不同供热装置的大型烘干塔全寿命周期经济成本分析

2022-04-19李召峰王佩琦

现代食品 2022年6期

◎ 贾煜，李召峰，王佩琦

（郑州中粮科研设计院有限公司，河南郑州 450001）

大型粮食烘干塔的供热装置一直是近年来粮食烘干行业谈论的热点，由于环保政策的高压态势，已建以燃煤为热源的大型粮食烘干塔大部分处于停产状态，待建项目由于热源问题一直困扰着投资方，笔者经过多年的调研及研究，目前大型烘干塔的热源有燃煤、生物质、燃气、热泵（电）及余热蒸汽等。由于余热蒸汽受来源的限制，仅适合库区内有蒸汽锅炉的厂区[1]。本文针对目前燃煤、生物质、燃气3种燃料为热源的烘干塔进行研究分析，对不同的热源方式所配套的附属设备进行分析，最后对工程建设总投资、设备运行成本、年度维修费用及设备大修费用等工程项目全寿命周期经济成本进行综合分析，以期为相关工作提供参考。

1 供热装置类型

1.1 燃煤热风炉

燃煤热风炉是最常见的间接式供热方式，主要由燃煤热风炉、多管除尘器、布袋除尘器和脱硫塔等附属设备组成。高温烟气首先经过多管除尘器除去较大的固体颗粒，然后经过脉冲布袋除尘器进一步除去细微粉尘，最后经过脱硫塔除去烟气中的硫化物[2]。其脱硫除尘工艺流程如图1所示。

图1 脱硫除尘工艺流程图

陶瓷多管除尘器是由若干个并联的陶瓷旋风除尘器单元组成的除尘设备。含尘气体由总进气管进入气体分布室，随后进入陶瓷旋风体和导流片之间的环形空隙。导流片使气体由直线运动变为圆周运动，旋转气流的绝大部分沿旋风体自圆筒体呈螺旋形向下，朝锥体流动，含尘气体在旋转过程中产生离心力，将密度大于气体的尘粒甩向筒壁。尘粒在与筒壁接触，便失去惯性力而靠初始速度的动量和向下的重力沿壁面向下落入排灰口进入总灰斗。

布袋除尘器设置在锅炉引风机的进气端，在负压状态下运行，减少进入风机的粉尘量；除尘效率在90%以上；除尘器内部进行了耐磨防腐处理，使用寿命大于10年。

烟气脱硫装置采用石灰法的湿法工艺技术与设备，脱硫装置中包括脱硫塔、曝气风机、泵、管道、闸阀门、电控、氧化池、沉淀池、浆液池和循环池等。工作原理是应用碱液洗涤含SO2的烟气，对烟气中的SO2进行化学吸收，同时碱液也起到吸附粉尘的作用，废水实现循环利用，具有吸收效率高（脱硫效率在90%以上）、使用寿命长、结构简单、制造及维修方便等优点。但采用湿式脱硫在东北地区也存在一定的弊端，东北地区烘干作业时正处于冬季，外界温度在0 ℃以下，正常作业时由于锅炉烟气温度高，水池内的水循环利用不会造成结冰风险。但如果长时间停车，就会有结冰风险，导致设备无法正常运行。因此，在东北地区使用时应采用管道伴热及脱硫水池保温措施。

1.2 生物质热风炉

生物质热风炉工作原理与燃煤热风炉基本相同，目前常用的生物质主要有秸秆压缩成型颗粒和稻壳等。由于生物质燃料中不含有硫元素，因此在工艺设备和土建投资中可以省去脱硫塔及配套土建设施。由于生物燃料的低位发热量仅为煤的50%左右，提供同等的热量需要的燃料质量是煤的两倍，而生物质燃料的价格和煤的价格相差并不太大，运行成本将会有所增加，同时燃料的存放也是必须要考虑的问题[3-4]。

通过对东北地区大型烘干塔调查发现，新建的生物质热风炉占比并不多，主要应用在大米深加工企业，其自身拥有稻壳来源，自产自销，能降低烘干成本。同时调查还发现，生物质热风炉主要用在稻谷烘干机上，这主要是因为稻谷烘干机热风温度要求很低，一般为50～60 ℃，而玉米烘干塔热风温度一般在120～180 ℃，每小时消耗的生物质量约为2～3 t，因此燃料的来源也是一个问题。

1.3 燃气热风炉

燃气热风炉是目前最环保最清洁的热源之一。燃气热风炉以市政天然气或者液化天然气为来源，通过燃烧机燃烧高温烟气配一定空气后直接向烘干机供热，由于天然气燃烧后的成分主要是二氧化碳和水蒸气，对粮食没有污染，因此减少了换热器设备，大大提高了热效率。燃气热风炉由于设备简单，无需脱硫除尘设备、引风机、鼓风机和换热器等设备，因此设备初期投资较少，占地面积少，同时土建费用大幅降低。

天然气的价格直接决定了烘干运行成本，而目前燃气来源主要由市政直接供气和液化天然气为主。项目地周边如有市政管网，采用市政管网是最佳的选择，只需缴纳少量的开口费用即可直接将管网敷设到设备附近。如果周边没有市政管网，则需要自建（或租用）液化罐（图2）及增压撬、空温式气化器（图3）等附属设备。此套设备由于专业化较强，用户直接采取由供气站负责提供及维护保养，签订长期供气协议，所有费用最终折算到天然气单价上。

图2 液化罐图

图3 空温式气化器图

1.4 热泵供热

高温热泵烘干机组主要由翅片式蒸发器（外机）、压缩机、翅片冷凝器（内机）和膨胀阀4部分组成。其工作原理是通过让空气不断完成蒸发→压缩→冷凝→节流→再蒸发的热力循环过程，从而将外部低温环境里的热量转移到热风室中，冷媒在压缩机的作用下在系统内循环流动。采用高温热泵烘干机组作为烘干装置可以节省能源，同时还可降低CO2等污染物的排放量，实现节能减排的效果。

目前热泵烘干热风温度一般为50～70 ℃，主要应用于烘房或南方小型稻谷烘干机。大型粮食烘干塔主要应用于东北地区，使用季节正处于冬季，外界环境温度-25～-10 ℃，热泵几乎无法正常工作。另外，大型粮食烘干塔需要的热功率为4.6～7.0 MW，如此多的供热量需要的热泵机组数量十分庞大，投资十分巨大，因此热泵机组在北方地区特别是大型粮食烘干领域很难推广应用。

2 建设投资对比分析

总投资估算包括汇总单项工程估算、工程建设其他费用、预备费及建设期利息等，针对烘干项目而言，热风炉系统应划分为一个单项工程，其投资估算由建筑（土建）工程费、设备及工器具购置费和安装工程费组成。由于热泵机组的局限性，本文只对燃煤、生物质和燃气热风炉3种类型的建筑工程费、设备及工器具购置费和安装工程费进行投资对比分析。

2.1 燃煤热风炉建设投资

燃煤热风炉系统由热风炉、脱硫除尘、电器系统、锅炉房、电控室、脱硫房和热风室等组成。以500 t烘干塔常规配置10 t炉为例，设备清单及项目投资估算费用如表1所示。

表1 燃煤热风炉投资估算表

2.2 生物质热风炉建设投资

生物质热风炉系统由热风炉、除尘装置、电器系统、锅炉房、电控室和热风室等组成。与燃煤热风相比减少了脱硫塔及相关管道附属设备和脱硫房建筑费用，电器系统相应减少部分费用，其设备清单及项目投资估算费用如表2所示。

表2 生物质热风炉投资估算表

2.3 燃气热风炉建设投资

燃气热风炉只有燃烧机和炉膛，锅炉房占地面积也相应减小。天然气来源以市政管网供气，但是需要增加一次性开口费15万元。其设备清单及项目投资估算费用如表3所示。

表3 燃气热风炉投资估算表

3 运行成本分析

3.1 单位运行成本

热风炉日常运行费用主要包括燃料费用、系统电耗（仅炉子自身电耗）、人工费用以及脱硫设备的水费和工业碱消耗费用，3种热风炉每小时运行成本对比分析如表4所示。

表4 热风炉每小时运行成本分析表

3.2 年度使用费用

年度使用费用包括日常运行消耗的燃料、人工等正常工作时运行费用，还包括日常检修维护保养费用。烘干时间每年按3个月90 d计算，每天平均按20 h计算，则燃煤热风炉、生物质热风炉、燃气热风炉年度运行费用分别为264.42万元/年、293.86万元/年、487.94万元/年。燃煤热风炉和生物质热风炉运转零部件较多、需要定期更换润滑油、易损件等，根据经验估算每年需要2万元；燃气热风炉由于只有燃烧机设备，无需维护保养。热风炉年度使用费用如表5所示。

表5 热风炉年度使用费用计算表

4 全寿命周期经济成本

4.1 全寿命周期成本构成

工程寿命周期经济成本是指工程项目从项目构思到项目建成投入使用直至工程寿命终结全过程所发生的一切可直接体现为资金耗费的投入总和，包括建设成本和使用成本。建设成本是指建筑产品从筹建到竣工验收为止所投入的全部成本费用。使用成本则是在运行使用过程中发生的各种费用，包括运行成本、日常维护成本和大修费用等[5]。

工程寿命周期成本分析方法得到越来越广泛的应用，但需要对比的项目有确定的寿命周期，在工程实践中，由于技术进步或人们对工程产品的功能要求发生变化，使得项目寿命周期往往很难确定。热风炉是烘干系统热源的配套，烘干机的设计寿命一般为15～20年，因此热风炉的使用寿命取15年。

4.2 全寿命周期经济成本计算

燃煤和生物质热风炉的换热器使用寿命一般为5年，布袋除尘器的布袋需要更换，脱硫系统需要重新做防腐，脱硫泵需要大修或更换。燃煤热风炉大修费用一次预算为60万元，生物质热风炉大修费用一次预算为50万元，大修次数为2次，全寿命周期计算参数如表6所示。

表6 热风炉全寿命周期计算参数表

燃煤热风炉在当年建设当年投入使用，使用寿命为15年，大修时间分别在第5年和第10年进行，期末无残值，基准折现率取8%。则全寿命周期经济成本净现值为：

式中：(P/A,8%,15)为已知年金A、基准折现率8%、计息周期数为15情况下求解的现值P，值为8.559 5；(P/F,8%,5)为已知5年末终值F、在基准折现率8%的情况下求解的现值P，值为0.680 6；(P/F,8%,10)为已知10年末终值F、在基准折现率8%的情况下求解的现值P，值为0.463 2。

生物质热风炉在当年建设当年投入使用，使用寿命为15年，大修时间分别在第5年和第10年进行，期末无残值，则全寿命周期经济成本净现值为：

燃气热风炉在当年建设当年投入使用，使用寿命为15年，不考虑大修，期末无残值，则全寿命周期经济成本净现值为：

从以上数据可以看出，考虑到建设投资和后期大修保养等全寿命周期经济成本后，燃气热风炉综合成本依然最高，其次是生物质热风炉，燃煤热风炉最低，燃气热风炉的综合成本是燃煤的1.61倍，比单一对比运行成本全寿命周期综合经济成本有所下降。

5 结论

本文以大型粮食烘干塔的配套供热装置为研究对象，分别介绍了燃煤、生物质、燃气3种热风炉的方案设计及工艺特点，从工程建设投资、设备运行成本、日常维护保养及大修费用及使用寿命进行对比分析，最后对工程项目全寿命周期经济成本进行综合分析，尽管燃气的经济成本依然是燃煤的1.61倍，但其社会效益和环保效益显著提高，因此在天然气资源丰富和利用方便的地区优先选用天然气。根据当地的经济条件、环境条件和资源状况等综合考虑，因地制宜，合理选用，宜煤则煤，宜电则电，宜生物质则生物质。