余热利用在民爆物品生产中实际应用分析

陈学敬

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司,辽宁 沈阳 110000）

2020 年9 月,国家主席习近平在第七十五届联合国大会上强调:中国将采取更加有力的政策和措施,努力争取2060 年前实现碳中和。工业领域节能对于实现节能减排、碳中和目标意义重大。我国社会总能耗中工业能耗占比2/3,而可回收利用余热总资源占其燃料消耗总量的10%～40%,可利用资源丰富,潜力空间可观[1]。余热利用是实现碳中和的途径之一,在节能领域中被广泛应用。民用爆炸物品生产受规模限制,用热负荷小(蒸汽用量大多2～6 t/h),单独新建锅炉房受燃料限制,因此,往往选择燃气、燃油或电锅炉,增加了前期投资和后期运营成本。以本溪钢铁(集团)有限责任公司炸药厂余热利用项目为例,针对炸药厂用热负荷小、烟气参数对余热利用的影响较大等问题,采用DCS 控制系统对余热利用系统进行监控、设置备用锅炉、调整工艺等方法,使得余热技术在民爆物品生产中得到成功应用。

1 项目背景

本溪钢铁(集团)有限责任公司作为国内特大型钢铁联合企业,已形成2 000 万t/a 以上的钢铁产能。为进一步提升企业的核心竞争力,本溪钢铁(集团)有限责任公司依托所在地区丰富的铁矿资源,制订了铁矿资源开发中长期规划,目标为年产原矿3 480 万t,年产铁精矿1 135 万t。为此,本溪钢铁(集团)有限责任公司将加大对旗下铁矿的开采力度。

铁矿开采过程中会消耗大量的炸药,本溪钢铁(集团)有限责任公司加大力度开采铁矿资源后,对炸药需求大大增加,为解决炸药产能的困境,结合行业大力发展现场混装炸药的指导方向,本溪钢铁(集团)有限责任公司拟新建现场混装乳化粒状铵油炸药生产线,并向工业和信息化部请示报批。2018 年6 月,工业和信息化部批准同意新建年产1 万t 现场混装乳化粒状铵油炸药生产系统。

经多方案比较,最终确定在马耳岭新建工业场地(简称“炸药厂”)内新建一条现场混装乳化粒状铵油炸药生产线及其配套设施。主要新建建(构)筑物包括:乳化基质制备工房、粒铵上料工房、硝酸铵库(一)、硝酸铵库(二)、理化室、油相材料库、危废库、亚硝酸钠库、硫脲库、消防泵房、日用消防水池、职工休息室、电锅炉房、污水处理站等。

2 新建生产线总热负荷、热媒性质和工作参数

根据工艺要求和卫生标准,新建工房、车库、办公用房等建筑物均设集中采暖,采暖热媒供水温度90 ℃,回水温度65 ℃,工作压力0.4 MPa。采暖热负荷为536 kW,折合蒸汽用量为0.85 t/h。

根据工艺要求,基质制备工艺用汽采用0.2～0.4 MPa 饱和蒸汽,用于溶解固态硝酸铵,蒸汽用量为1.5～2.0 t/h、用汽时间为8 h/d。其余时间利用蒸汽保温,蒸汽用量为0.5 t/h。

锅炉负担蒸汽用量共计2.85 t/h(采暖蒸汽用量0.85 t/h、工艺蒸汽用量2.0 t/h),工业场地耗热量考虑热损失系数1.2 后,总蒸汽用量约为3.4 t/h。

3 供热方案制订

国务院印发的《重点区域大气污染防治“十二五”规划》和《大气污染防治行动计划》中明确要求城市建成区、工业园区禁止新建20 t/h 以下的燃煤锅炉,其他地区禁止新建 10 t/h 以下的燃煤锅炉。因此,本工程无法参照老生产线建设燃煤锅炉房。为了优化产业结构,落实节能减排政策,本溪钢铁(集团)有限责任公司决定利用炸药厂附近公司下属马耳岭球团厂的环冷机三段热烟气,设置余热锅炉1 台,作为炸药厂供热热源。

现场勘测烟气参数,风量为120 000 Nm3/h,温度为320 ℃。

经专业余热利用厂家校核,余热锅炉参数确定为蒸汽产量6～8 t/h,蒸汽压力0.8～1.2 MPa,温度为饱和温度。此供热能力可满足炸药厂用热需求,同时剩余热量可用作马耳岭球团厂供暖或洗浴用热。

烟气流程:在环冷机和烟气排放装置之间设置一路烟气管道与余热锅炉烟气管道T 接,将高温烟气送至余热锅炉中,释放热量,降温后,通过烟囱排放。

蒸汽流程:来自供水设备的给水在余热锅炉中吸收高温烟气热量,生产蒸汽,送入分汽缸,分别引至用热处。

自来水中含有的悬浮状、胶体状及溶解性杂质,都可对锅炉造成一定的危害。为了满足余热锅炉安全使用要求,配备了1 套水处理量为10 m3/h的JK20-400 型全自动软化水装置,1 套水处理量为10 m3/h 的热力除氧器及除氧水泵;2 套(1 用1 备)流量10 m3/h、扬程175 mH2O 的锅炉给水泵,1 座容积为10 m3的软化凝结水箱。

余热锅炉蒸汽采用架空敷设方式输送至炸药厂,蒸汽利用后产生凝结水可利用地势差自流回余热锅炉软化凝结水箱重复利用。

马耳岭球团厂以球团工艺为主要生产线,为不影响生产线正常运行,在余热利用的同时设置了烟气排放装置,在余热锅炉停产检修期间或环冷机排烟温度过高、用热负荷大幅度减少时排放烟气。放散装置设电动阀门,与余热锅炉烟道阀门联锁,余热锅炉阀门关闭,排放阀门打开。

项目采用DCS 控制系统,通过分布在余热利用系统的监测点,将相关控制数据上传到中控台,从而实现中控台集中控制。主要监控的参数包括烟气、水、蒸汽及中间介质的温度、流量和压力等。项目能够实现流量、温度、压力等的自动调节和控制,自动化程度高。采用DCS 控制系统可实现系统的数据采集、处理、显示、报警、制表和性能计算,完成主要调节系统的全部调节功能及各系统功能的顺序控制和联锁保护。配以少量的就地操作和巡回检查,即可在中控台实现系统的启动、停车,并能在中控台实现机组的运行工况监视、调整、停机和紧急事故处理。

因马耳岭球团厂存在主生产线停产或余热锅炉检修的情况,为保证炸药生产线正常运行,故在炸药厂厂区新建1 座电锅炉房作为备用热源,电锅炉蒸汽产量2 t/h。为了满足电锅炉水质要求,配备1 套水处理量为2.5 m3/h 的JK10-300 型全自动软化水装置。

采暖用的热水由设于电锅炉房内的汽水换热机组供给,换热量约为700 kW。

4 经济效益分析

以炸药厂每年运行6 000 h、蒸汽用量3.4 t/h计,每年可减少外购蒸汽量约20 400 t。蒸汽价格按200 元/t 计,每年可节约购买蒸汽资金408 万元。

余热锅炉运行电耗主要为烟侧阻力增加,使得引风机电耗增加,余热锅炉烟侧阻力790 Pa,引风机效率按70%计,烟侧阻力增加引起的电耗增加约为37.6 kW。余热锅炉运行总电耗按60 kW 计,电费按1.0 元/(kW·h)计,每年需增加的电费约为36 万元。

水耗约9.0 t/h,水价按4.0 元/t 计,每年需增加的水费约为21.6 万元。

劳动定员按7 人计,每人每年的薪资福利成本按8 万元计,每年需增加人工成本约56 万元。设备的年维护成本按12 万元计。

综上所述,余热利用系统的年运行成本总计约125.6 万元。

余热利用系统年净收益约计282.4 万元。项目总投资约450 万元。投资回收期约为1.6 年。

5 运行存在问题及建议

2020 年马耳岭球团厂余热锅炉投入运行,因余热锅炉在运行过程中受热空气量、温度、生产线负荷波动等诸多因素影响,实际运行状态不稳定。当球团生产线正常生产时,余热锅炉蒸汽产量为6～8 t/h、蒸汽压力为0.8～1.2 MPa,均能达到预期效果,送至炸药厂蒸汽压力约为0.4 MPa,满足工艺用汽要求,硝酸铵溶解情况良好;当球团生产线低负荷生产时,余热锅炉供汽量下降,炸药厂硝酸铵溶解不充分,后经工艺调整,增加溶解时间,问题得到解决。

由此可见,余热锅炉等余热利用装置与一次能源利用装置有所不同,以余热资源作为热源,受主工艺运行状态影响较大,产生蒸汽品质及产量不稳定。

由于本项目对热媒的要求较为宽松,且配备了电锅炉备用系统,此余热利用系统能满足使用要求。对于要求热媒稳定的场所,目前市场也有诸多解决方案,如设置过热装置、多炉带一机、改造密封、动态补燃系统等。其中,动态补燃方式采用在余热锅炉前的烟道上外挂补燃装置,在烟气不稳定或中断时对其进行补充,以保证余热锅炉的正常出力[2],此方式安装灵活、占地小、施工周期短,是新建和改造项目保持热媒稳定的有效手段。