陳學敬

（中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110000）

2020 年9 月,國家主席習近平在第七十五屆聯(lián)合國大會上強調(diào):中國將采取更加有力的政策和措施,努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和。工業(yè)領域節(jié)能對于實現(xiàn)節(jié)能減排、碳中和目標意義重大。我國社會總能耗中工業(yè)能耗占比2/3,而可回收利用余熱總資源占其燃料消耗總量的10%～40%,可利用資源豐富,潛力空間可觀[1]。余熱利用是實現(xiàn)碳中和的途徑之一,在節(jié)能領域中被廣泛應用。民用爆炸物品生產(chǎn)受規(guī)模限制,用熱負荷小(蒸汽用量大多2～6 t/h),單獨新建鍋爐房受燃料限制,因此,往往選擇燃氣、燃油或電鍋爐,增加了前期投資和后期運營成本。以本溪鋼鐵(集團)有限責任公司炸藥廠余熱利用項目為例,針對炸藥廠用熱負荷小、煙氣參數(shù)對余熱利用的影響較大等問題,采用DCS 控制系統(tǒng)對余熱利用系統(tǒng)進行監(jiān)控、設置備用鍋爐、調(diào)整工藝等方法,使得余熱技術(shù)在民爆物品生產(chǎn)中得到成功應用。

1 項目背景

本溪鋼鐵(集團)有限責任公司作為國內(nèi)特大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè),已形成2 000 萬t/a 以上的鋼鐵產(chǎn)能。為進一步提升企業(yè)的核心競爭力,本溪鋼鐵(集團)有限責任公司依托所在地區(qū)豐富的鐵礦資源,制訂了鐵礦資源開發(fā)中長期規(guī)劃,目標為年產(chǎn)原礦3 480 萬t,年產(chǎn)鐵精礦1 135 萬t。為此,本溪鋼鐵(集團)有限責任公司將加大對旗下鐵礦的開采力度。

鐵礦開采過程中會消耗大量的炸藥,本溪鋼鐵(集團)有限責任公司加大力度開采鐵礦資源后,對炸藥需求大大增加,為解決炸藥產(chǎn)能的困境,結(jié)合行業(yè)大力發(fā)展現(xiàn)場混裝炸藥的指導方向,本溪鋼鐵(集團)有限責任公司擬新建現(xiàn)場混裝乳化粒狀銨油炸藥生產(chǎn)線,并向工業(yè)和信息化部請示報批。2018 年6 月,工業(yè)和信息化部批準同意新建年產(chǎn)1 萬t 現(xiàn)場混裝乳化粒狀銨油炸藥生產(chǎn)系統(tǒng)。

經(jīng)多方案比較,最終確定在馬耳嶺新建工業(yè)場地(簡稱“炸藥廠”)內(nèi)新建一條現(xiàn)場混裝乳化粒狀銨油炸藥生產(chǎn)線及其配套設施。主要新建建(構(gòu))筑物包括:乳化基質(zhì)制備工房、粒銨上料工房、硝酸銨庫(一)、硝酸銨庫(二)、理化室、油相材料庫、危廢庫、亞硝酸鈉庫、硫脲庫、消防泵房、日用消防水池、職工休息室、電鍋爐房、污水處理站等。

2 新建生產(chǎn)線總熱負荷、熱媒性質(zhì)和工作參數(shù)

根據(jù)工藝要求和衛(wèi)生標準,新建工房、車庫、辦公用房等建筑物均設集中采暖,采暖熱媒供水溫度90 ℃,回水溫度65 ℃,工作壓力0.4 MPa。采暖熱負荷為536 kW,折合蒸汽用量為0.85 t/h。

根據(jù)工藝要求,基質(zhì)制備工藝用汽采用0.2～0.4 MPa 飽和蒸汽,用于溶解固態(tài)硝酸銨,蒸汽用量為1.5～2.0 t/h、用汽時間為8 h/d。其余時間利用蒸汽保溫,蒸汽用量為0.5 t/h。

鍋爐負擔蒸汽用量共計2.85 t/h(采暖蒸汽用量0.85 t/h、工藝蒸汽用量2.0 t/h),工業(yè)場地耗熱量考慮熱損失系數(shù)1.2 后,總蒸汽用量約為3.4 t/h。

3 供熱方案制訂

國務院印發(fā)的《重點區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》和《大氣污染防治行動計劃》中明確要求城市建成區(qū)、工業(yè)園區(qū)禁止新建20 t/h 以下的燃煤鍋爐,其他地區(qū)禁止新建 10 t/h 以下的燃煤鍋爐。因此,本工程無法參照老生產(chǎn)線建設燃煤鍋爐房。為了優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),落實節(jié)能減排政策,本溪鋼鐵(集團)有限責任公司決定利用炸藥廠附近公司下屬馬耳嶺球團廠的環(huán)冷機三段熱煙氣,設置余熱鍋爐1 臺,作為炸藥廠供熱熱源。

現(xiàn)場勘測煙氣參數(shù),風量為120 000 Nm3/h,溫度為320 ℃。

經(jīng)專業(yè)余熱利用廠家校核,余熱鍋爐參數(shù)確定為蒸汽產(chǎn)量6～8 t/h,蒸汽壓力0.8～1.2 MPa,溫度為飽和溫度。此供熱能力可滿足炸藥廠用熱需求,同時剩余熱量可用作馬耳嶺球團廠供暖或洗浴用熱。

煙氣流程:在環(huán)冷機和煙氣排放裝置之間設置一路煙氣管道與余熱鍋爐煙氣管道T 接,將高溫煙氣送至余熱鍋爐中,釋放熱量,降溫后,通過煙囪排放。

蒸汽流程:來自供水設備的給水在余熱鍋爐中吸收高溫煙氣熱量,生產(chǎn)蒸汽,送入分汽缸,分別引至用熱處。

自來水中含有的懸浮狀、膠體狀及溶解性雜質(zhì),都可對鍋爐造成一定的危害。為了滿足余熱鍋爐安全使用要求,配備了1 套水處理量為10 m3/h的JK20-400 型全自動軟化水裝置,1 套水處理量為10 m3/h 的熱力除氧器及除氧水泵;2 套(1 用1 備)流量10 m3/h、揚程175 mH2O 的鍋爐給水泵,1 座容積為10 m3的軟化凝結(jié)水箱。

余熱鍋爐蒸汽采用架空敷設方式輸送至炸藥廠,蒸汽利用后產(chǎn)生凝結(jié)水可利用地勢差自流回余熱鍋爐軟化凝結(jié)水箱重復利用。

馬耳嶺球團廠以球團工藝為主要生產(chǎn)線,為不影響生產(chǎn)線正常運行,在余熱利用的同時設置了煙氣排放裝置,在余熱鍋爐停產(chǎn)檢修期間或環(huán)冷機排煙溫度過高、用熱負荷大幅度減少時排放煙氣。放散裝置設電動閥門,與余熱鍋爐煙道閥門聯(lián)鎖,余熱鍋爐閥門關(guān)閉,排放閥門打開。

項目采用DCS 控制系統(tǒng),通過分布在余熱利用系統(tǒng)的監(jiān)測點,將相關(guān)控制數(shù)據(jù)上傳到中控臺,從而實現(xiàn)中控臺集中控制。主要監(jiān)控的參數(shù)包括煙氣、水、蒸汽及中間介質(zhì)的溫度、流量和壓力等。項目能夠?qū)崿F(xiàn)流量、溫度、壓力等的自動調(diào)節(jié)和控制,自動化程度高。采用DCS 控制系統(tǒng)可實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、報警、制表和性能計算,完成主要調(diào)節(jié)系統(tǒng)的全部調(diào)節(jié)功能及各系統(tǒng)功能的順序控制和聯(lián)鎖保護。配以少量的就地操作和巡回檢查,即可在中控臺實現(xiàn)系統(tǒng)的啟動、停車,并能在中控臺實現(xiàn)機組的運行工況監(jiān)視、調(diào)整、停機和緊急事故處理。

因馬耳嶺球團廠存在主生產(chǎn)線停產(chǎn)或余熱鍋爐檢修的情況,為保證炸藥生產(chǎn)線正常運行,故在炸藥廠廠區(qū)新建1 座電鍋爐房作為備用熱源,電鍋爐蒸汽產(chǎn)量2 t/h。為了滿足電鍋爐水質(zhì)要求,配備1 套水處理量為2.5 m3/h 的JK10-300 型全自動軟化水裝置。

采暖用的熱水由設于電鍋爐房內(nèi)的汽水換熱機組供給,換熱量約為700 kW。

4 經(jīng)濟效益分析

以炸藥廠每年運行6 000 h、蒸汽用量3.4 t/h計,每年可減少外購蒸汽量約20 400 t。蒸汽價格按200 元/t 計,每年可節(jié)約購買蒸汽資金408 萬元。

余熱鍋爐運行電耗主要為煙側(cè)阻力增加,使得引風機電耗增加,余熱鍋爐煙側(cè)阻力790 Pa,引風機效率按70%計,煙側(cè)阻力增加引起的電耗增加約為37.6 kW。余熱鍋爐運行總電耗按60 kW 計,電費按1.0 元/(kW·h)計,每年需增加的電費約為36 萬元。

水耗約9.0 t/h,水價按4.0 元/t 計,每年需增加的水費約為21.6 萬元。

勞動定員按7 人計,每人每年的薪資福利成本按8 萬元計,每年需增加人工成本約56 萬元。設備的年維護成本按12 萬元計。

綜上所述,余熱利用系統(tǒng)的年運行成本總計約125.6 萬元。

余熱利用系統(tǒng)年凈收益約計282.4 萬元。項目總投資約450 萬元。投資回收期約為1.6 年。

5 運行存在問題及建議

2020 年馬耳嶺球團廠余熱鍋爐投入運行,因余熱鍋爐在運行過程中受熱空氣量、溫度、生產(chǎn)線負荷波動等諸多因素影響,實際運行狀態(tài)不穩(wěn)定。當球團生產(chǎn)線正常生產(chǎn)時,余熱鍋爐蒸汽產(chǎn)量為6～8 t/h、蒸汽壓力為0.8～1.2 MPa,均能達到預期效果,送至炸藥廠蒸汽壓力約為0.4 MPa,滿足工藝用汽要求,硝酸銨溶解情況良好;當球團生產(chǎn)線低負荷生產(chǎn)時,余熱鍋爐供汽量下降,炸藥廠硝酸銨溶解不充分,后經(jīng)工藝調(diào)整,增加溶解時間,問題得到解決。

由此可見,余熱鍋爐等余熱利用裝置與一次能源利用裝置有所不同,以余熱資源作為熱源,受主工藝運行狀態(tài)影響較大,產(chǎn)生蒸汽品質(zhì)及產(chǎn)量不穩(wěn)定。

由于本項目對熱媒的要求較為寬松,且配備了電鍋爐備用系統(tǒng),此余熱利用系統(tǒng)能滿足使用要求。對于要求熱媒穩(wěn)定的場所,目前市場也有諸多解決方案,如設置過熱裝置、多爐帶一機、改造密封、動態(tài)補燃系統(tǒng)等。其中,動態(tài)補燃方式采用在余熱鍋爐前的煙道上外掛補燃裝置,在煙氣不穩(wěn)定或中斷時對其進行補充,以保證余熱鍋爐的正常出力[2],此方式安裝靈活、占地小、施工周期短,是新建和改造項目保持熱媒穩(wěn)定的有效手段。