集中供熱利用梁式窯導(dǎo)熱油余熱探討

沈振鋒,云艷玲,趙美麗

(中鹽內(nèi)蒙古化工股份有限公司,內(nèi)蒙古 阿拉善 750336)

電石生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)中產(chǎn)生大量的余熱,大部分企業(yè)應(yīng)用了雙預(yù)熱技術(shù)對石灰窯煙氣余熱進(jìn)行回收利用。但對梁式豎窯的導(dǎo)熱油余熱利用率較低,梁式石灰窯工藝中使用導(dǎo)熱油對燃燒梁和吸氣梁進(jìn)行冷卻,導(dǎo)熱油帶出熱量通過風(fēng)冷式換熱器進(jìn)行冷卻,因設(shè)計原因,大多企業(yè)未對此部分熱量進(jìn)行有效利用。文章通過對某企業(yè)梁式窯的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析計算,討論導(dǎo)熱油余熱利用的可行性。

該企業(yè)年產(chǎn)電石60萬t,配套6臺300 t/d雙梁窯,導(dǎo)熱油出窯溫度約198 ℃,導(dǎo)熱油采用大功率軸流風(fēng)機(jī)冷卻器進(jìn)行冷卻,冷卻后溫度約178 ℃,單窯導(dǎo)熱油流量260 m3/h,單臺窯導(dǎo)熱油余熱可回收熱量可觀,6臺窯的導(dǎo)熱油余熱進(jìn)行集中回用可利用價值更高。

該企業(yè)建設(shè)有自備電廠,兩臺480 t循環(huán)流化床鍋爐、135 MW發(fā)電機(jī)組,冬季采暖期需向生活區(qū)部分區(qū)域供熱,因自備電廠為化工配套項(xiàng)目,主要任務(wù)為向化工生產(chǎn)裝置供熱,冬季采暖期外供蒸汽量較大,增加抽汽量對發(fā)電量指標(biāo)有一定的影響。尤其采暖期鍋爐進(jìn)行計劃性檢修時,單機(jī)組運(yùn)行無法滿足供熱需求的情況下,需外購蒸汽以保障供熱溫度。如果將6臺石灰窯導(dǎo)熱油余熱進(jìn)行回收用于集中供熱,可緩解冬季采暖期蒸汽供需平衡問題,同時也可產(chǎn)生供熱收益。

1 梁式窯導(dǎo)熱油可利用余熱計算

經(jīng)對6臺梁式窯的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,石灰窯煅燒石灰石生產(chǎn)白灰能耗約為1 196 kcal/kg,即14.95 Gcal/h,其中導(dǎo)熱油帶出窯熱量2.917 Gcal/h,帶出熱量約占石灰窯中總熱耗的21%。石灰窯熱量平衡測試見表1。

表1 石灰窯熱平衡測試表Tab.1 Heat balance test table of lime kiln

單臺窯導(dǎo)熱油流量260 m3/h,導(dǎo)熱油溫度進(jìn)口198 ℃,冷卻后出口溫度178 ℃。查相關(guān)資料,運(yùn)行溫度區(qū)間內(nèi)導(dǎo)熱油比熱為0.57 kcal/kg,平均密度為730 kg/m3。則單臺窯導(dǎo)熱油可利用熱量為2.163 Gcal/h。6臺窯可利用熱量為13 Gcal/h,見表2。

表2 導(dǎo)熱油系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)Tab.2 Operating parameters of heat transfer oil system

2 區(qū)域集中供熱情況

該電廠主要負(fù)責(zé)部分生活區(qū)集中供熱,根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁貤l件,確定供熱期為每年10月15日至次年4月15日共計180 d。1月最低氣溫-25.2 ℃,平均氣溫-7.3 ℃,2月最低氣溫-22.1 ℃,平均氣溫-3.0 ℃,3月最低氣溫-14.4 ℃,平均氣溫5.1 ℃,4月最低氣溫低-7.6 ℃,平均氣溫12.6 ℃,10月最低氣溫-5.2 ℃,平均氣溫10.3 ℃,11月最低氣溫-16.0 ℃,平均氣溫1.7 ℃,12月最低氣溫-23.1 ℃,平均氣溫-5.5 ℃。

依據(jù)城鎮(zhèn)供熱條例,供熱期內(nèi),對符合國家建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的居住建筑,供熱單位應(yīng)當(dāng)保證熱用戶室內(nèi)溫度全天達(dá)到18 ℃以上,考慮人體適宜溫度,實(shí)際供熱中,供熱期內(nèi)室內(nèi)溫度一般控制在21 ℃以上。目前該自備電廠供熱面積約40萬m2,熱源采用新蒸汽通過管殼式換熱器升溫一次管網(wǎng)熱水,然后通過循環(huán)泵輸送給熱力公司位于各生活區(qū)的二級換熱站,供熱期內(nèi)蒸汽平均用量約25 t/h。其中一次管網(wǎng)供水溫度為60 ℃～75 ℃,經(jīng)二級換熱站換熱后,供回水溫差為15 ℃～20 ℃。

3 工業(yè)余熱回收利用技術(shù)及余熱回收集中供熱方案

3.1 工業(yè)余熱回收利用技術(shù)

工業(yè)余熱品質(zhì)高低的重要衡量指標(biāo)是溫度,根據(jù)溫度的高低可選擇回收利用方式也不同。一般將大于500 ℃的工業(yè)余熱為高溫余熱,主要有熔煉爐、加熱爐等;200 ℃～500 ℃的工業(yè)余熱分為中溫余熱,主要有熱動裝置;小于200 ℃的工業(yè)余熱為低溫余熱,主要為冷卻介質(zhì)余熱,裝置排放煙氣、尾氣等。工業(yè)余熱中大多為低溫余熱和高溫余熱。

余熱回收利用技術(shù)主要有直接熱交換利用技術(shù)、熱功轉(zhuǎn)換利用技術(shù)、余熱的提質(zhì)利用技術(shù)。熱功轉(zhuǎn)換利用技術(shù)適用于中高溫余熱,直接利用余熱做功,如帶動壓縮機(jī)、水泵等。如普遍采用的蒸汽驅(qū)動式空氣壓縮機(jī)。余熱的提質(zhì)利用技術(shù)是通過熱泵系統(tǒng)對產(chǎn)出的余熱進(jìn)行調(diào)整實(shí)現(xiàn)工業(yè)需求,或?qū)⑵渑c現(xiàn)有裝置結(jié)合,實(shí)現(xiàn)供熱或冷卻,使得低品質(zhì)余熱得到綜合利用,如熱電廠回收汽輪機(jī)凝汽器乏汽實(shí)現(xiàn)吸收式換熱的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱技術(shù),可有效提高熱電廠供熱能力30%以上,提質(zhì)利用在熱交換過程的技術(shù)水平要求較高,一般化工生產(chǎn)企業(yè)自主實(shí)施較難實(shí)現(xiàn)。直接熱交換利用技術(shù)是通過空氣預(yù)熱器、加熱器等換熱設(shè)備通過熱交換技術(shù)直接將余熱加熱介質(zhì)的的技術(shù),從而實(shí)現(xiàn)替代或減少一次能源消耗,實(shí)施簡單成熟,在化工生產(chǎn)裝置應(yīng)用廣泛。余熱回收利用技術(shù)要根據(jù)用熱裝置需求,盡可能采用簡單高效的技術(shù),以提高余熱利用效率。

3.2 余熱回收集中供熱方案

石灰窯導(dǎo)熱油溫度188 ℃～219 ℃,屬于中低溫余熱。因集中供熱為民生工程,要求供熱連續(xù)且供熱質(zhì)量穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。石灰窯裝置冬季不安排停車檢修,具備可連續(xù)、穩(wěn)定回收余熱的條件,具有較高的投資價值。根據(jù)余熱溫度和石灰窯裝置運(yùn)行情況,有兩種回收利用方式可供選擇,方式一是通過新增真空熱能回收裝置利用余熱生產(chǎn)蒸汽,然后將蒸汽輸送至換熱站;方式二是新增油水換熱設(shè)備,直接升溫加熱一次管網(wǎng)循環(huán)熱水。

(1)回收方案一。在石灰窯裝置新增真空熱能回收裝置,將自備電廠送過來的脫離子水進(jìn)脫鹽水罐,通過給水泵送至真空熱能回收器,利用導(dǎo)熱油余熱產(chǎn)生0.4 MPa的飽和蒸汽,通過蒸汽管道輸送至自備電廠采暖換熱站,再次送入換熱站管殼式換熱器,提高采暖回水溫度滿足居民用戶需求。此種回收方式需要增加設(shè)備有：補(bǔ)水箱、給水泵、導(dǎo)熱油輸送管道、蒸汽輸送管道、真空熱能回收器。此回收方式的缺點(diǎn)是用于集中供熱采用此種回收方式熱能利用率較低,需要油水換熱后生成蒸汽,再經(jīng)過汽水換熱提高采暖換熱溫度,需要經(jīng)過兩套換熱裝置才能將余熱利用至需求點(diǎn),影響余熱利用效率。

(2)回收方案二。在石灰窯裝置新增油水換熱裝置,在原供熱回水管線增加支路和循環(huán)泵,將供熱回水全部或部分通過油水換熱設(shè)備升溫后送至原換熱站系統(tǒng)。此種回收方式需增加設(shè)備有：熱水上、回水管道,油水換熱設(shè)備,回水支路調(diào)節(jié)閥,導(dǎo)熱油輸送管道、循環(huán)泵。此種回收方式簡單,供熱回水直接通過換熱設(shè)備吸收導(dǎo)熱油余熱,換熱效率相對較高。

(3)回收方案對比。方案優(yōu)先考慮的是利用導(dǎo)熱油余熱最大量的替代采暖蒸汽,考慮當(dāng)?shù)貧鉁貤l件,冬季最低氣溫達(dá)到-25.2 ℃,如采用方案一利用余熱生產(chǎn)飽和蒸汽,因飽和蒸汽蒸汽輸送過程熱損失較大,不利用長距離輸送,為最大化利用余熱替代采暖蒸汽選用方案二。

3.3 導(dǎo)熱油余熱回收集中供熱回收流程

根據(jù)實(shí)際供熱參數(shù)統(tǒng)計,每年1月、2月和12月外界平均氣溫較低,換熱站正常熱水供水溫度要求在75 ℃以上,供回水溫差達(dá)到20 ℃以上,供水平均流量約800 m3/h,即供熱最大需求熱量達(dá)到16.06 Gcal/h以上。每年3月、4月、10月和11月平均氣溫相對較高,換熱站正常熱水供水溫度要求在65 ℃以上,供回水溫差約15 ℃,供水平均流量約800 m3/h,即供熱需求熱量約12.04 Gcal/h。

6臺石灰窯導(dǎo)熱油余熱可回收熱量約13 Gcal,6臺石灰窯正常運(yùn)行時無法全部滿足最大用熱需求,故需保留考慮原供熱系統(tǒng)應(yīng)對異常極端天氣。根據(jù)熱量計算,每年3月、4月、10月和11月,基本可實(shí)現(xiàn)全部使用導(dǎo)熱油余熱供采暖。在1月、2月和12月時,需要通過原換熱系統(tǒng)二級加熱的方式滿足供熱溫度要求。

根據(jù)熱量平衡計算,考慮石灰窯臨時計劃檢修或生產(chǎn)異常升降負(fù)荷,會對供熱溫度產(chǎn)生影響,為保障供熱連續(xù)性,采用二級加熱的方式調(diào)整供熱溫度。每臺300石灰窯單獨(dú)設(shè)置一套換熱裝置,正常情況6套換熱設(shè)備全部投用,可替代原蒸汽用量20 t/h。當(dāng)有石灰窯進(jìn)行檢修作業(yè)時,每減少1臺窯運(yùn)行原換熱站增加供汽量3.5 t/h,為進(jìn)一步保障供熱溫度不受影響,可設(shè)置控制回路,根據(jù)換熱后出水溫度自動調(diào)節(jié)進(jìn)入換熱站的蒸汽流量,以保障供水溫度控制在75 ℃。

4 項(xiàng)目實(shí)施的可行性分析

方案采用直接熱交換利用技術(shù)的余熱回收利用,采用的技術(shù)裝備成熟可靠,余熱回收工藝流程簡單可靠,原導(dǎo)熱油冷卻系統(tǒng)和換熱系統(tǒng)保留,在換熱裝備檢修時可隨時切換而不影響石灰窯正常運(yùn)行,運(yùn)行維護(hù)及操作簡單可行,具備實(shí)施條件。

5 預(yù)期效益分析

6臺石灰窯導(dǎo)熱油余熱可回收余熱13 Gcal/h,180 d供熱期可回收熱量為56 160 Gal,可穩(wěn)定滿足供熱面積約20萬m3,年可實(shí)現(xiàn)供熱收入308萬元,剔除運(yùn)行費(fèi)用約98萬元,余熱回收年創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益210萬元。回收余熱折標(biāo)標(biāo)煤等價值約4 800 t。

6 結(jié)論

梁式窯導(dǎo)熱油余熱回收利用實(shí)施后,可有效降低采暖蒸汽使用量,同時保留原供熱系統(tǒng),當(dāng)石灰窯或余熱回收裝置計劃檢修時,可快捷的切換熱源,通過原換熱系統(tǒng)保障供水溫度穩(wěn)定。根據(jù)梁式窯導(dǎo)熱油余熱回收利用方式,6臺石灰窯正常運(yùn)行時,可至少穩(wěn)定滿足20萬m2供熱面積的用熱需求,一個供熱期可為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益210萬元,同時利于供熱期自備電廠蒸汽供應(yīng)平衡調(diào)整,為企業(yè)主要裝置的穩(wěn)定生產(chǎn)創(chuàng)造有利條件,在有用熱需求的北方區(qū)域企業(yè)具有較好的推廣應(yīng)用價值。