不同供熱裝置的大型烘干塔全壽命周期經(jīng)濟成本分析

◎ 賈 煜，李召峰，王佩琦

（鄭州中糧科研設(shè)計院有限公司，河南 鄭州 450001）

大型糧食烘干塔的供熱裝置一直是近年來糧食烘干行業(yè)談?wù)摰臒狳c，由于環(huán)保政策的高壓態(tài)勢，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)，待建項目由于熱源問題一直困擾著投資方，筆者經(jīng)過多年的調(diào)研及研究，目前大型烘干塔的熱源有燃煤、生物質(zhì)、燃?xì)?、熱泵（電）及余熱蒸汽等。由于余熱蒸汽受來源的限制，僅適合庫區(qū)內(nèi)有蒸汽鍋爐的廠區(qū)[1]。本文針對目前燃煤、生物質(zhì)、燃?xì)?種燃料為熱源的烘干塔進(jìn)行研究分析，對不同的熱源方式所配套的附屬設(shè)備進(jìn)行分析，最后對工程建設(shè)總投資、設(shè)備運行成本、年度維修費用及設(shè)備大修費用等工程項目全壽命周期經(jīng)濟成本進(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)過多管除塵器除去較大的固體顆粒，然后經(jīng)過脈沖布袋除塵器進(jìn)一步除去細(xì)微粉塵，最后經(jīng)過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動變?yōu)閳A周運動，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，含塵氣體在旋轉(zhuǎn)過程中產(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)機的進(jìn)氣端，在負(fù)壓狀態(tài)下運行，減少進(jìn)入風(fēng)機的粉塵量；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、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，對煙氣中的SO2進(jìn)行化學(xué)吸收，同時堿液也起到吸附粉塵的作用，廢水實現(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、結(jié)構(gòu)簡單、制造及維修方便等優(yōu)點。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)時正處于冬季，外界溫度在0 ℃以下，正常作業(yè)時由于鍋爐煙氣溫度高，水池內(nèi)的水循環(huán)利用不會造成結(jié)冰風(fēng)險。但如果長時間停車，就會有結(jié)冰風(fēng)險，導(dǎo)致設(shè)備無法正常運行。因此，在東北地區(qū)使用時應(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)熱量僅為煤的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)燃料的價格和煤的價格相差并不太大，運行成本將會有所增加，同時燃料的存放也是必須要考慮的問題[3-4]。

通過對東北地區(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)，其自身擁有稻殼來源，自產(chǎn)自銷，能降低烘干成本。同時調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)熱風(fēng)爐主要用在稻谷烘干機上，這主要是因為稻谷烘干機熱風(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 ℃，每小時消耗的生物質(zhì)量約為2～3 t，因此燃料的來源也是一個問題。

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源，通過燃燒機燃燒高溫?zé)煔馀湟欢諝夂笾苯酉蚝娓蓹C供熱，由于天然氣燃燒后的成分主要是二氧化碳和水蒸氣，對糧食沒有污染，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)備簡單，無需脫硫除塵設(shè)備、引風(fēng)機、鼓風(fēng)機和換熱器等設(shè)備，因此設(shè)備初期投資較少，占地面積少，同時土建費用大幅降低。

天然氣的價格直接決定了烘干運行成本，而目前燃?xì)鈦碓粗饕墒姓苯庸夂鸵夯烊粴鉃橹?。項目地周邊如有市政管網(wǎng)，采用市政管網(wǎng)是最佳的選擇，只需繳納少量的開口費用即可直接將管網(wǎng)敷設(shè)到設(shè)備附近。如果周邊沒有市政管網(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，用戶直接采取由供氣站負(fù)責(zé)提供及維護保養(yǎng)，簽訂長期供氣協(xié)議，所有費用最終折算到天然氣單價上。

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組主要由翅片式蒸發(fā)器（外機）、壓縮機、翅片冷凝器（內(nèi)機）和膨脹閥4部分組成。其工作原理是通過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，冷媒在壓縮機的作用下在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動。采用高溫?zé)岜煤娓蓹C組作為烘干裝置可以節(jié)省能源，同時還可降低CO2等污染物的排放量，實現(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。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組數(shù)量十分龐大，投資十分巨大，因此熱泵機組在北方地區(qū)特別是大型糧食烘干領(lǐng)域很難推廣應(yīng)用。

2 建設(shè)投資對比分析

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

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)備清單及項目投資估算費用如表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)備和脫硫房建筑費用，電器系統(tǒng)相應(yīng)減少部分費用，其設(shè)備清單及項目投資估算費用如表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)爐只有燃燒機和爐膛，鍋爐房占地面積也相應(yīng)減小。天然氣來源以市政管網(wǎng)供氣，但是需要增加一次性開口費15萬元。其設(shè)備清單及項目投資估算費用如表3所示。

表3 燃?xì)鉄犸L(fēng)爐投資估算表

3 運行成本分析

3.1 單位運行成本

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

表4 熱風(fēng)爐每小時運行成本分析表

3.2 年度使用費用

年度使用費用包括日常運行消耗的燃料、人工等正常工作時運行費用，還包括日常檢修維護保養(yǎng)費用。烘干時間每年按3個月90 d計算，每天平均按20 h計算，則燃煤熱風(fēng)爐、生物質(zhì)熱風(fēng)爐、燃?xì)鉄犸L(fēng)爐年度運行費用分別為264.42萬元/年、293.86萬元/年、487.94萬元/年。燃煤熱風(fēng)爐和生物質(zhì)熱風(fēng)爐運轉(zhuǎn)零部件較多、需要定期更換潤滑油、易損件等，根據(jù)經(jīng)驗估算每年需要2萬元；燃?xì)鉄犸L(fēng)爐由于只有燃燒機設(shè)備，無需維護保養(yǎng)。熱風(fēng)爐年度使用費用如表5所示。

表5 熱風(fēng)爐年度使用費用計算表

4 全壽命周期經(jīng)濟成本

4.1 全壽命周期成本構(gòu)成

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

工程壽命周期成本分析方法得到越來越廣泛的應(yīng)用，但需要對比的項目有確定的壽命周期，在工程實踐中，由于技術(shù)進(jìn)步或人們對工程產(chǎn)品的功能要求發(fā)生變化，使得項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，烘干機的設(shè)計壽命一般為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)濟成本計算

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)爐大修費用一次預(yù)算為60萬元，生物質(zhì)熱風(fēng)爐大修費用一次預(yù)算為50萬元，大修次數(shù)為2次，全壽命周期計算參數(shù)如表6所示。

表6 熱風(fēng)爐全壽命周期計算參數(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，大修時間分別在第5年和第10年進(jìn)行，期末無殘值，基準(zhǔn)折現(xiàn)率取8%。則全壽命周期經(jīng)濟成本凈現(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，大修時間分別在第5年和第10年進(jìn)行，期末無殘值，則全壽命周期經(jīng)濟成本凈現(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，期末無殘值，則全壽命周期經(jīng)濟成本凈現(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，比單一對比運行成本全壽命周期綜合經(jīng)濟成本有所下降。

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)計及工藝特點，從工程建設(shè)投資、設(shè)備運行成本、日常維護保養(yǎng)及大修費用及使用壽命進(jìn)行對比分析，最后對工程項目全壽命周期經(jīng)濟成本進(jìn)行綜合分析，盡管燃?xì)獾慕?jīng)濟成本依然是燃煤的1.61倍，但其社會效益和環(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)。