棉花加工调湿热源改造选择分析

〔中华全国供销合作总社郑州棉麻工程技术设计研究所，郑州450004〕

一、背景与问题

（一）现有产业状况

经过国家棉花流通检验体制改革后，棉花加工企业规模化、信息化程度得到较大提升，棉花加工工艺不断完善，大部分企业都配备了棉花干燥设备，部分企业还配置了棉花加湿设备。现代棉花加工企业的调湿设备主要包括籽棉烘干、籽棉加湿和皮棉加湿，是棉花加工生产线上的关键设备。尽管皮棉有加湿、烘干的需求，但皮棉烘干应用不多，仅在长江流域部分加工企业有使用。

棉花干燥环节主要是热风干燥方式，暂时没有冷冻干燥等其它干燥形式的应用。其中，干燥装置多采用热风塔式，热源以燃煤热风炉为主，少量采用燃煤导热油炉、蒸汽换热器等热源。

加湿工艺环节按是否使用热源可分为冷加湿和热加湿两大类。冷加湿的工作温度几乎与环境温度相同，一般采用离子交换技术软化水质，利用超声波或者高压对纯水进行雾化处理后，直接喷到棉花上。棉纤维的吸湿滞后性和纤维表面的蜡质层构造阻碍了水分的吸收，较低的温度也不利于棉纤维膨胀，影响加湿水分的吸收速度，因此冷加湿工艺的加湿水分以表面吸附水为主，难以渗透到棉纤维内部形成结合水，如加湿量大，加湿均匀性和一致性差，易导致加湿后棉花存放出现霉斑，长期品质影响难以估计。热加湿采用热源加热的空气，通过高压雾化水雾后形成高温湿热空气，以一定的温湿度和速度穿透棉花产生加湿效果。热加湿工艺通过高温使中空的棉纤维产生膨胀，容易与高湿空气中的水分形成结合水，从而提高棉纤维的回潮率。显然热加湿均匀性更好。虽然使用热调湿工艺成本比冷加湿要高。但是为了保证加湿效果，大多数生产线还是以热加湿方式为主。

随着国家环保政策的趋紧和人民生活水平的提高，国家对节能减排提出更高要求，调湿中普遍采用的燃煤热源被叫停，需要采用燃油、燃气、电能等更清洁的能源代替。无论是棉花加工企业还是棉机生产企业都面临着如何正确判断调湿热源发展趋势，在燃油、燃气、电能之间做出选择的难题。

（二）典型调湿设备热源配备

2019轧花年度机采棉普及率超过50%，在新疆北疆棉区超过了90%。机采棉工艺得到了普遍应用，加上机械化开松喂花设备的使用，生产线安全运转率得到提升，若加工时间20 h/d，产量25包/h，折算皮棉5.5 t/h计算，加工企业加工时间能完全控制在100天内。

以技术先进、干燥强度较高的搁板增热式籽棉干燥塔为例，加工能力15 t/h籽棉的常规棉花加工企业，热源会配备（5 000～6 700）MJ/h［（120～160）万kcal/h］热风炉，热功率1 389 kW～1 860 kW。热调湿热源功率需要加倍，至少需要8 300 MJ/h（200万kcal/h，2 305 kW），同时驱动干燥和加湿需要12 500 MJ/h（300万kcal/h）。若按5 000 MJ/h（120万kcal/h）热风炉计算，标准煤消耗232 kg/h，4.6 t/d。调湿的热源成本已经成为加工成本的重要组成，研究热源成为有效降低加工成本，提升质量，科学制定调湿标准的重要内容。

二、改造方案分析与选择

（一）替代煤炭的新能源分析

对于替代煤炭的新能源，主要通过比较热值来衡量其燃料的经济性。以标准煤的热值为1单位，可以将其他能源折算出一个相对煤炭的折算率值进行换算。对每单位热值的价格计算价格比率，分析出各种类型的能源性价比。

为使用替代能源，需要采用专用的加热方式和设备，这些特点也是重要差别。

1.煤炭。

标准煤热值为29.26 MJ/kg（7 000 kcal/kg），折算率1。动力煤价格约600元/t。

煤炭需要复杂的条件才能保持稳定燃烧，通常伴生硫、磷等元素会产生大量酸性污染物和粉尘污染。棉花加工企业的燃煤炉一般需要输送和支持煤层燃烧的链条排，以及有耐腐蚀、耐高温的耐火砖构成的炉膛来保障煤炭连续、充分燃烧。燃煤炉热惯性大、质量大，温度不易调节、控制。由于耐火材料易吸水的特性，新轧季开始使用炉子时，需要大约24小时的逐步升温预热的过程，防止炉膛开裂，因而需要连续使用，无法做到按需开机使用。

2.生物质燃料。

生物质燃料在不同场景有不同内涵。例如，对稻米加工企业来说，有大量的稻壳副产物，可以作为免费的生物质燃料来利用。但对棉花加工企业来说，秸秆、铃壳等可燃烧杂质量占比＜10%，总量太少，从生产线获得大量、稳定的生物质燃料并不容易。大部分生物质燃料仍然需要从外面采购。生物质燃料因成分不同，热值复杂，以最常见的秸秆、花生壳、杂木类型的颗粒生物质燃料为例，折算率大约在0.45～0.62之间。秸秆发热量较低在（13.8～14.2）MJ/kg（3 300～3 400 kcal/kg），成本大约为600元/t；花生壳发热量相对高些，在（14.63～15.5）MJ/kg（3 500～3 700 kcal/kg），成本大约为500～700元/t；杂木发热量在（16.87～18.0）MJ/kg（4 035～4 300 kcal/kg），成本大约为900～1 300元/t。

和煤炭类似，生物质颗粒燃料保持连续燃烧条件比较复杂，炉子构造和燃煤炉相差无几，因而热惯性大、质量大，温度不易调节、控制，设备成本高。在开机前需要较长的预热升温时间，无法快速间歇工作。

3.燃油（轻质柴油）。

棉花加工企业加工时间一般在9月～12月，需要使用0号和-10号柴油。0号柴油热值9 600 kcal/kg，-10号柴油热值为101 000 kcal/kg。平均46.04 MJ/kg，折算率1.571。1升0#柴油大约是0.84 kg。-10号柴油价格比0号约高400元/t，平均按7 600元/t计算。

轻质柴油会采用专用柴油燃烧机头燃烧。燃烧机头利用高压雾化柴油，与助燃风机送入的空气流形成可燃混合气体，在燃烧盘处点火燃烧。燃烧机头为保证柴油雾化效果，确保能点燃柴油，会固定喷油嘴的直径，因此不能连续调节火焰大小来控制输出温度，另外燃烧机头的助燃风机风量有限，只保证能点燃混合气体，需要一个炉膛或蓄热器来保障火焰燃烧完全和调节热风温度。燃烧炉的炉膛或蓄热器一般由一个双层耐高温的钢板筒构成，火焰在最内层燃烧，内外层夹兼作散热器加热空气，不需要耐火砖等材料，构造相对简单，热惯性较大，控制相对简单，温度变化快、波动大。

4.液化石油气（LPG）。

热值45.22-50.23 MJ/kg，折算率1.543～1.714。1 kg LPG热值相当于1.12 kg～1.2 kg的柴油热量。零售价格在7.5元/kg。

棉花加工企业应用LPG和柴油类似，一般会使用线性燃烧机头配合钢板炉膛保证LPG燃烧的完全和稳定。相较于柴油，可以在20：1的较大范围内控制和调节火力大小，温度调整、控制精确方便，热惯性小，变化快。

5.天然气（CNG，LNG）。

天然气分为压缩天然气（CNG）和液化天然气（LNG）两类，计量单位不同。因天然气成分各异，热值也各不相同。1Nm3的CNG质量为0.68-0.75 kg，热值36.22 MJ/Nm3，折算率1.236。用于估算时1 Nm3CNG热值相当于0.792 kg柴油热量。LNG的热值约为12 000 kcal/kg，标杆价3 200元/t～3 700元/t。1 kg LNG全部气化后体积为1.33 Nm³～1.47 Nm³。实际情况证明，1.1 Nm3CNG约等于1 kg LPG，1 kg LNG等于1 kg LPG。工业用1 Nm3天然气价格为3.0元左右。

棉花加工企业有两种使用CNG和LNG方式，一种是使用管道式燃烧器，一种是使用线性燃烧机头。因CNG和LNG在燃烧前已经完成了与助燃空气的比例混合，能保证燃烧充分完全，相对这两种方式燃烧器构造都很简单，甚至只需要一个保持火焰持续、稳定的燃烧盘即可工作，无需笨重的炉膛。和LPG类似，其火力温度可以连续、大范围、快速调节，热惯性极小，控制、调节非常方便。

6.电能。

电可以来自煤炭、核电，甚至水电、风电和太阳能等可再生绿色能源，是比较干净的优质能源。电热能为3.6MJ/kw·h，折算率0.122 9。分时电价谷时0.2元/kw·h，平时0.8元/kw·h。考虑轧花企业的实际工作时间，平均可按0.5元/kw·h计算。

电热风炉热风炉构造简单，热惯性较小，主要由电热管和控制柜组成，无需炉膛或蓄热器，电热管可带或不带散热翅片，效率上略有差异。电热风炉装机功率较大，1台电热风炉根据功率不同会装备有4～12组，每组可以分别进行控制、调整，能连续调节输出温度，开关机快速、方便。

综合分析，若耗费同样热功，各类型能源替代消耗与经济测算见下表1。

根据表1可知，相同热功输出下，CNG 消耗成本是燃油的一半，是燃煤的4倍，LNG略比CNG便宜，LPG和燃油成本接近。电热考虑分时电价后，费用处于燃油和CNG之间，若平均电价处于0.6元/kw·h时，成本和燃油相当。采用生物质颗粒燃料则取决于可获得的燃料类型和热值，范围变动较大，可能数倍于煤炭或者成本相当。

（二）热源替代方案分析

以现有搁板增热式籽棉烘干塔工艺5 000 MJ/h（120万大卡）燃煤热风炉热源替代为例，分析设备购置、建安、运行费用、人员投入等改造方案的成本差异如表2所示。

表1 相同热功下燃料消耗与经济成本比较

表2 热源替代方案成本分析

三、讨论

现实环境中改造用户远多于新建设备用户数量。干燥设备是嵌入到生产线中运行的，涉及到供热风机、物料输送风机、管网等诸多设备系统。如果改造涉及大量设备，改造成本、运行调整维护难度等都会加大。在现有设备基础上改造，仅仅替换燃煤热风炉，尽可能保持并兼容现有设备，维持操作习惯的延续性，加工企业接受会更容易，同时也是改造风险最低的选择。不同能源类型的选择，要综合考虑到改造、使用成本、获得可靠性、使用安全性、长期效益等因素。

（一）改用化石能源是过渡方案

1.化石能源供需矛盾突出，不是鼓励发展方向。

从可用资源获得性上分析比较，CNG、LPG等燃气具有相对干净，管道输送方便、安全的优势，主要问题是存储和供应相对不是很稳定。一是存储安全投入，包括一次性建设和运行时维护投入大，设计、施工都需要专业公司进行，罐装供应需要气站安全协调，占用人员；二是供应保障上供需矛盾突出，供应不能得到保证，价格不确定性大，甚至常出现剧烈波动。2016年、2017年国家发改委曾连续出台多个文件，鼓励加大进口，并规划到2020年形成天然气储气库工作气量1.48×1011m3。然而，天然气进口货源替代不易。在2018年LNG国产与进口比例为1∶4，CNG则是3∶1，产量基本上都有确定用途。另外，建造储气设施有特殊要求，相对选址困难，储存有一定技术难度，2020年1月中国的储气能力不足1×1011Nm3，仅占实际用气量的3%。甚至新疆所有规划开工的6座储气设施群在2020年底如期完成建设投产，储气调峰能力达8.46×107Nm3，也仅够新疆自治区目前民生用气消费水平下3天应急使用。2017年北方“煤改气”取暖导致新增年产量18.5%需求而引发的供应紧张问题已经持续3年，估计未来2～3年内仍难以解决。国家政策导向依然是优先保障民生用气。因此，热源改造为CNG或LNG，冬季正常加工时间供气难以保障，短期内将是过渡方案。

柴油的热值比较高，相应供应、运输、储存、使用比较方便。燃烧机技术成熟，单台设备供热能力大，能兼容现有热源设备，改造费用低。在使用燃油改造方案上主要的存在的问题仍然是成本大，环保压力大，若油品质量不能保证，氮氧化物、PM2.5颗粒物等排放难以达标等，随着时间推移会面临二次升级改造问题。

2.生物质燃料是一种较好的过渡选择。

化石燃料中含有硫磷等杂质，燃烧后的产物呈现酸性，对锅炉材料有耐酸性腐蚀的要求；而生物质燃料燃烧后钾、镁等元素作用呈现弱碱性，要求锅炉材料耐碱性腐蚀，加上燃烧的条件不一致，因此两者热风炉的构造和材料并不相同，无法通用，导致改造成本较高。

生物质颗粒燃料热值变化范围大，导致使用、控制上存在不方便。另外，生物质颗粒燃料同样存在污染物排放不达标问题。随着环保标准的提升，生物质颗粒燃料热源最终也会成为一种过渡方案。

（二）电能是较好选择，但配套和运行费用大

电能属于清洁能源，没有储存问题，热风炉改造方案简单，控制便捷，使用安全，也不增加人力投入，加上分时电价中谷时电价优惠，是可选项之一。存在的主要问题是总体拥有成本过高和资源限制，使用成本对电价比较敏感，以及对一些设备存在电磁干扰。一般棉花加工企业整个机采棉轧花车间装机容量为1 200 kW。企业从经济运行角度和电力定价策略出发，会配备一主一辅两台变压器，主变压器2 000 kVA，用于生产时驱动主机设备；辅变压器100 kVA，用于照明、维修等辅助用电。可以看到，若直接替换现有燃煤热风炉的热源，一个标称5 000 MJ热功的热源，其电装机功率将达到1 389 kW，用电改造需要扩容并新增一组1 600 kVA的变电设备。如果带动15 t/h籽棉塔式加湿设备则需要替换标称350万kcal/h的热风炉，此时总装机容量达到4 051 kW，是原设计容量的3倍！可见，调湿成本会大大增加，远远超出国家标准技术条件中吨皮棉电耗260度的先进指标。

此外，电热风炉的基础发热元件——电热管基本实现了标准化，装机功率过大时，电热管数量过多，不仅散热困难，引起压力损失增大，热效率降低，而且会因故障率上升，导致检修困难，因此，单台电热风炉的最大功率都比较小，超过1 200 kW的不多。若需要同时为机采棉两道干燥和加湿提供热源，需要安装2～4台电热风炉，导致成本飙升。

单台电热风炉功率比较大，必须采用可控硅调功控制技术，对电网环境干扰比较大，容易引起电网波形畸变，对其它用电设备干扰严重，需要单独配置变电、配电设备。

为数不多可供参考的公开资料显示，2012年棉花加工企业3 000 kVA变压器1台、配套配电箱及高低压柜等供电工程合计投资27 万元，车间电线电缆估计投资为11～20万元。2019年1 600 kVA箱式变电站报价约在17～25万元。当然，以上没有考虑加工企业红线外的外线供电工程的改造费用和协调难度。

四、选择建议

（一）电热是首选方向

应该看到，电热没有储存、运输、副产物处理等问题，非常干净，没有环保排放压力，炉子控制简单，反应快，使用上非常方便、安全，不增加人力成本。尽管存在错峰用电要求，但谷时电价优惠力度非常大，对加工企业正常工作时间影响不大。存在的主要问题是供电工程问题协调时间长，总体拥有成本过高和电力资源限制，使用成本对电价比较敏感。但是地方政府往往对产业用电等出台有产业支持政策，优惠力度非常大。选择直接升级电热源改造燃煤系统是成功率最高、改造难度较小的方案，也不存在其它后续升级问题。

（二）根据资源禀赋条件，选择化石或生物质燃料

传统化石燃料中，柴油等轻质燃油的热值比较高，相应供应、运输、储存、使用比较方便。天然气、LPG的优势是干净，可管道输送，方便、安全。燃油、燃气的燃烧机技术成熟，能兼容现有热源设备，改造费用相对较低，用户易接受。因此建议以燃油改造为重点方向，以天然气（CNG或LNG）、LPG为次优，生物质燃料为替代。生物质燃料颗粒因为制造成本较高，原材料获取受地域特色限制，热值变化范围大，对价格的影响起决定性作用。若当地有大量、稳定来源的生物质燃料颗粒原料，则其运行成本仅略高于煤炭，且燃烧后的炉灰是优质钾肥，能额外产生收益，值得作为改造的替代考虑。