卷煙廠余熱綜合利用可行性研究

王雷崗 王團結

機械工業第六設計研究院有限公司

0 引言

卷煙生產企業具有空調面積大、全年保持恒溫恒濕、車間內工藝設備發熱量大等特點，此外，還有較大的鍋爐、空壓、真空等動力系統，這些能耗占卷煙生產企業總能耗的比重較大。2016 年印發的煙草行業“十三五”節能減排工作方案[1]，從管理及技術方面提出了行業節能減排的要求。一些科研單位和卷煙生產企業相繼開展了卷煙生產企業節能減排的研究，余熱綜合利用被認為是卷煙生產企業節能減排一項重點工作。

研究人員已對余熱回收利用做出了大量研究，劉宇寧等[2]采用全年逐時動態模擬計算的方法，研究排風熱回收系統全年動態節能率，研究結果表明溫和地區不建議采用排風熱回收裝置。彭嶸等[3]研究武漢卷煙廠排風熱回收在典型年工況運行時的熱回收量，結果表明卷接包工藝排風熱回收價值不高，不推薦回收。邵征宇等[4]結合卷煙廠工藝特點利用聯合工房工藝排風，預熱空調系統新風，確定了全熱回收方式的可行性。張小芬等[5]介紹了卷煙廠的工藝及負荷特點，提出了卷煙廠空調系統余熱回收利用的研究方向。尚未發現有對嚴寒地區卷煙廠工藝過程余熱綜合利用的研究，嚴寒地區新風預熱耗熱量大，因此筆者對此進行了深入的分析和研究。

1 卷煙工藝流程及余熱利用潛力分析

卷煙工藝流程主要有煙片處理，葉絲加工，梗絲加工，摻配加香，膨脹煙絲，濾棒成型及卷接包裝等[6]。生產過程中產生的熱、塵及大量濕蒸汽，對煙絲的含水率，卷煙質量及物料消耗等有很大的影響，因此恒溫恒濕空調系統的控制精度要求較高，如表1[7]所示。

表1 卷煙廠車間工藝特點及溫濕度要求

可以看出在卷煙生產過程中，工藝除塵、排潮工作十分重要，除塵、排潮均是通過排風的方式到達除濕除塵的目的，但是以犧牲室內空調房間內空氣為代價，排風溫度達到高溫排風120～150 ℃，低溫排風30～50 ℃，其次制絲車間工藝排風量較大，設計時最小新風比一般達到35%[5]，在嚴寒地區的冬季，預熱新風造成很大能量浪費，工藝排風是余熱回收研究重點。

2 余熱綜合利用系統

當前卷煙生產企業余熱回收利用存在問題如下：1）余熱資源供給和需求不平衡，一方面工藝過程產生的大量中低溫余熱資源直接排放，另一方面烘絲、貯葉、工藝空調等環節需消耗大量的熱量。2）余熱利用率低，卷煙生產企業缺乏整體余熱資源的綜合利用規劃，余熱資源的經濟效益和社會效益沒有得到充分發揮。3）利用余熱資源時沒有考慮不同地區的氣候條件差異性，盲目跟風導致余熱回收系統的投入和產出嚴重失衡，經濟性差。

筆者從現有卷煙生產企業能源利用方式及存在的問題出發，對其余熱綜合利用的要求主要包括：

1）不能以犧牲工業生產作為節能的代價。

2）以需求量確定回收量，避免余熱回收后得不到充分利用的現象，產生“二次余熱”。

3）堅持“高質高用、低質低用”的利用原則。

4）就近利用，降低熱量運輸的熱損失與管線投資成本。

5）技術可行、經濟合理，投資回收期合理。

6）滿足工藝性，舒適性，經濟實用性，地區適宜性及節能降耗之間綜合平衡。

如圖1 所示將余熱回收系統與地源熱泵系統結合起來，利用地源熱泵系統室外地埋換熱、蓄熱系統，將其作為“熱能銀行”，工廠生產及熱量富裕時向其內“儲蓄熱能”，工廠停產及需用熱量時從其內“支取熱能”，這樣就建立了一個熱能的閉合傳送鏈，極大地提高了能源利用率。土壤源熱泵技術利用低品位的地熱能，余熱回收提供高品位熱能，兩者結合，既能大大提高夏季土壤源熱泵機組的COP 值，又能擴大余熱回收后的利用空間，充分實現了能源的梯級利用。

圖1 卷煙廠余熱綜合利用示意圖

3 余熱綜合利用案例分析

本文以北方某卷煙廠為研究對象，構建了一套綜合的余熱利用方案，以解決嚴寒地區生產過程余熱回收利用的問題。該項目地處嚴寒地區，工藝性空調冬季的新風溫度較低，在進入空調箱之前必須進行預熱處理，避免低溫新風凍壞空調加熱盤管，新風熱負荷很大。按工藝資料提供的數據統計，片煙預處理、真空回潮、制葉絲、制梗絲、加香儲絲等工段有工藝排潮，排潮風量共計79200 m3/h。制絲車間的除塵風量共計143360 m3/h。通過對可資回收利用的余熱資源進行評估，有兩種熱回收方案可供選擇：一是高溫的工藝排風直接換熱得到55 ℃熱水然后加以利用。二是低溫的工藝排風經高溫空氣源熱泵回收提升為55 ℃熱水并加以利用，兩個方案回收的55 ℃熱水再輔以保障性的蒸汽熱源可用作新風加熱熱源。同時為提高熱源系統的保障率，本項目利用城市熱網系統的熱水（60/40 ℃）直接連在供水循環蓄熱水箱上，即當余熱回收系統因故不能保證系統需求時，可啟用保障系統臨時應急，以保障生產的安全性。

3.1 制絲車間余熱源及用途

制絲車間排潮最大風量75480 m3/h，高溫氣體少，不分高低溫，混合進行熱回收，溫度40 ℃。薄板烘絲機、葉絲氣流干燥機、滾筒式烘梗絲機、梗絲氣流干燥機等高溫排氣設備排風量共計35500 m3/h，溫度120～150 ℃。制絲車間工藝除塵排風風量143360 m3/h，溫度30 ℃。制絲車間余熱回收的熱量用于制絲車間空調機組的新風預熱，將室外空氣由-25 ℃（最低）加熱到10 ℃。

3.2 制絲車間余熱回收方案

制絲車間余熱熱回收空調系統由余熱回收系統，保障系統，制絲車間空調機組新風預熱系統及制絲車間余熱回收智能控制系統等組成，空調系統原理如圖2 所示：

圖2 制絲車間空調余熱回收系統圖

烤煙工藝除塵排風，其高溫部分（14500 m3/h），在未進入除異味系統之前（溫度按90 ℃計算），利用“高溫余熱源換熱機組（設備編號TH-02，換熱量75 kW）”進行熱能回收，得到水溫為55 ℃（余熱回收系統設計供水溫度）的熱水，進入供水循環水箱。對經過汽水換熱回收后的烘絲機尾氣（溫度按65 ℃計算）與其它除塵排風混合后（共計87280 m3/h，溫度按30 ℃計算），進入除味系統的噴淋塔前，利用1 套“低溫余熱源換熱機組（設備編號TM-03 換熱量共計600 kW）”進行二次能量回收。

白肋煙工藝除塵排風，其高溫部分（21000 m3/h），在與低溫除塵混合進入除味系統前（溫度按90 ℃計算），利用“高溫余熱源換熱機組（設備編號TH-01，換熱量100 kW）”進行熱能回收，得到水溫為55 ℃（余熱回收系統設計供水溫度）的熱水，進入供水循環水箱。對經過汽水換熱回收后的烘絲機尾氣（溫度按65 ℃計算）與其它除塵排風混合后（共計58580 m3/h，溫度按40 ℃計算），進入除味系統的噴淋塔前，通過1 套“低溫余熱源換熱機組（設備編號TM-04，換熱量800 kW）”進行二次能量回收。

白肋煙排潮（風量最大27700 m3/h，溫度按40 ℃計算），在進入除味系統的噴淋塔前，通過1 套“低溫余熱源換熱機組（設備編號TM-01，換熱量300 kW）”進行二次能量回收。

烤煙排潮（風量最大45280 m3/h，溫度按40 ℃計算），在進入除異味系統的噴淋塔前，采用1 套“低溫余熱源換熱機組（設備編號TM-02，換熱量500 kW）”進行二次能量回收。

以上所有低溫余熱源換熱機組組成一套回收側的的循環水系統，并配置循環水泵及管道系統，利用1套“高效余熱回收機組”進行二次能量回收，得到供水溫度為55 ℃的熱水，進入供水循環水箱。供水管路設置一組供水循環蓄熱水箱（儲水量20 噸），并配置循環水泵及管道系統，使“高溫余熱源高效熱回收機組”以及“低溫余熱源高效熱回收機組”分別與循環蓄熱水箱之間進行循環換熱。

根據計算，制絲車間除塵、排潮尾氣的最大余熱回收量約2300 kW，而制絲車間、白肋煙預處理車間的冬季空調新風預熱所需熱量約1800 kW，此部分余熱回收量可以滿足空調新風預熱的需求。

3.3 卷包車間余熱回收方案

卷接包車間工藝除塵最大排風風量109600 m3/h，溫度25 ℃。因卷接包車間工藝除塵排風的可回收熱量較小，不能滿足卷接包車間空調機組的余熱要求，與制絲車間共用蓄熱水箱，卷包車間余熱熱回收及空調系統原理圖見圖3：

圖3 卷包車間余熱回收及空調系統原理圖

1）卷接包工藝除塵（風量最大109600 m3/h，溫度按25 ℃計算），在進入除味系統的噴淋塔前，通過2 套低溫余熱源換熱機組（設備編號TM-05，TM-06，換熱量160 kW）進行二次能量回收。

2）所有的低溫余熱源換熱機組組成一套回收側的循環水系統，并配置循環水泵及管道系統，利用1 套高效余熱回收機組進行二次能量回收，得到供水溫度為50 ℃的熱水，進入供水循環水箱。

3）供水管路設置一組供水循環蓄熱水箱（儲水量20 噸），并配置循環水泵及管道系統，使空壓機，真空泵的余熱以及低溫余熱源高效熱回收機組分別與循環蓄熱水箱之間進行循環換熱。

根據計算，卷包車間除塵尾氣的最大余熱回收量約320 kW，而卷包車間的冬季空調新風預熱所需熱量約1000 kW，此部分余熱回收量只能滿足部分空調新風預熱，不足部分由動力中心蒸汽熱源補充，運行節能降耗。

3.4 其他余熱綜合利用分析

卷煙生產企業在生產過程中會產生大量的廢熱，除了制絲生產過程中工藝設備除塵、排潮的尾氣，蘊含大量的余熱資源外，鍋爐尾部煙氣余熱。凝結水及閃蒸汽余熱。空壓、真空的冷凝熱等。具體分析如表2：

表2 其他余熱資源利用分析

4 經濟性分析

空調預熱系統有較大的季節性和時間性，根據項目所在地的氣象參數可知，室外新風從9 月到第二年的5 月均需要預熱。其中，室外氣溫≤-10 ℃的時間為1867 h；室外氣溫在-10～0 ℃之間的時間為1457 h。室外氣溫在0～10 ℃之間的時間為1688 h。由于余熱源對空調預熱系統的最大可能貢獻率不足最大需求的18%，所以高溫余熱系統回收的熱量幾乎可不停歇的使用。

余熱回收系統的正常工作是建立在車間有余熱的基礎上，下面僅就余熱回收系統正常工作時，系統本身的能效加以分析：

當制絲車間所有設備均處于正常工作狀態時，制絲高溫余熱回收系統的最大可回收余熱量為960 kW。則全年用于預熱的回收熱量為：總熱量=最大可回收高溫熱量×需預熱時間×運行頻率=960×5012×0.45=2405634 kWh。空調預熱平均開啟頻率按需預熱工況的50%計，即0.5。換算成蒸汽約為3200 噸，蒸汽按400 元/噸計算，折算的蒸汽費用=3200×400=128萬元。

在此狀態下，余熱回收系統的能源消耗主要來自于機組循環水泵，余熱回收機組水泵功耗=5.5×0.9×2=9.9 kW，水泵能耗=水泵功耗×需預熱時間×運行頻率=9.9×5012×0.5=24809 kWh，電價按1 元/kWh 計算，折算電費：24809×1=2.5 萬元。

夏季，當新風不需要預熱時，可以將回收的熱量用于地源熱泵系統回灌，此時只需要將管路系統與熱泵夏季回灌系統連接即可。如前所述，當制絲車間所有設備均處于正常工作狀態時，制絲高溫余熱回收系統的最大可回收余熱量為730 kW。則全年用于回灌的回收熱量為：總熱量=最大可回收高溫熱量×需預熱時間×運行頻率=960×3000×0.5=1439925 kWh，制絲車間平均開工頻率按50%計，即0.5。換算成蒸汽約為1920噸，折算蒸汽費用：1920×400=76.8 萬元。

在此狀態下，余熱回收系統的能源消耗主要來自于機組循環水泵，余熱回收機組水泵功耗：5.5×0.9×2=9.9 kW，水泵能耗=水泵功耗×需預熱時間×運行頻率=9.9×3000×0.5=14850 kWh，折算電費：14850×1=1.485 萬元。

費用分析：回收節省總計=128+76.8=204.8 萬，回收循環用電費=2.5+1.485=3.985 萬，年預計節約費用=204.8-3.985=200.8 萬。

其余與預熱回收有關的能耗，包括空調機組預熱的循環水泵，汽水換熱循環水泵或與回灌系統相連的水泵等動力系統，可以看做是正常開通系統的一部分。空調預熱循環水泵功耗：30×0.9×2+18.5×0.9×2=87.3 kW，汽水換熱循環水泵功耗：30×0.9×3=81 kW，因空調循環水泵是為整個空調預熱系統服務的，如不計入空調循環功耗時，余熱回收系統總耗電功率為9.9 kW，此時余熱回收系統的能效比為960/9.9=96.9。

可見，制絲車間高溫余熱回收系統具有極高的能效比和經濟性，節能減排效果顯著。

5 結論

卷煙廠工藝生產過程中一方面除塵、排潮等工藝排風伴隨著大量的能量散失。另一方面嚴寒地區工藝性空調冬季的新風溫度較低，在進入空調箱之前必須進行預熱處理，需要消耗大量的熱量，余熱資源存在很大的利用空間。本文對黑龍江某卷煙廠余熱資源利用方案進行了分析研究，結果表明，嚴寒地區卷煙廠余熱回收綜合利用系統節能效果顯著，具有極高的能效比和經濟性。在此基礎上筆者認為卷煙廠設備運行周期長，鍋爐煙氣、空壓機排氣、工藝設備散熱等余熱資源同樣可利用性較高，有待進一步深入研究。