集中供热利用梁式窑导热油余热探讨

沈振锋,云艳玲,赵美丽

(中盐内蒙古化工股份有限公司,内蒙古 阿拉善 750336)

电石生产企业在生产中产生大量的余热,大部分企业应用了双预热技术对石灰窑烟气余热进行回收利用。但对梁式竖窑的导热油余热利用率较低,梁式石灰窑工艺中使用导热油对燃烧梁和吸气梁进行冷却,导热油带出热量通过风冷式换热器进行冷却,因设计原因,大多企业未对此部分热量进行有效利用。文章通过对某企业梁式窑的实际运行参数进行分析计算,讨论导热油余热利用的可行性。

该企业年产电石60万t,配套6台300 t/d双梁窑,导热油出窑温度约198 ℃,导热油采用大功率轴流风机冷却器进行冷却,冷却后温度约178 ℃,单窑导热油流量260 m3/h,单台窑导热油余热可回收热量可观,6台窑的导热油余热进行集中回用可利用价值更高。

该企业建设有自备电厂,两台480 t循环流化床锅炉、135 MW发电机组,冬季采暖期需向生活区部分区域供热,因自备电厂为化工配套项目,主要任务为向化工生产装置供热,冬季采暖期外供蒸汽量较大,增加抽汽量对发电量指标有一定的影响。尤其采暖期锅炉进行计划性检修时,单机组运行无法满足供热需求的情况下,需外购蒸汽以保障供热温度。如果将6台石灰窑导热油余热进行回收用于集中供热,可缓解冬季采暖期蒸汽供需平衡问题,同时也可产生供热收益。

1 梁式窑导热油可利用余热计算

经对6台梁式窑的运行参数进行统计分析,石灰窑煅烧石灰石生产白灰能耗约为1 196 kcal/kg,即14.95 Gcal/h,其中导热油带出窑热量2.917 Gcal/h,带出热量约占石灰窑中总热耗的21%。石灰窑热量平衡测试见表1。

表1 石灰窑热平衡测试表Tab.1 Heat balance test table of lime kiln

单台窑导热油流量260 m3/h,导热油温度进口198 ℃,冷却后出口温度178 ℃。查相关资料,运行温度区间内导热油比热为0.57 kcal/kg,平均密度为730 kg/m3。则单台窑导热油可利用热量为2.163 Gcal/h。6台窑可利用热量为13 Gcal/h,见表2。

表2 导热油系统运行参数Tab.2 Operating parameters of heat transfer oil system

2 区域集中供热情况

该电厂主要负责部分生活区集中供热,根据当地气温条件,确定供热期为每年10月15日至次年4月15日共计180 d。1月最低气温-25.2 ℃,平均气温-7.3 ℃,2月最低气温-22.1 ℃,平均气温-3.0 ℃,3月最低气温-14.4 ℃,平均气温5.1 ℃,4月最低气温低-7.6 ℃,平均气温12.6 ℃,10月最低气温-5.2 ℃,平均气温10.3 ℃,11月最低气温-16.0 ℃,平均气温1.7 ℃,12月最低气温-23.1 ℃,平均气温-5.5 ℃。

依据城镇供热条例,供热期内,对符合国家建筑节能标准的居住建筑,供热单位应当保证热用户室内温度全天达到18 ℃以上,考虑人体适宜温度,实际供热中,供热期内室内温度一般控制在21 ℃以上。目前该自备电厂供热面积约40万m2,热源采用新蒸汽通过管壳式换热器升温一次管网热水,然后通过循环泵输送给热力公司位于各生活区的二级换热站,供热期内蒸汽平均用量约25 t/h。其中一次管网供水温度为60 ℃～75 ℃,经二级换热站换热后,供回水温差为15 ℃～20 ℃。

3 工业余热回收利用技术及余热回收集中供热方案

3.1 工业余热回收利用技术

工业余热品质高低的重要衡量指标是温度,根据温度的高低可选择回收利用方式也不同。一般将大于500 ℃的工业余热为高温余热,主要有熔炼炉、加热炉等;200 ℃～500 ℃的工业余热分为中温余热,主要有热动装置;小于200 ℃的工业余热为低温余热,主要为冷却介质余热,装置排放烟气、尾气等。工业余热中大多为低温余热和高温余热。

余热回收利用技术主要有直接热交换利用技术、热功转换利用技术、余热的提质利用技术。热功转换利用技术适用于中高温余热,直接利用余热做功,如带动压缩机、水泵等。如普遍采用的蒸汽驱动式空气压缩机。余热的提质利用技术是通过热泵系统对产出的余热进行调整实现工业需求,或将其与现有装置结合,实现供热或冷却,使得低品质余热得到综合利用,如热电厂回收汽轮机凝汽器乏汽实现吸收式换热的热电联产集中供热技术,可有效提高热电厂供热能力30%以上,提质利用在热交换过程的技术水平要求较高,一般化工生产企业自主实施较难实现。直接热交换利用技术是通过空气预热器、加热器等换热设备通过热交换技术直接将余热加热介质的的技术,从而实现替代或减少一次能源消耗,实施简单成熟,在化工生产装置应用广泛。余热回收利用技术要根据用热装置需求,尽可能采用简单高效的技术,以提高余热利用效率。

3.2 余热回收集中供热方案

石灰窑导热油温度188 ℃～219 ℃,属于中低温余热。因集中供热为民生工程,要求供热连续且供热质量稳定达标。石灰窑装置冬季不安排停车检修,具备可连续、稳定回收余热的条件,具有较高的投资价值。根据余热温度和石灰窑装置运行情况,有两种回收利用方式可供选择,方式一是通过新增真空热能回收装置利用余热生产蒸汽,然后将蒸汽输送至换热站;方式二是新增油水换热设备,直接升温加热一次管网循环热水。

(1)回收方案一。在石灰窑装置新增真空热能回收装置,将自备电厂送过来的脱离子水进脱盐水罐,通过给水泵送至真空热能回收器,利用导热油余热产生0.4 MPa的饱和蒸汽,通过蒸汽管道输送至自备电厂采暖换热站,再次送入换热站管壳式换热器,提高采暖回水温度满足居民用户需求。此种回收方式需要增加设备有：补水箱、给水泵、导热油输送管道、蒸汽输送管道、真空热能回收器。此回收方式的缺点是用于集中供热采用此种回收方式热能利用率较低,需要油水换热后生成蒸汽,再经过汽水换热提高采暖换热温度,需要经过两套换热装置才能将余热利用至需求点,影响余热利用效率。

(2)回收方案二。在石灰窑装置新增油水换热装置,在原供热回水管线增加支路和循环泵,将供热回水全部或部分通过油水换热设备升温后送至原换热站系统。此种回收方式需增加设备有：热水上、回水管道,油水换热设备,回水支路调节阀,导热油输送管道、循环泵。此种回收方式简单,供热回水直接通过换热设备吸收导热油余热,换热效率相对较高。

(3)回收方案对比。方案优先考虑的是利用导热油余热最大量的替代采暖蒸汽,考虑当地气温条件,冬季最低气温达到-25.2 ℃,如采用方案一利用余热生产饱和蒸汽,因饱和蒸汽蒸汽输送过程热损失较大,不利用长距离输送,为最大化利用余热替代采暖蒸汽选用方案二。

3.3 导热油余热回收集中供热回收流程

根据实际供热参数统计,每年1月、2月和12月外界平均气温较低,换热站正常热水供水温度要求在75 ℃以上,供回水温差达到20 ℃以上,供水平均流量约800 m3/h,即供热最大需求热量达到16.06 Gcal/h以上。每年3月、4月、10月和11月平均气温相对较高,换热站正常热水供水温度要求在65 ℃以上,供回水温差约15 ℃,供水平均流量约800 m3/h,即供热需求热量约12.04 Gcal/h。

6台石灰窑导热油余热可回收热量约13 Gcal,6台石灰窑正常运行时无法全部满足最大用热需求,故需保留考虑原供热系统应对异常极端天气。根据热量计算,每年3月、4月、10月和11月,基本可实现全部使用导热油余热供采暖。在1月、2月和12月时,需要通过原换热系统二级加热的方式满足供热温度要求。

根据热量平衡计算,考虑石灰窑临时计划检修或生产异常升降负荷,会对供热温度产生影响,为保障供热连续性,采用二级加热的方式调整供热温度。每台300石灰窑单独设置一套换热装置,正常情况6套换热设备全部投用,可替代原蒸汽用量20 t/h。当有石灰窑进行检修作业时,每减少1台窑运行原换热站增加供汽量3.5 t/h,为进一步保障供热温度不受影响,可设置控制回路,根据换热后出水温度自动调节进入换热站的蒸汽流量,以保障供水温度控制在75 ℃。

4 项目实施的可行性分析

方案采用直接热交换利用技术的余热回收利用,采用的技术装备成熟可靠,余热回收工艺流程简单可靠,原导热油冷却系统和换热系统保留,在换热装备检修时可随时切换而不影响石灰窑正常运行,运行维护及操作简单可行,具备实施条件。

5 预期效益分析

6台石灰窑导热油余热可回收余热13 Gcal/h,180 d供热期可回收热量为56 160 Gal,可稳定满足供热面积约20万m3,年可实现供热收入308万元,剔除运行费用约98万元,余热回收年创经济效益210万元。回收余热折标标煤等价值约4 800 t。

6 结论

梁式窑导热油余热回收利用实施后,可有效降低采暖蒸汽使用量,同时保留原供热系统,当石灰窑或余热回收装置计划检修时,可快捷的切换热源,通过原换热系统保障供水温度稳定。根据梁式窑导热油余热回收利用方式,6台石灰窑正常运行时,可至少稳定满足20万m2供热面积的用热需求,一个供热期可为企业创造经济效益210万元,同时利于供热期自备电厂蒸汽供应平衡调整,为企业主要装置的稳定生产创造有利条件,在有用热需求的北方区域企业具有较好的推广应用价值。