程圖Fig.2 Flow chart of waste heat recovery system
此流程設(shè)計(jì)了2 個(gè)水系統(tǒng),1 個(gè)為與溫水系統(tǒng)相連的水系統(tǒng),從溫水系統(tǒng)的清水管接入,熱交換加熱后送入溫水系統(tǒng)的熱水池;1 個(gè)為內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng),只在一次、二次熱交換器中不斷循環(huán)。該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是:所有的熱交換主要均由內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)來完成,內(nèi)循環(huán)是一個(gè)閉式循環(huán),水耗小、補(bǔ)水量少,補(bǔ)水由自來水經(jīng)軟化水設(shè)備(超濾過濾器)軟化處理后送入水箱;內(nèi)循環(huán)的水質(zhì)好,那么6套余熱回收裝置中的一次熱交換器、管道材料、循環(huán)泵均不需選用特殊的耐腐蝕材料;而用于二次熱交換兩側(cè)水質(zhì)不同,一側(cè)是內(nèi)循環(huán)水(軟水),一側(cè)是清水(普通水源水),需選用耐腐蝕的鈦板板式熱交換器。整個(gè)流程中只有一處設(shè)備配置需選用耐腐蝕材料,節(jié)約了項(xiàng)目的整體投入。缺點(diǎn)是:進(jìn)行了2次熱交換,熱利用率會(huì)有所降低,熱損耗會(huì)加大。
2.3.1余熱回收裝置
每臺(tái)空壓機(jī)各配置1套余熱回收裝置安裝于空壓機(jī)油路上回收熱油熱量,1 套余熱回收裝置安裝于空壓機(jī)排氣口回收熱空氣熱量,余熱回收裝置是主要的熱回收裝置。一般內(nèi)部熱交換器為釬焊式板式熱交換器或者管式熱交換器,各有優(yōu)缺點(diǎn)。板式熱交換器交換效率高、空間小,但板片間距離窄、容易結(jié)垢。釬焊式的板式熱交換器無法拆開清洗,如熱交換器堵塞效率降低,最終只能整臺(tái)更換。管式熱交換器管徑大,不容易結(jié)垢,如果結(jié)垢也可拆開清洗,但交換效率偏低,占地較大。該項(xiàng)目選擇配置了列管式熱交換器的余熱回收裝置,表3、表4分別為油、氣部分余熱回收裝置技術(shù)參數(shù)表。從表3、表4中可以看到,換熱能力、產(chǎn)水量已經(jīng)滿足需求,設(shè)備尺寸不大,從投用后的維護(hù)方面考慮選擇了此種余熱回收裝置。
表3 余熱回收裝置(油部分)技術(shù)參數(shù)表Table 3 Technical parameters of waste heat recovery unit(oil part)
表4 余熱回收裝置(氣部分)技術(shù)參數(shù)表Table 4 Technical parameters of waste heat recovery unit(air part)
2.3.2板式熱交換器
按照流程配置1 臺(tái)板式熱交換器用于內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)與溫水系統(tǒng)的熱交換,為水-水熱交換。介質(zhì)均是水,但水質(zhì)不同,熱側(cè)為軟水水質(zhì),冷側(cè)為清水(經(jīng)過濾的河水)水質(zhì),清水可能偶有氯離子含量高時(shí),因此,材質(zhì)選擇鈦板。由于6 臺(tái)空壓機(jī)可能同時(shí)啟動(dòng),那么回收的熱量最大值將達(dá)到3591 MJ,是1795.5 MJ 的2 倍,熱交換器需按照最大回收熱量及附加系數(shù)選擇。選擇的板式熱交換器技術(shù)參數(shù)如表5所示。
表5 板式熱交換器參數(shù)Table 5 Technical parameters of waste heat recovery unit
2.3.3循環(huán)動(dòng)力設(shè)備
系統(tǒng)中高溫潤滑油循環(huán)利用原設(shè)備內(nèi)高壓分的壓力作為動(dòng)力源,外循環(huán)水系統(tǒng)利用原溫水系統(tǒng)水壓,內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)配置一用一備2 臺(tái)7.5 kW 內(nèi)循環(huán)熱水泵。內(nèi)循環(huán)熱水泵技術(shù)參數(shù)如表6所示。
表6 內(nèi)循環(huán)熱水泵技術(shù)參數(shù)Table 6 Technical parameters of internal circulation hot water pump
2.3.4管路系統(tǒng)
系統(tǒng)中內(nèi)外循環(huán)水輸送采用不銹鋼管道,外套PVC 保護(hù)管,中間填充聚氨酯發(fā)泡保溫材料。外套PVC保護(hù)管解決了傳統(tǒng)的管道外加保溫棉容易老化的缺點(diǎn),可在最低程度上減少介質(zhì)在輸送過程中的熱量損失。
2.3.5膨脹水箱
為了補(bǔ)水及穩(wěn)定內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)水量、壓力,設(shè)計(jì)1 t 水箱,材料為內(nèi)304 外201 不銹鋼,保溫層用聚氨酯發(fā)泡保溫材料。
2.3.6控制系統(tǒng)
余熱回收系統(tǒng)配備控制界面,在線顯示板式熱交換器冷、熱側(cè)進(jìn)、出口水溫,顯示6臺(tái)余熱回收裝置實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài),并控制水泵順序啟動(dòng),水泵缺水時(shí)停泵報(bào)警,系統(tǒng)能自動(dòng)定期試運(yùn)行水泵,防止水泵長時(shí)間停止造成粘住,防止電機(jī)超電流、超溫、異常高壓等。
完成改造后,冬季空壓機(jī)加載運(yùn)行時(shí)排氣溫度從原來超過100℃降低至88~90℃,夏季空壓機(jī)加載運(yùn)行時(shí)排氣溫度從原來超過105℃降低至92℃,空壓機(jī)故障跳停明顯減少;板式熱交換器冷水側(cè)出口溫度超過50℃,如圖3 所示,基本符合造紙工藝用溫水溫度。
圖3 余熱回收控制系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)Fig.3 Schematic diagram of air compressor waste heat recovery system
從圖3 可以看出,內(nèi)循環(huán)管道壓力為0.27 MPa,循環(huán)熱水泵正常運(yùn)行,循環(huán)水泵基本達(dá)到額定流量50 m3/h,可以認(rèn)為熱側(cè)水量為50 m3/h,S1熱側(cè)進(jìn)出口溫差為:S1-S2=56.1℃-44.3℃=11.8℃,按照系統(tǒng)實(shí)際熱回收效率70%計(jì)算,回收熱量:Q=4.2×103kJ/(kg·℃) ×50 m3/h×11.8℃×70%=1734.6 MJ/h。
板式熱交換器吸熱與散熱量基本相等,S3冷側(cè)進(jìn)出口溫差為:S4-S3=53.7℃-37.0℃=16.7℃,每臺(tái)空壓機(jī)可產(chǎn)工藝溫水量=1734.6 MJ/h÷16.7℃÷4.2×103kJ/(t·℃)=24.73 t/h,3 臺(tái)空壓機(jī)實(shí)際可生產(chǎn)工藝溫水量=24.73 t/h×24 h/d=593.52 t/d。
實(shí)際每天產(chǎn)工藝溫水比理論計(jì)算多,達(dá)到設(shè)計(jì)能力。
目前正常生產(chǎn)空壓機(jī)開機(jī)數(shù)3臺(tái),實(shí)際回收熱量為1734.6 MJ/h,轉(zhuǎn)換為功率值為:P1=1734.6 MJ/h÷3.6 MJ/kWh=481.83 kW;正常運(yùn)行時(shí)有1 臺(tái)內(nèi)循環(huán)水泵7.5 kW,3 臺(tái)1.5 kW 熱回收裝置完成熱回收工作,每小時(shí)回收的熱量功率與余熱回收系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行電功率差為:481.83 kW-7.5 kW-3×1.5 kW=469.83 kW;每小時(shí)節(jié)約電能耗:469.83 kW×1 h=469.83 kWh;每天24 h 生產(chǎn),按照電價(jià)0.6 元/kWh,每日節(jié)約電費(fèi):469.83 kWh×24 h/d×0.6 元/kWh=6765.55 元/d;扣 除紙機(jī)生產(chǎn)停機(jī)檢修時(shí)間,每月生產(chǎn)28 天,每月節(jié)約電費(fèi):6765.55 元/d×28 d ÷ 10000=18.94 萬元,如表7所示。
表7 每月節(jié)約電費(fèi)計(jì)算Table 7 Monthly electricity saving calculation
本項(xiàng)目總投資費(fèi)用為93 萬元(包含設(shè)備費(fèi)、安裝費(fèi)、稅費(fèi)等),每月可節(jié)約電費(fèi)18.94萬元。項(xiàng)目投資靜態(tài)回收期為0.41年。
通過對(duì)造紙廠螺桿式空壓機(jī)余熱回收項(xiàng)目實(shí)際案例分析可見,工業(yè)余熱回收不僅降低了空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)的溫度,而且節(jié)約了加熱常溫水所需的熱能,為企業(yè)帶來了經(jīng)濟(jì)效益??諌簷C(jī)余熱回收無疑在造紙廠中有很好的應(yīng)用前景,值得廣泛推廣。