不同供熱裝置的大型烘干塔全壽命周期經(jīng)濟(jì)成本分析

◎ 賈 煜，李召峰，王佩琦

（鄭州中糧科研設(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州 450001）

大型糧食烘干塔的供熱裝置一直是近年來(lái)糧食烘干行業(yè)談?wù)摰臒狳c(diǎn)，由于環(huán)保政策的高壓態(tài)勢(shì)，已建以燃煤為熱源的大型糧食烘干塔大部分處于停產(chǎn)狀態(tài)，待建項(xiàng)目由于熱源問(wèn)題一直困擾著投資方，筆者經(jīng)過(guò)多年的調(diào)研及研究，目前大型烘干塔的熱源有燃煤、生物質(zhì)、燃?xì)狻岜茫姡┘坝酂嵴羝?。由于余熱蒸汽受?lái)源的限制，僅適合庫(kù)區(qū)內(nèi)有蒸汽鍋爐的廠區(qū)[1]。本文針對(duì)目前燃煤、生物質(zhì)、燃?xì)?種燃料為熱源的烘干塔進(jìn)行研究分析，對(duì)不同的熱源方式所配套的附屬設(shè)備進(jìn)行分析，最后對(duì)工程建設(shè)總投資、設(shè)備運(yùn)行成本、年度維修費(fèi)用及設(shè)備大修費(fèi)用等工程項(xiàng)目全壽命周期經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行綜合分析，以期為相關(guān)工作提供參考。

1 供熱裝置類型

1.1 燃煤熱風(fēng)爐

燃煤熱風(fēng)爐是最常見(jiàn)的間接式供熱方式，主要由燃煤熱風(fēng)爐、多管除塵器、布袋除塵器和脫硫塔等附屬設(shè)備組成。高溫?zé)煔馐紫冉?jīng)過(guò)多管除塵器除去較大的固體顆粒，然后經(jīng)過(guò)脈沖布袋除塵器進(jìn)一步除去細(xì)微粉塵，最后經(jīng)過(guò)脫硫塔除去煙氣中的硫化物[2]。其脫硫除塵工藝流程如圖1所示。

圖1 脫硫除塵工藝流程圖

陶瓷多管除塵器是由若干個(gè)并聯(lián)的陶瓷旋風(fēng)除塵器單元組成的除塵設(shè)備。含塵氣體由總進(jìn)氣管進(jìn)入氣體分布室，隨后進(jìn)入陶瓷旋風(fēng)體和導(dǎo)流片之間的環(huán)形空隙。導(dǎo)流片使氣體由直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)閳A周運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)氣流的絕大部分沿旋風(fēng)體自圓筒體呈螺旋形向下，朝錐體流動(dòng)，含塵氣體在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生離心力，將密度大于氣體的塵粒甩向筒壁。塵粒在與筒壁接觸，便失去慣性力而靠初始速度的動(dòng)量和向下的重力沿壁面向下落入排灰口進(jìn)入總灰斗。

布袋除塵器設(shè)置在鍋爐引風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣端，在負(fù)壓狀態(tài)下運(yùn)行，減少進(jìn)入風(fēng)機(jī)的粉塵量；除塵效率在90%以上；除塵器內(nèi)部進(jìn)行了耐磨防腐處理，使用壽命大于10年。

煙氣脫硫裝置采用石灰法的濕法工藝技術(shù)與設(shè)備，脫硫裝置中包括脫硫塔、曝氣風(fēng)機(jī)、泵、管道、閘閥門、電控、氧化池、沉淀池、漿液池和循環(huán)池等。工作原理是應(yīng)用堿液洗滌含SO2的煙氣，對(duì)煙氣中的SO2進(jìn)行化學(xué)吸收，同時(shí)堿液也起到吸附粉塵的作用，廢水實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，具有吸收效率高（脫硫效率在90%以上）、使用壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造及維修方便等優(yōu)點(diǎn)。但采用濕式脫硫在東北地區(qū)也存在一定的弊端，東北地區(qū)烘干作業(yè)時(shí)正處于冬季，外界溫度在0 ℃以下，正常作業(yè)時(shí)由于鍋爐煙氣溫度高，水池內(nèi)的水循環(huán)利用不會(huì)造成結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)。但如果長(zhǎng)時(shí)間停車，就會(huì)有結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行。因此，在東北地區(qū)使用時(shí)應(yīng)采用管道伴熱及脫硫水池保溫措施。

1.2 生物質(zhì)熱風(fēng)爐

生物質(zhì)熱風(fēng)爐工作原理與燃煤熱風(fēng)爐基本相同，目前常用的生物質(zhì)主要有秸稈壓縮成型顆粒和稻殼等。由于生物質(zhì)燃料中不含有硫元素，因此在工藝設(shè)備和土建投資中可以省去脫硫塔及配套土建設(shè)施。由于生物燃料的低位發(fā)熱量?jī)H為煤的50%左右，提供同等的熱量需要的燃料質(zhì)量是煤的兩倍，而生物質(zhì)燃料的價(jià)格和煤的價(jià)格相差并不太大，運(yùn)行成本將會(huì)有所增加，同時(shí)燃料的存放也是必須要考慮的問(wèn)題[3-4]。

通過(guò)對(duì)東北地區(qū)大型烘干塔調(diào)查發(fā)現(xiàn)，新建的生物質(zhì)熱風(fēng)爐占比并不多，主要應(yīng)用在大米深加工企業(yè)，其自身?yè)碛械練?lái)源，自產(chǎn)自銷，能降低烘干成本。同時(shí)調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)熱風(fēng)爐主要用在稻谷烘干機(jī)上，這主要是因?yàn)榈竟群娓蓹C(jī)熱風(fēng)溫度要求很低，一般為50～60 ℃，而玉米烘干塔熱風(fēng)溫度一般在120～180 ℃，每小時(shí)消耗的生物質(zhì)量約為2～3 t，因此燃料的來(lái)源也是一個(gè)問(wèn)題。

1.3 燃?xì)鉄犸L(fēng)爐

燃?xì)鉄犸L(fēng)爐是目前最環(huán)保最清潔的熱源之一。燃?xì)鉄犸L(fēng)爐以市政天然氣或者液化天然氣為來(lái)源，通過(guò)燃燒機(jī)燃燒高溫?zé)煔馀湟欢諝夂笾苯酉蚝娓蓹C(jī)供熱，由于天然氣燃燒后的成分主要是二氧化碳和水蒸氣，對(duì)糧食沒(méi)有污染，因此減少了換熱器設(shè)備，大大提高了熱效率。燃?xì)鉄犸L(fēng)爐由于設(shè)備簡(jiǎn)單，無(wú)需脫硫除塵設(shè)備、引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)和換熱器等設(shè)備，因此設(shè)備初期投資較少，占地面積少，同時(shí)土建費(fèi)用大幅降低。

天然氣的價(jià)格直接決定了烘干運(yùn)行成本，而目前燃?xì)鈦?lái)源主要由市政直接供氣和液化天然氣為主。項(xiàng)目地周邊如有市政管網(wǎng)，采用市政管網(wǎng)是最佳的選擇，只需繳納少量的開(kāi)口費(fèi)用即可直接將管網(wǎng)敷設(shè)到設(shè)備附近。如果周邊沒(méi)有市政管網(wǎng)，則需要自建（或租用）液化罐（圖2）及增壓撬、空溫式氣化器（圖3）等附屬設(shè)備。此套設(shè)備由于專業(yè)化較強(qiáng)，用戶直接采取由供氣站負(fù)責(zé)提供及維護(hù)保養(yǎng)，簽訂長(zhǎng)期供氣協(xié)議，所有費(fèi)用最終折算到天然氣單價(jià)上。

圖2 液化罐圖

圖3 空溫式氣化器圖

1.4 熱泵供熱

高溫?zé)岜煤娓蓹C(jī)組主要由翅片式蒸發(fā)器（外機(jī)）、壓縮機(jī)、翅片冷凝器（內(nèi)機(jī)）和膨脹閥4部分組成。其工作原理是通過(guò)讓空氣不斷完成蒸發(fā)→壓縮→冷凝→節(jié)流→再蒸發(fā)的熱力循環(huán)過(guò)程，從而將外部低溫環(huán)境里的熱量轉(zhuǎn)移到熱風(fēng)室中，冷媒在壓縮機(jī)的作用下在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。采用高溫?zé)岜煤娓蓹C(jī)組作為烘干裝置可以節(jié)省能源，同時(shí)還可降低CO2等污染物的排放量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的效果。

目前熱泵烘干熱風(fēng)溫度一般為50～70 ℃，主要應(yīng)用于烘房或南方小型稻谷烘干機(jī)。大型糧食烘干塔主要應(yīng)用于東北地區(qū)，使用季節(jié)正處于冬季，外界環(huán)境溫度-25～-10 ℃，熱泵幾乎無(wú)法正常工作。另外，大型糧食烘干塔需要的熱功率為4.6～7.0 MW，如此多的供熱量需要的熱泵機(jī)組數(shù)量十分龐大，投資十分巨大，因此熱泵機(jī)組在北方地區(qū)特別是大型糧食烘干領(lǐng)域很難推廣應(yīng)用。

2 建設(shè)投資對(duì)比分析

總投資估算包括匯總單項(xiàng)工程估算、工程建設(shè)其他費(fèi)用、預(yù)備費(fèi)及建設(shè)期利息等，針對(duì)烘干項(xiàng)目而言，熱風(fēng)爐系統(tǒng)應(yīng)劃分為一個(gè)單項(xiàng)工程，其投資估算由建筑（土建）工程費(fèi)、設(shè)備及工器具購(gòu)置費(fèi)和安裝工程費(fèi)組成。由于熱泵機(jī)組的局限性，本文只對(duì)燃煤、生物質(zhì)和燃?xì)鉄犸L(fēng)爐3種類型的建筑工程費(fèi)、設(shè)備及工器具購(gòu)置費(fèi)和安裝工程費(fèi)進(jìn)行投資對(duì)比分析。

2.1 燃煤熱風(fēng)爐建設(shè)投資

燃煤熱風(fēng)爐系統(tǒng)由熱風(fēng)爐、脫硫除塵、電器系統(tǒng)、鍋爐房、電控室、脫硫房和熱風(fēng)室等組成。以500 t烘干塔常規(guī)配置10 t爐為例，設(shè)備清單及項(xiàng)目投資估算費(fèi)用如表1所示。

表1 燃煤熱風(fēng)爐投資估算表

2.2 生物質(zhì)熱風(fēng)爐建設(shè)投資

生物質(zhì)熱風(fēng)爐系統(tǒng)由熱風(fēng)爐、除塵裝置、電器系統(tǒng)、鍋爐房、電控室和熱風(fēng)室等組成。與燃煤熱風(fēng)相比減少了脫硫塔及相關(guān)管道附屬設(shè)備和脫硫房建筑費(fèi)用，電器系統(tǒng)相應(yīng)減少部分費(fèi)用，其設(shè)備清單及項(xiàng)目投資估算費(fèi)用如表2所示。

表2 生物質(zhì)熱風(fēng)爐投資估算表

2.3 燃?xì)鉄犸L(fēng)爐建設(shè)投資

燃?xì)鉄犸L(fēng)爐只有燃燒機(jī)和爐膛，鍋爐房占地面積也相應(yīng)減小。天然氣來(lái)源以市政管網(wǎng)供氣，但是需要增加一次性開(kāi)口費(fèi)15萬(wàn)元。其設(shè)備清單及項(xiàng)目投資估算費(fèi)用如表3所示。

表3 燃?xì)鉄犸L(fēng)爐投資估算表

3 運(yùn)行成本分析

3.1 單位運(yùn)行成本

熱風(fēng)爐日常運(yùn)行費(fèi)用主要包括燃料費(fèi)用、系統(tǒng)電耗（僅爐子自身電耗）、人工費(fèi)用以及脫硫設(shè)備的水費(fèi)和工業(yè)堿消耗費(fèi)用，3種熱風(fēng)爐每小時(shí)運(yùn)行成本對(duì)比分析如表4所示。

表4 熱風(fēng)爐每小時(shí)運(yùn)行成本分析表

3.2 年度使用費(fèi)用

年度使用費(fèi)用包括日常運(yùn)行消耗的燃料、人工等正常工作時(shí)運(yùn)行費(fèi)用，還包括日常檢修維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。烘干時(shí)間每年按3個(gè)月90 d計(jì)算，每天平均按20 h計(jì)算，則燃煤熱風(fēng)爐、生物質(zhì)熱風(fēng)爐、燃?xì)鉄犸L(fēng)爐年度運(yùn)行費(fèi)用分別為264.42萬(wàn)元/年、293.86萬(wàn)元/年、487.94萬(wàn)元/年。燃煤熱風(fēng)爐和生物質(zhì)熱風(fēng)爐運(yùn)轉(zhuǎn)零部件較多、需要定期更換潤(rùn)滑油、易損件等，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算每年需要2萬(wàn)元；燃?xì)鉄犸L(fēng)爐由于只有燃燒機(jī)設(shè)備，無(wú)需維護(hù)保養(yǎng)。熱風(fēng)爐年度使用費(fèi)用如表5所示。

表5 熱風(fēng)爐年度使用費(fèi)用計(jì)算表

4 全壽命周期經(jīng)濟(jì)成本

4.1 全壽命周期成本構(gòu)成

工程壽命周期經(jīng)濟(jì)成本是指工程項(xiàng)目從項(xiàng)目構(gòu)思到項(xiàng)目建成投入使用直至工程壽命終結(jié)全過(guò)程所發(fā)生的一切可直接體現(xiàn)為資金耗費(fèi)的投入總和，包括建設(shè)成本和使用成本。建設(shè)成本是指建筑產(chǎn)品從籌建到竣工驗(yàn)收為止所投入的全部成本費(fèi)用。使用成本則是在運(yùn)行使用過(guò)程中發(fā)生的各種費(fèi)用，包括運(yùn)行成本、日常維護(hù)成本和大修費(fèi)用等[5]。

工程壽命周期成本分析方法得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，但需要對(duì)比的項(xiàng)目有確定的壽命周期，在工程實(shí)踐中，由于技術(shù)進(jìn)步或人們對(duì)工程產(chǎn)品的功能要求發(fā)生變化，使得項(xiàng)目壽命周期往往很難確定。熱風(fēng)爐是烘干系統(tǒng)熱源的配套，烘干機(jī)的設(shè)計(jì)壽命一般為15～20年，因此熱風(fēng)爐的使用壽命取15年。

4.2 全壽命周期經(jīng)濟(jì)成本計(jì)算

燃煤和生物質(zhì)熱風(fēng)爐的換熱器使用壽命一般為5年，布袋除塵器的布袋需要更換，脫硫系統(tǒng)需要重新做防腐，脫硫泵需要大修或更換。燃煤熱風(fēng)爐大修費(fèi)用一次預(yù)算為60萬(wàn)元，生物質(zhì)熱風(fēng)爐大修費(fèi)用一次預(yù)算為50萬(wàn)元，大修次數(shù)為2次，全壽命周期計(jì)算參數(shù)如表6所示。

表6 熱風(fēng)爐全壽命周期計(jì)算參數(shù)表

燃煤熱風(fēng)爐在當(dāng)年建設(shè)當(dāng)年投入使用，使用壽命為15年，大修時(shí)間分別在第5年和第10年進(jìn)行，期末無(wú)殘值，基準(zhǔn)折現(xiàn)率取8%。則全壽命周期經(jīng)濟(jì)成本凈現(xiàn)值為：

式中：(P/A,8%,15)為已知年金A、基準(zhǔn)折現(xiàn)率8%、計(jì)息周期數(shù)為15情況下求解的現(xiàn)值P，值為8.559 5；(P/F,8%,5)為已知5年末終值F、在基準(zhǔn)折現(xiàn)率8%的情況下求解的現(xiàn)值P，值為0.680 6；(P/F,8%,10)為已知10年末終值F、在基準(zhǔn)折現(xiàn)率8%的情況下求解的現(xiàn)值P，值為0.463 2。

生物質(zhì)熱風(fēng)爐在當(dāng)年建設(shè)當(dāng)年投入使用，使用壽命為15年，大修時(shí)間分別在第5年和第10年進(jìn)行，期末無(wú)殘值，則全壽命周期經(jīng)濟(jì)成本凈現(xiàn)值為：

式中：(P/A,8%,15)為已知年金A、基準(zhǔn)折現(xiàn)率8%、計(jì)息周期數(shù)為15情況下求解的現(xiàn)值P，值為8.559 5；(P/F,8%,5)為已知5年末終值F、在基準(zhǔn)折現(xiàn)率8%的情況下求解的現(xiàn)值P，值為0.680 6；(P/F,8%,10)為已知10年末終值F、在基準(zhǔn)折現(xiàn)率8%的情況下求解的現(xiàn)值P，值為0.463 2。

燃?xì)鉄犸L(fēng)爐在當(dāng)年建設(shè)當(dāng)年投入使用，使用壽命為15年，不考慮大修，期末無(wú)殘值，則全壽命周期經(jīng)濟(jì)成本凈現(xiàn)值為：

式中：(P/A,8%,15)為已知年金A、基準(zhǔn)折現(xiàn)率8%、計(jì)息周期數(shù)為15情況下求解的現(xiàn)值P，值為8.559 5；(P/F,8%,5)為已知5年末終值F、在基準(zhǔn)折現(xiàn)率8%的情況下求解的現(xiàn)值P，值為0.680 6；(P/F,8%,10)為已知10年末終值F、在基準(zhǔn)折現(xiàn)率8%的情況下求解的現(xiàn)值P，值為0.463 2。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，考慮到建設(shè)投資和后期大修保養(yǎng)等全壽命周期經(jīng)濟(jì)成本后，燃?xì)鉄犸L(fēng)爐綜合成本依然最高，其次是生物質(zhì)熱風(fēng)爐，燃煤熱風(fēng)爐最低，燃?xì)鉄犸L(fēng)爐的綜合成本是燃煤的1.61倍，比單一對(duì)比運(yùn)行成本全壽命周期綜合經(jīng)濟(jì)成本有所下降。

5 結(jié)論

本文以大型糧食烘干塔的配套供熱裝置為研究對(duì)象，分別介紹了燃煤、生物質(zhì)、燃?xì)?種熱風(fēng)爐的方案設(shè)計(jì)及工藝特點(diǎn)，從工程建設(shè)投資、設(shè)備運(yùn)行成本、日常維護(hù)保養(yǎng)及大修費(fèi)用及使用壽命進(jìn)行對(duì)比分析，最后對(duì)工程項(xiàng)目全壽命周期經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行綜合分析，盡管燃?xì)獾慕?jīng)濟(jì)成本依然是燃煤的1.61倍，但其社會(huì)效益和環(huán)保效益顯著提高，因此在天然氣資源豐富和利用方便的地區(qū)優(yōu)先選用天然氣。根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)條件、環(huán)境條件和資源狀況等綜合考慮，因地制宜，合理選用，宜煤則煤，宜電則電，宜生物質(zhì)則生物質(zhì)。