建筑陶瓷企业原料车间采用热电联产能源系统的可行性
谢炳豪
摘 要：本文对墙地砖生产企业原料车间所用的燃料从使用水煤浆改变为使用天然气的能源利用情况进行分析，并以一家当前正常生产并带有普遍性的墙地砖生产企业的原料车间的生产现状数据来核算其经济性，探讨建筑陶瓷企业原料车间采用热电联产能源系统的可行性。
关健词：墙地砖生产；原料车间；天然气；分布式能源系统
1 概述
建筑陶瓷墙地砖生产企业的原料车间一直沿用多年的工艺是将泥料、矿砂和水混合进入球磨机，研磨成规定细度并含有较高水份的泥浆，泥浆经陈化之后送入以热风作热源的喷雾干燥塔中，喷成雾状的泥浆经与热风进行热交换成为含较低水份的泥粉。而喷雾干燥塔的热风炉所用的燃料经历了从80、90年代的采用燃油燃料，到2000年后的大部水煤浆燃料，部份采用水煤气作燃料，近年也有部份喷雾干燥塔的热风炉直接采用链排式燃煤热风炉取代水煤浆热风炉。
由于燃煤中含有大量有害物质，这些有害物质燃烧后随烟气一起排向大气，对大气造成了极大的污染。因此，减少燃煤炉的烟尘排放以及烟气中的各种有害物质，对改善大气环境有着不可忽视的作用。要从根本上解决燃煤对空气污染的问题，必须从改变燃料入手，即采用清洁燃料替代传统的煤，而天然气正是目前最理想的替代燃料。随着国家经济的发展、国力的提高以及对环保问题的重视，尤其是对日益严重的工业化污染的担忧，使得天然气的利用成为必然。目前，全国各地政府部门开始采取行動限制煤的使用，鼓励工业、企业、居民使用天然气。而且，近年来随着天然气输送管道的大力投资发展，天然气的利用已具备了必要条件。天然气作为一种优质、高效、清洁的气体燃料已经被广泛使用，采用天然气取代煤作为燃料可以大大减轻对环境的污染。
然而，目前天然气价格相对燃煤而言，使用成本仍较高。为了积极响应政府部门“煤改气”号召，解决用能企业“煤改气”后的用能成本问题，需要研究提高建筑陶瓷墙地砖生产企业的用能系统和设备的能源利用效率，对用能系统进行相应的改革。
2 天然气分布式能源系统
天然气分布式能源系统，即热电联供系统，是指以天然气为主要燃料，在用户侧安装天然气燃气轮机发电机组，发电机组产生的电力满足用户的电力需求，同时通过燃气轮机排出烟气的余热向用户供热，满足用户的用热需要。热电联供系统的主要特点如下：
（1）可实现能源的梯级利用，能源综合利用效率高；
（2）采用天然气作为能源，清洁、环保、排放少；
（3）设置于用户内，可有效降低输送通道的能耗；
（4）具有备用电源的功能，实现两路供电，企业的用电安全性和稳定性提高；
（5）对天然气和电网电力实现“削峰填谷”。天然气使用的低谷时段与市政电力高峰时段常常同时出现在夏季，使用天然气分布式能源系统，可降低区域电网的压力，同时增加夏季的天然气使用量。
早期，燃气轮机发电机组一般与余热锅炉和蒸汽汽轮机组共同组成联合循环热力系统作为发电厂使用，发电功率在120 MW以上，联合循环热效率达到52%以上，此运行方式已经有多年的历史。而天然气分布式能源系统，则是近年在燃气轮机发电机组微型化技术进步之后推行的一种热电联供系统。微型燃气轮机发电机组可以提供从0.4 ～ 6.5 MW发电功率范围机组。它们既能使用天然气，又能使用多种可燃气体。目前国内在城市区域供热供冷、造纸企业热电联供、工业园区冷热电联供等已经有较多的成功应用。其目的是以最高的用能效率和最经济的代价，满足终端用户的多样化的能源需求。天然气的利用效率可达到85%以上。天然气分布式能源系统冷热电联供作为最先进的能源利用技术，目前在国内外得到了快速的发展。
3 墙地砖生产企业原料车间的燃料消耗现状
如前所述，目前墙地砖生产企业原料车间喷雾干燥塔的热风炉所用的燃料部份采用水煤浆或原煤，部份采用水煤气，仍然较少使用天然气。
据统计，陶瓷企业燃料消耗除了以原煤制作水煤气供给窑炉使用之外，原料车间工序中供给热风炉的燃料占企业总燃料消耗量的25%以上。
在对陶瓷企业实施的企业能源审计过程中，我们专门对部份企业的喷雾干燥塔进行热平衡测试，测定了燃用不同燃料的喷雾干燥塔的产品单位能耗，具体数据如下表：
运行规格同为5000型的喷雾干燥塔，当使用水煤浆燃料的喷雾干燥生产时每吨粉料水煤浆单耗为136.86 kg/t，按所使用燃料的热值计产每吨粉料热耗为1787414 kJ/t；使用水煤气燃料的喷雾干燥生产每吨粉料水煤浆单耗为282.54 m3/t，按所使用燃料的热值计产每吨粉料热耗为1691014 kJ/t；使用天然气燃料的喷雾干燥生产每吨粉料水煤浆的单耗为45.14 m3/t，按所使用燃料的热值计产每吨粉料热耗为1575356 kJ/t。产每吨粉料热耗随着使用的燃料不同，致使用设备的燃料利用率和热效率不同而提高，使用天然气燃料的达到完全燃烧，单耗比使用水煤浆燃料降低。
当然，喷雾塔的燃料单耗，还与进塔的浆料水份、出塔的粉料水份以及设备运行负荷和产量有关，以上数据仅提供部份喷雾干燥塔当时的运行情况进行热平衡测试的数据。
4 采用热电联供系统的可行性
为了考察建筑陶瓷墙地砖生产企业采用热电联供系统是否可行，我们以一家当前正常生产并带有普遍性的墙地砖生产企业的原料车间生产现状来核算其经济性。
据对该企业进行2015年度企业能源审计的资料，该企业目前生产产品有抛釉砖和釉面砖二种产品，生产设备有燃用水煤浆的喷雾干燥塔三座；窑炉共6条，其中1#、4#二条窑炉生产抛釉砖产品，02#、2#、05#、5#二组窑炉生产釉面砖产品。
按生产二种产品的产量和粉料水份（不计算压机漏失和破损损耗）折算得企业各喷雾塔产粉料量平均为23.17 t/h。
据表3数据，企业全年生产粉料量为：
（241.52+314.54）×300=166818 t
企业能源审计中审核统计数据，全年共消耗水煤浆量为21626 t，生产粉料的燃料单耗为：
21626×1000/166818=129.64 kg/t
据此，计算得企业原料车间单位时间平均燃料消耗量、热耗和燃料费用为：
即该企业使用水煤浆作燃料用于喷雾干燥塔生产粉料平均产量为23.17 t/h，平均需要消耗水煤浆3004 kg/h，按所使用的水煤浆热值13160 kJ/kg计，输入热风炉水煤浆热量39528409 kJ/h。按水煤浆单价0.55 元/kg，需用水煤浆燃料费用为1652 元/h。
企业使用燃烧水煤浆的热风炉或直接采用燃烧原煤的链排炉热风炉供热用于喷雾干燥塔生产粉料，已经沿用多年并已经作为企业固定生产成本。燃料费用较低，但是燃料使用效率低，燃煤燃料污染大。
企业若以天然气作热风炉的燃料，即使如上述测试数据计算燃料利用率和热效率提高，热耗率比使用水煤浆燃料降低，但是由于天然气价格比原煤高，燃料成本仍比使用水煤浆燃料高得多，计算如下表。
即该企业使用天然气作燃料用于喷雾干燥塔生产粉料平均产量为23.17 t/h，平均需要消耗天然气1046 m3/h，按所使用的天然气热值34899 kJ/m3计，输入热风炉天然气热量36499672 kJ/h。按天然气单价3.50 元/kg，需用天然气燃料费用为3661 元/h。使用天然气作燃料比使用水煤浆作燃料费用高出2倍多。
喷雾干燥工艺主要是用热需求，要求的加热介质为热风，而陶瓷企业喷雾干燥要求的则是热烟气，热烟气的温度在600℃左右。结合燃气轮机发电机组的运行，其排气也是以温度在500℃左右的热烟气方式排出，陶瓷企业喷雾干燥工艺若能结合分布式能源系统进行热电联产设计，将可大大降低企业使用天然气成本，并提高天然气的综合能源利用效率。
热电联产设计方案即采用分布式能源系统设置燃气轮机发电机组，天然气供给燃气轮机发电机组所发电，提供企业全部用电后，余电上网。而燃气轮机排出的高温烟气经增设的天然气直燃燃烧机补燃至工艺所需要的温度后供给喷雾塔干燥使用。
仍以该企业为例，该企业全年全厂生产用电31168900 kWh，平均用电负荷为约4329 kW。按喷雾干燥塔按使用的天然气时输入热风炉天然气热量36499672 kJ/h。擬设置一台额定发电功率4.60 MW燃气轮机发电机组，额定烟气温度460℃。该企业使用燃气轮机发电负荷为5520 kW时，此时燃气轮机排出烟气热量和经直燃燃烧机天然气补燃后将烟气温度提升至600℃的热量送至喷雾干燥塔。刚好可满足喷雾干燥工艺用热需求。另外配置天然气燃烧机，以满足燃气轮机检修时干燥工艺用热需求。燃气轮机发电负荷为5520 kW与企业实际用电负荷4329 kW之差余电上网。燃气轮机组使用的天然气量加上补充直燃燃烧机天然气量的总使用天然气量为1988 m3/h，总使用天然气总费用为4195 元/h，扣除发电收益4195 元/h（电价按0.76 元/kWh），喷雾干燥塔使用天然气的实际费用为2764 元/h。
按此方案实施，比纯使用天然气作燃料费用降低24.50%。比使用水煤浆作燃料费用高出67.31%。
5 结论及建议
通过对某企业的现有原料车间的用能数据分析，采用热电联产设计方案即天然气供给燃气轮机发电机组所发电，而燃气轮机排出的高温烟气经增设的天然气直燃燃烧机补燃至喷雾干燥工艺用热需求的用能系统，相对于以天然气直接全替代用能系统，可以降低企业“煤改气”后的燃料成本，优化企业的用能系统和设备能源利用效率。
随着国家“煤改气”能源政策的推行，各地政府部门开始采取行动限制煤的使用，鼓励企业使用天然气。在使用天然气优质能源时，需要努力寻求更优化的能源转换方式和更高的转换效率。建议企业积极推广高能效设备的应用，将更深入提高企业能源利用效率和降低企业用能成本，也为减少生产过程污染物排放作出贡献。
摘 要：本文对墙地砖生产企业原料车间所用的燃料从使用水煤浆改变为使用天然气的能源利用情况进行分析，并以一家当前正常生产并带有普遍性的墙地砖生产企业的原料车间的生产现状数据来核算其经济性，探讨建筑陶瓷企业原料车间采用热电联产能源系统的可行性。
关健词：墙地砖生产；原料车间；天然气；分布式能源系统
1 概述
建筑陶瓷墙地砖生产企业的原料车间一直沿用多年的工艺是将泥料、矿砂和水混合进入球磨机，研磨成规定细度并含有较高水份的泥浆，泥浆经陈化之后送入以热风作热源的喷雾干燥塔中，喷成雾状的泥浆经与热风进行热交换成为含较低水份的泥粉。而喷雾干燥塔的热风炉所用的燃料经历了从80、90年代的采用燃油燃料，到2000年后的大部水煤浆燃料，部份采用水煤气作燃料，近年也有部份喷雾干燥塔的热风炉直接采用链排式燃煤热风炉取代水煤浆热风炉。
由于燃煤中含有大量有害物质，这些有害物质燃烧后随烟气一起排向大气，对大气造成了极大的污染。因此，减少燃煤炉的烟尘排放以及烟气中的各种有害物质，对改善大气环境有着不可忽视的作用。要从根本上解决燃煤对空气污染的问题，必须从改变燃料入手，即采用清洁燃料替代传统的煤，而天然气正是目前最理想的替代燃料。随着国家经济的发展、国力的提高以及对环保问题的重视，尤其是对日益严重的工业化污染的担忧，使得天然气的利用成为必然。目前，全国各地政府部门开始采取行動限制煤的使用，鼓励工业、企业、居民使用天然气。而且，近年来随着天然气输送管道的大力投资发展，天然气的利用已具备了必要条件。天然气作为一种优质、高效、清洁的气体燃料已经被广泛使用，采用天然气取代煤作为燃料可以大大减轻对环境的污染。
然而，目前天然气价格相对燃煤而言，使用成本仍较高。为了积极响应政府部门“煤改气”号召，解决用能企业“煤改气”后的用能成本问题，需要研究提高建筑陶瓷墙地砖生产企业的用能系统和设备的能源利用效率，对用能系统进行相应的改革。
2 天然气分布式能源系统
天然气分布式能源系统，即热电联供系统，是指以天然气为主要燃料，在用户侧安装天然气燃气轮机发电机组，发电机组产生的电力满足用户的电力需求，同时通过燃气轮机排出烟气的余热向用户供热，满足用户的用热需要。热电联供系统的主要特点如下：
（1）可实现能源的梯级利用，能源综合利用效率高；
（2）采用天然气作为能源，清洁、环保、排放少；
（3）设置于用户内，可有效降低输送通道的能耗；
（4）具有备用电源的功能，实现两路供电，企业的用电安全性和稳定性提高；
（5）对天然气和电网电力实现“削峰填谷”。天然气使用的低谷时段与市政电力高峰时段常常同时出现在夏季，使用天然气分布式能源系统，可降低区域电网的压力，同时增加夏季的天然气使用量。
早期，燃气轮机发电机组一般与余热锅炉和蒸汽汽轮机组共同组成联合循环热力系统作为发电厂使用，发电功率在120 MW以上，联合循环热效率达到52%以上，此运行方式已经有多年的历史。而天然气分布式能源系统，则是近年在燃气轮机发电机组微型化技术进步之后推行的一种热电联供系统。微型燃气轮机发电机组可以提供从0.4 ～ 6.5 MW发电功率范围机组。它们既能使用天然气，又能使用多种可燃气体。目前国内在城市区域供热供冷、造纸企业热电联供、工业园区冷热电联供等已经有较多的成功应用。其目的是以最高的用能效率和最经济的代价，满足终端用户的多样化的能源需求。天然气的利用效率可达到85%以上。天然气分布式能源系统冷热电联供作为最先进的能源利用技术，目前在国内外得到了快速的发展。
3 墙地砖生产企业原料车间的燃料消耗现状
如前所述，目前墙地砖生产企业原料车间喷雾干燥塔的热风炉所用的燃料部份采用水煤浆或原煤，部份采用水煤气，仍然较少使用天然气。
据统计，陶瓷企业燃料消耗除了以原煤制作水煤气供给窑炉使用之外，原料车间工序中供给热风炉的燃料占企业总燃料消耗量的25%以上。
在对陶瓷企业实施的企业能源审计过程中，我们专门对部份企业的喷雾干燥塔进行热平衡测试，测定了燃用不同燃料的喷雾干燥塔的产品单位能耗，具体数据如下表：
运行规格同为5000型的喷雾干燥塔，当使用水煤浆燃料的喷雾干燥生产时每吨粉料水煤浆单耗为136.86 kg/t，按所使用燃料的热值计产每吨粉料热耗为1787414 kJ/t；使用水煤气燃料的喷雾干燥生产每吨粉料水煤浆单耗为282.54 m3/t，按所使用燃料的热值计产每吨粉料热耗为1691014 kJ/t；使用天然气燃料的喷雾干燥生产每吨粉料水煤浆的单耗为45.14 m3/t，按所使用燃料的热值计产每吨粉料热耗为1575356 kJ/t。产每吨粉料热耗随着使用的燃料不同，致使用设备的燃料利用率和热效率不同而提高，使用天然气燃料的达到完全燃烧，单耗比使用水煤浆燃料降低。
当然，喷雾塔的燃料单耗，还与进塔的浆料水份、出塔的粉料水份以及设备运行负荷和产量有关，以上数据仅提供部份喷雾干燥塔当时的运行情况进行热平衡测试的数据。
4 采用热电联供系统的可行性
为了考察建筑陶瓷墙地砖生产企业采用热电联供系统是否可行，我们以一家当前正常生产并带有普遍性的墙地砖生产企业的原料车间生产现状来核算其经济性。
据对该企业进行2015年度企业能源审计的资料，该企业目前生产产品有抛釉砖和釉面砖二种产品，生产设备有燃用水煤浆的喷雾干燥塔三座；窑炉共6条，其中1#、4#二条窑炉生产抛釉砖产品，02#、2#、05#、5#二组窑炉生产釉面砖产品。
按生产二种产品的产量和粉料水份（不计算压机漏失和破损损耗）折算得企业各喷雾塔产粉料量平均为23.17 t/h。
据表3数据，企业全年生产粉料量为：
（241.52+314.54）×300=166818 t
企业能源审计中审核统计数据，全年共消耗水煤浆量为21626 t，生产粉料的燃料单耗为：
21626×1000/166818=129.64 kg/t
据此，计算得企业原料车间单位时间平均燃料消耗量、热耗和燃料费用为：
即该企业使用水煤浆作燃料用于喷雾干燥塔生产粉料平均产量为23.17 t/h，平均需要消耗水煤浆3004 kg/h，按所使用的水煤浆热值13160 kJ/kg计，输入热风炉水煤浆热量39528409 kJ/h。按水煤浆单价0.55 元/kg，需用水煤浆燃料费用为1652 元/h。
企业使用燃烧水煤浆的热风炉或直接采用燃烧原煤的链排炉热风炉供热用于喷雾干燥塔生产粉料，已经沿用多年并已经作为企业固定生产成本。燃料费用较低，但是燃料使用效率低，燃煤燃料污染大。
企业若以天然气作热风炉的燃料，即使如上述测试数据计算燃料利用率和热效率提高，热耗率比使用水煤浆燃料降低，但是由于天然气价格比原煤高，燃料成本仍比使用水煤浆燃料高得多，计算如下表。
即该企业使用天然气作燃料用于喷雾干燥塔生产粉料平均产量为23.17 t/h，平均需要消耗天然气1046 m3/h，按所使用的天然气热值34899 kJ/m3计，输入热风炉天然气热量36499672 kJ/h。按天然气单价3.50 元/kg，需用天然气燃料费用为3661 元/h。使用天然气作燃料比使用水煤浆作燃料费用高出2倍多。
喷雾干燥工艺主要是用热需求，要求的加热介质为热风，而陶瓷企业喷雾干燥要求的则是热烟气，热烟气的温度在600℃左右。结合燃气轮机发电机组的运行，其排气也是以温度在500℃左右的热烟气方式排出，陶瓷企业喷雾干燥工艺若能结合分布式能源系统进行热电联产设计，将可大大降低企业使用天然气成本，并提高天然气的综合能源利用效率。
热电联产设计方案即采用分布式能源系统设置燃气轮机发电机组，天然气供给燃气轮机发电机组所发电，提供企业全部用电后，余电上网。而燃气轮机排出的高温烟气经增设的天然气直燃燃烧机补燃至工艺所需要的温度后供给喷雾塔干燥使用。
仍以该企业为例，该企业全年全厂生产用电31168900 kWh，平均用电负荷为约4329 kW。按喷雾干燥塔按使用的天然气时输入热风炉天然气热量36499672 kJ/h。擬设置一台额定发电功率4.60 MW燃气轮机发电机组，额定烟气温度460℃。该企业使用燃气轮机发电负荷为5520 kW时，此时燃气轮机排出烟气热量和经直燃燃烧机天然气补燃后将烟气温度提升至600℃的热量送至喷雾干燥塔。刚好可满足喷雾干燥工艺用热需求。另外配置天然气燃烧机，以满足燃气轮机检修时干燥工艺用热需求。燃气轮机发电负荷为5520 kW与企业实际用电负荷4329 kW之差余电上网。燃气轮机组使用的天然气量加上补充直燃燃烧机天然气量的总使用天然气量为1988 m3/h，总使用天然气总费用为4195 元/h，扣除发电收益4195 元/h（电价按0.76 元/kWh），喷雾干燥塔使用天然气的实际费用为2764 元/h。
按此方案实施，比纯使用天然气作燃料费用降低24.50%。比使用水煤浆作燃料费用高出67.31%。
5 结论及建议
通过对某企业的现有原料车间的用能数据分析，采用热电联产设计方案即天然气供给燃气轮机发电机组所发电，而燃气轮机排出的高温烟气经增设的天然气直燃燃烧机补燃至喷雾干燥工艺用热需求的用能系统，相对于以天然气直接全替代用能系统，可以降低企业“煤改气”后的燃料成本，优化企业的用能系统和设备能源利用效率。
随着国家“煤改气”能源政策的推行，各地政府部门开始采取行动限制煤的使用，鼓励企业使用天然气。在使用天然气优质能源时，需要努力寻求更优化的能源转换方式和更高的转换效率。建议企业积极推广高能效设备的应用，将更深入提高企业能源利用效率和降低企业用能成本，也为减少生产过程污染物排放作出贡献。
