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基于企业用热需求探究余热利用模式革新

2020-02-27 214 上传者：管理员

摘要：已经投建的工业类型的天燃气分布式项目多数是以“燃气轮机+余热蒸汽锅炉+补燃蒸汽锅炉”的模式为主，在实际的项目开发中存在很大局限性，在很多使用热风、导热油等产品的企业中，将这些工艺改造成高温蒸汽是重点及难点，通过对实际项目的技术和经济性进行探讨和分析，为企业开发天燃气分布式余热利用方案提供新思路。

关键词：
天然气分布式
导热油炉
模式革新
热风炉
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近些年，能源行业里的不少企业都开始投资天然气分布式，作为一种高效的清洁能源利用方式，燃气分布式系统已普遍被市场接受。2018年5月，四部委联合发文支持有条件的企业自建分布式能源（发改运行[2018]634号），很多用能企业在能源改造的过程中自建了天然气分布式能源站，比较典型的例如上海东冠纸业燃气分布式能源项目。在这些已经投建的工业类型的天燃气分布式项目中，多数是以“燃气轮机+余热蒸汽锅炉+补燃蒸汽锅炉”的模式为主，例如上海大众汽车（安亭工厂）分布式能源项目、济南力诺科技园等项目，其结构简单、性能稳定、安全性高，因此，也成为大众熟知的典型方案。

但上述模式在实际的项目开发中存在很大局限性,因为蒸汽只是企业生产所用的一种常见热能产品，与其类似，很多企业的生产工艺中需要使用高温热风、高温导热油等热能产品，比如常见的食品厂、纺织厂、钛白粉厂以及塑胶厂等，他们中部分有蒸汽需求，部分的蒸汽需求很少甚至没有，相反他们对高温热风、导热油的需求量却很多。而且这些高温热风、导热油的温度普遍要比蒸汽温度高。以塑胶行业为例，导热油的温度一般都在25℃以上，这些企业原先都采用燃煤锅炉，如果将这些工艺改造成高温蒸汽就会存在很大风险，且会给企业带来额外的资金压力；如果直接采用燃气锅炉代替燃煤锅炉，因为目前市场的燃气价格相对较高，企业的生产成本就会增加20%~50%,最终导致产品市场竞争力降低。

目前，有部分新能源企业已经开始对这类用能企业改造升级，但绝大部分还是企业自身通过改造生产工艺。采用直燃机方式替代原有的锅炉系统，以此来满足环保政策的要求。通过对燃气分布式系统的深入研究分析得出，利用天然气分布式系统的燃机烟气余热完全可以满足这些企业正常生产的用热需求，同时经过对余热的梯级利用，可以给企业节省大量能源成本，也给这类企业的能源改造提供了一种高效节能的方案模板。

1、典型行业的案例分析

这些主要使用热风、导热油的企业一般都会有典型的行业分布，例如有热风需求的企业在工艺生产中一般会有烘干的需求，类似钛白粉、氨基酸等产品；有导热油需求的企业在工艺生产中一般会有塑形的需求，涉及皮革、橡胶、纺织等行业。在南方一些工厂密集度比较高的地方，这类企业相对较多，他们原先大部分的能源供应方式是燃煤锅炉，近些年因为环保政策的因素，很多企业开始或者已经完成了锅炉的改造，大部分是直接利用燃气锅炉代替燃煤锅炉，但因为工艺生产的特殊性以及燃气价格的居高不下，产品的经济性明显下降，企业的市场竞争力多少受到了影响。对新能源企业来说,采用传统思路的”燃气轮机+蒸汽锅炉”明显会增加企业的用能成本，或给企业带来额外的工艺改造费用，这就引导寻找一种更高效的燃气分布式系统，在解决企业用能需求的同时，还能降低企业的生产成本。

1.1 热风炉的改造分析

针对上面的问题，以在实际项目开发中遇到的某钛白粉厂的改造为例，企业原有的15条生产线均采用燃气热风炉，通过燃烧器燃烧天然气产生的清洁高温烟气混合新风达到350℃左右，进入搅拌机烘干原料，最终生成成品。2017年初，浙江博臣汇能科技有限公司通过与企业接触并提供初步设计的方案，与企业达成合作意向，针对其生产环节的4#生产线进行改造升级，通过能源利用效率更高、经济效益更好的燃气分布式系统对其进行改造，核心思路是以燃气轮机为主设备，配套相应的进风系统，替代原有的热风炉，降低企业的生产成本，提高企业在行业内的竞争力。

4"生产线原有4台热风炉，每台热风炉燃烧器的小时耗气量约为200m3,供给搅拌机的热风流量约为5。88kg/s,能提供大约1990kWh的热量。选择了2台2MW的燃气轮机，每台燃气轮机每小时产生的烟气热量为4982kWh,经过搅拌机后的排烟温度¢40-100℃之间。经过分析，2台2MW的燃气轮机烟气余热完全满足4性产线的热需求，同时，提供约4MW的电力供应。通过对燃气的梯级利用，在满足企业用能需求的同时，通过比市电及原有热风炉更低的能源价格，降低了企业的生产成本，提高了企业在行业内的竞争力。

相对原有的热风炉生产工艺，采用燃气分布式系统在设计阶段需要考虑一些关键性技术问题。首先是场地面积，因为燃气轮机及配套的增压系统需要满足相应的安全规范要求。因此，在本项目开发之初，选择了生产线前端空地相对较富裕的萃生产线；其次是保证系统安全运行，燃气轮机正常运行时的背压约为2。5x105Pa,在设计相应的热风管道时。就充分考虑管道的阻力问题，管道阻力过大时，还需要考虑增加引风机来保证管道内的排风压力；另外，燃气轮机的排烟温度约为570t,而工艺生产的正常温度为350℃(有50℃的操作空间),因此，就需要混合新风来降低温度，相应的控制系统及系统设计需要充分考虑等。

1.2 导热油炉的改造分析

使用高温导热油的企业相对较多，尤其是纺织和橡胶企业，一般的塑形工艺对温度的要求较高，导热油基本在250℃以上。很多企业之前都采用燃煤导热油炉，正常排烟温度较高，如果企业热水需求量较少，一般都会将烟气重新引入炉膛重复利用，最近儿年因为环保政策的要求，企业基本都完成了煤改气，且为保证排烟的热量能得到充分利用，都会增加烟气热水换热器。来提高燃气的利用率。但我国天然气的价格相对较高，对企业而言，煤改气之后生产成本的增加就意味着市场竞争力的减弱，因此，在保证国家环保政策要求前提下，企业亟须一种既能满足生产工艺，又能降低生产成本的用能方式。

以该公司在项目开发中遇到的实际案例浙江某纺织厂为例，企业有1台7000kW的燃煤导热油炉，出油温度为265℃、回油温度245℃,同时，也有少量的蒸汽和热水需求。2017年，根据当地环保政策要求，所有10t以下燃煤锅炉都要拆除，企业如果直接将燃煤导热油炉改造成燃气导热油炉，不仅会造成用能成本的上升，而且需要投入大量资金购置新的设备。之后该公司与企业接触并提供初步设计方案，与企业达成合作意向，通过能源利用效率更高、经济效益更好的燃气分布式系统对其进行改造，核心思路是以燃气轮机为主设备，配套余热导热油炉以及低温余热回收装置，来降低企业的用能成本,提高企业在行业内的竞争力。

根据企业的用电负荷，选择了1台2MW的燃气轮机，烟气流量为8。77kg/s、温度579℃:

(1)根据企业生产使用导热油的温度，设计了一款功率为3000kW的余热型导热油炉，燃气轮机排出烟气通过余热型导热油炉后温度降低为270通过与出油温度保持20t以上的温差，可以保证导热油系统的高效稳定运行。

(2)从余热型导热油炉排岀的烟气进入1台余热蒸汽锅炉，可产生压力为0。8MPa的饱和蒸汽大约1t/h。排出后的烟气温度降低至约190℃。

(3)将烟气通过烟气-热水换热器，得到约7600kg/s的高温热水(90℃),最终烟气温度降低至110℃。

通过这种系统配置。将天然气燃烧后的热量梯级利用，因为高品质能源的收益越高(本项目中电能收益最高、其次是导热油，热水的收益最差，所以，相比纯粹使用燃气锅炉。能源供应商给企业的优惠更多。因此，企业的用能成本也能降到最低。

与常用的“燃气轮机+蒸汽锅炉”类似，针对有高温导热油需求的纺织、橡胶等类似企业。燃气分布式系统也采用燃气轮机为核心设备，配套余热型导热油炉，但因导热油温度一般都在250℃以上。从余热锅炉出来的烟气温度一般都在300℃左右，如企业有热水或低压蒸汽需求。可以利用换热器或锅炉充分吸收烟气中的余热；若企业没有低温热需求，可采用ORC装置，通过介质吸收烟气余热利用膨胀机工作原理发电，来实现能源的梯级利用；除此之外系统还会再配置一套燃气导热油锅炉用来做调峰备用，进一步确保企业用能的安全。

当采用燃气分布式系统替代原有的导热油炉时，企业工艺热力系统的改造相对较少，可充分利用原有的管路系统；因为实现了对能源的梯级利用，系统的经济性较好，供给企业的能源价格相对(市电及燃气导热油炉)就会较低，在燃气成本相对较高的情况下，用能成本的降低无疑会给企业带来巨大的优势。

2、结语

天然气分布式技术的应用要与实际项目结合，根据企业的用能类型、用能特点才能找到合适的技术方案,例如文中提到的使用热风炉和导热油炉的企业，在全国这样的企业普遍存在，通过技术观念的改变，采用了新的能源供应模式，以燃气轮机为核心的天然气分布式能源系统，根据能源梯级利用的思路。对烟气余热进行了充分的利用，又满足了企业的需求。最终减少了企业工艺改造的费用，降低了生产成本，提高了企业产品的竞争力，也给其他的新能源企业开拓市场提供了很好的思路，将很多潜在客户变成了实实在在的用户，实现了双方的互利共赢。

吴秦,刘科.结合企业用热需求对余热利用模式创新性的探讨[J].节能,2019,38(3):100-101.