余熱利用在民爆物品生產中實際應用分析

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合國大會上強調:中國將采取更加有力的政策和措施,努力爭取2060 年前實現碳中和。工業領域節能對于實現節能減排、碳中和目標意義重大。我國社會總能耗中工業能耗占比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]。余熱利用是實現碳中和的途徑之一,在節能領域中被廣泛應用。民用爆炸物品生產受規模限制,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、煙氣參數對余熱利用的影響較大等問題,采用DCS 控制系統對余熱利用系統進行監控、設置備用鍋爐、調整工藝等方法,使得余熱技術在民爆物品生產中得到成功應用。

1 項目背景

本溪鋼鐵(集團)有限責任公司作為國內特大型鋼鐵聯合企業,已形成2 000 萬t/a 以上的鋼鐵產能。為進一步提升企業的核心競爭力,本溪鋼鐵(集團)有限責任公司依托所在地區豐富的鐵礦資源,制訂了鐵礦資源開發中長期規劃,目標為年產原礦3 480 萬t,年產鐵精礦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,為解決炸藥產能的困境,結合行業大力發展現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場混裝乳化粒狀銨油炸藥生產線,并向工業和信息化部請示報批。2018 年6 月,工業和信息化部批準同意新建年產1 萬t 現場混裝乳化粒狀銨油炸藥生產系統。

經多方案比較,最終確定在馬耳嶺新建工業場地(簡稱“炸藥廠”)內新建一條現場混裝乳化粒狀銨油炸藥生產線及其配套設施。主要新建建(構)筑物包括:乳化基質制備工房、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 新建生產線總熱負荷、熱媒性質和工作參數

根據工藝要求和衛生標準,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。

根據工藝要求,基質制備工藝用汽采用0.2～0.4 MPa 飽和蒸汽,用于溶解固態硝酸銨,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),工業場地耗熱量考慮熱損失系數1.2 后,總蒸汽用量約為3.4 t/h。

3 供熱方案制訂

國務院印發的《重點區域大氣污染防治“十二五”規劃》和《大氣污染防治行動計劃》中明確要求城市建成區、工業園區禁止新建20 t/h 以下的燃煤鍋爐,其他地區禁止新建 10 t/h 以下的燃煤鍋爐。因此,本工程無法參照老生產線建設燃煤鍋爐房。為了優化產業結構,落實節能減排政策,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。

現場勘測煙氣參數,風量為120 000 Nm3/h,溫度為320 ℃。

經專業余熱利用廠家校核,余熱鍋爐參數確定為蒸汽產量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,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,蒸汽利用后產生凝結水可利用地勢差自流回余熱鍋爐軟化凝結水箱重復利用。

馬耳嶺球團廠以球團工藝為主要生產線,為不影響生產線正常運行,在余熱利用的同時設置了煙氣排放裝置,在余熱鍋爐停產檢修期間或環冷機排煙溫度過高、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鎖,余熱鍋爐閥門關閉,排放閥門打開。

項目采用DCS 控制系統,通過分布在余熱利用系統的監測點,將相關控制數據上傳到中控臺,從而實現中控臺集中控制。主要監控的參數包括煙氣、水、蒸汽及中間介質的溫度、流量和壓力等。項目能夠實現流量、溫度、壓力等的自動調節和控制,自動化程度高。采用DCS 控制系統可實現系統的數據采集、處理、顯示、報警、制表和性能計算,完成主要調節系統的全部調節功能及各系統功能的順序控制和聯鎖保護。配以少量的就地操作和巡回檢查,即可在中控臺實現系統的啟動、停車,并能在中控臺實現機組的運行工況監視、調整、停機和緊急事故處理。

因馬耳嶺球團廠存在主生產線停產或余熱鍋爐檢修的情況,為保證炸藥生產線正常運行,故在炸藥廠廠區新建1 座電鍋爐房作為備用熱源,電鍋爐蒸汽產量2 t/h。為了滿足電鍋爐水質要求,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的汽水換熱機組供給,換熱量約為700 kW。

4 經濟效益分析

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,每年可節約購買蒸汽資金408 萬元。

余熱鍋爐運行電耗主要為煙側阻力增加,使得引風機電耗增加,余熱鍋爐煙側阻力790 Pa,引風機效率按70%計,煙側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,余熱利用系統的年運行成本總計約125.6 萬元。

余熱利用系統年凈收益約計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、生產線負荷波動等諸多因素影響,實際運行狀態不穩定。當球團生產線正常生產時,余熱鍋爐蒸汽產量為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;當球團生產線低負荷生產時,余熱鍋爐供汽量下降,炸藥廠硝酸銨溶解不充分,后經工藝調整,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,受主工藝運行狀態影響較大,產生蒸汽品質及產量不穩定。

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,此余熱利用系統能滿足使用要求。對于要求熱媒穩定的場所,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、動態補燃系統等。其中,動態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定的有效手段。