復合肥工藝車間地暖除濕系統設計與應用

周劍波

(中國-阿拉伯化肥有限公司 河北秦皇島 066003)

在復合肥加工和散裝儲運過程中，不可避免地會產生各類粉塵和漏料，這些物料一般為各種原料，如尿素、硝銨磷、磷酸一銨、氯化鉀或硫酸鉀的混合物。當這些物料掉落至車間地面時，由于溫度降低而快速吸潮，導致車間地面泥濘、濕滑，不僅給作業帶來困難，還導致了設備的電化學腐蝕，尤其是在夏季，尿基復合肥和硝基復合肥生產頻繁切換的車間，問題最為明顯。

目前，行業中空間除濕方法主要有2種：①加熱車間空氣，保持粉塵溫度在露點以下，但結果往往是車間溫度得到了提高，而地面溫度仍然較低，無法從根本上解決問題；②配置制冷除濕機組對進入車間的空氣進行除濕，但因運行成本太高而鮮有應用。

1 改造背景

近年來，隨著中國-阿拉伯化肥有限公司(以下簡稱中-阿公司)生產的產品品種增加，轉產頻繁，工藝車間、散裝庫的地面濕滑問題越發突出，夏季特別嚴重。當硝基復合肥與尿基復合肥生產進行切換時，2種粉塵混合，臨界相對濕度大幅降低，導致車間地面嚴重吸潮，泥濘不堪，不僅增加了日常清理難度和勞動強度，也帶來了較大的安全隱患，而且處在底樓的很多設備長期受電化學腐蝕，地腳螺栓、設備接地裝置等損壞情況日趨嚴重。

在原設計中，工藝車間采用傳統的換熱器對車間空氣進行加熱除濕，外界空氣經換熱器被高溫蒸汽加熱后，靠風機經由專用風道輸送至車間各處。在實際運行過程中，此加熱除濕方式始終存在以下缺點：熱風僅能對空氣進行加熱，往往空氣是熱的，但地面溫度仍低于露點，地面潮濕狀態依舊；蒸汽消耗量大，換熱溫差小，蒸汽利用率低，電耗高；受空間和設備的限制，加熱點分布不均，盲點多，除濕效果差；70～80 ℃的熱風從風口吹出后，熱量集中于風口下方，易造成人員受傷，并造成靠近風口的設備、電機局部過熱而跳停。

2 改造思路與試驗

2.1 改造思路

改造的關鍵是提高地面溫度，為此提出車間地面加熱方案，熱源為排放的車間冷凝水余熱。

工藝車間夏季蒸汽耗量為4～5 t/h，產生90～100 ℃的冷凝水約2.5 t/h。據計算，熱水溫度由100 ℃降至50 ℃時，釋放熱量200 kJ/kg?；诖?，通過對車間除濕系統的調研和地面熱量分析，提出采用地暖管加熱技術對車間地面進行除濕改造。

2.2 地暖技術在車間應用存在的問題

地暖技術一般用于家庭，在工業上鮮有應用案例。家庭地面與車間地面最大的不同就是承重，車間地面經常會有清理鏟車、檢修車輛作業，最大承重為20 t/m2，這就需要對地面結構進行加厚處理，而加厚處理勢必會影響地暖管的散熱效果。另外，不同地暖管材的耐受溫度不同，車間冷凝水溫度高，普通的聚乙烯管(PE管)難以滿足要求。

2.3 小試

首先選取一塊面積為16 m2的場地模擬車間環境進行小試。小試中選取的盤管間距分別為200 mm和300 mm，埋設深度分別為120、150和200 mm，同時考慮到車間地面行車問題，取消了普通住宅地盤管施工中的苯板隔熱層，采用管道直埋方式施工；試驗混凝土地面厚度分別為120、150和200 mm，進行碾壓試驗；管道材質分別選用住宅地盤管的PE管、聚丁烯管(PB管)和鋁塑復合管進行耐溫試驗。

小試中，對地面進行了20 t鏟車碾壓試驗，地面穩定無裂紋，據此推斷200 mm厚的鋼筋混凝土車間地面完全能滿足重車行駛要求。對試驗地面進行了淋水試驗，地面加熱后可在2 h內干燥，且可保持長時間干燥的效果。對試驗地面進行了吸濕粉塵干燥試驗，地面加熱后可在4 h內獲得干燥效果，吸濕的粉塵整體失去水分而硬化，且可長時間保持干燥效果，干燥后的粉塵泥清理十分方便，勞動強度低，效率高。對地盤管進行了溫度測試，鋁塑復合管在120 ℃下依然保持較高的硬度。

2.4 中試

在小試成功的基礎上，又開展了車間中試。在工藝車間選取60 m2的地面進行了翻新改造，埋設了地盤管，同時完善了冷凝水減壓、供水過濾、盤管分支、疏水等設備設施。經過3個月的對比，改造后的車間地表溫度達到40 ℃左右，鋪設有地盤管的地面明顯區別于周圍未鋪設地盤管的地面，能長時間保持地面干燥，撒落在地面的粉塵清理工作十分輕松。

3 設計[1]

主要設計內容包括地面采暖系統圖、地盤管鋪設分區圖、地盤管平面圖、室外機組選型及管道布置圖等。

由于車間地暖沒有設計先例，需根據車間熱源(冷凝水余熱)、車間使用環境的具體情況進行針對性的非標設計，主要體現在地暖管材質選擇、分水器材質選擇、閉路循環地暖水加熱系統、承重地面結構施工方法、換熱器配置與選型、車間沖洗地面需求等，最終要滿足以下要求：地暖管可在60 ℃下長期使用；車間地面可承載清理鏟車和維修叉車的荷載20 t/m2；地面保持干燥，粉塵易于清理；車間冷凝水余熱實現再利用，有節能效益。

3.1 設計要點

(1)設計數據：根據前期試驗數據，地面加熱至40 ℃可以有效減少車間地面粉塵潮解、泥濘現象；供回水溫度為60～70 ℃，主要考慮管材耐受溫度，可保持長期使用；冬季廠房內溫度為-9.6 ℃，夏季為20.0 ℃；鋼筋混凝土導熱系數為1.54 W/(m·K)，空氣傳熱系數5 W/(m·K)；地面車輛荷載處的鋼筋混凝土地面所需厚度δ=200 mm，其他區域的鋼筋混凝土地面所需厚度δ=180 mm；回水溫差應小于10 ℃，系統工作壓力不宜超過0.8 MPa。

(2)熱源：車間生產過程中產生的90～100 ℃冷凝水經1臺板式換熱器換熱后，60～70 ℃的低溫熱水用于地盤管加熱系統。

(3)熱量計算：地面加熱至40 ℃共需熱量218.4 kW，折算成冷凝水需要4.16 t/h；按車間產水量3 t/h計，還需補充0.4 MPa蒸汽99 kg/h。

(4)分區設計：分承重區與非承重區，承重區考慮加厚處理，并在填充層內加設鋼筋；非承重區按一般處理；承重區與非承重區視面積再分為若干個小區，每個小區面積兼顧每個環路加熱管長度控制在60～80 m，最長不應超過100 m。

(5)地面沖洗設計：為方便車間沖洗地面粉塵，設排水渠并有一定傾角，便于沖洗水流向洗滌系統。

(6)地面施工方法：先將原有地面鑿毛，鋪設20 mm厚發泡水泥(地面采暖設置YX泡沫混凝土保溫層，其目的是防止和減少熱量向地下散失，提高熱利用率)，然后依次鋪設30 mm厚細石混凝土、地暖管，再鋪設150 mm厚鋼筋混凝土填充層用于保護地暖管并使地面溫度均勻；鋼筋混凝土填充層一般采用豆石混凝土，石子粒徑不應超過10 mm，水泥砂漿體積比不小于1∶3，混凝土強度等級不低于C15；填充層厚度應符合設計要求，平整度不大于3 mm；施工時隨打隨平。

(7)由于車間冷凝水中曾出現混入有害介質的現象，這是工藝車間冷凝水不向原水汽車間回收的原因之一，這種狀況一旦發生會對冷凝水管網造成嚴重的腐蝕，因此在設計上考慮讓地暖水不與冷凝水混合，而是一個閉路循環系統，冷凝水進入換熱器將熱量傳給地暖水后排放。整個閉路循環地暖水加熱系統組成如下：①地暖管管材選用在75 ℃下可長期使用的交聯聚乙烯鋁塑復合管，規格Φ20.0 mm×2.3 mm，地面下不設接頭；干管采用碳鋼材質，在進車間前設過濾器；分水器采用不銹鋼材質(車間內的氨介質對銅有腐蝕作用)，在每個分水器進水處設過濾器，進、回水均設置排氣閥；板式換熱器用于冷凝水換熱；列管式換熱器用于汽水換熱；設置自動補水系統和膨脹水箱；自控系統與儀表采用自力式溫控閥；在回水管線上設置1臺除污器，通過反沖洗及時進行排污。

3.2 設計計算

3.2.1 單位地面所需總供熱量

地面構造由上至下依次為100 mm厚鋼筋混凝土、50 mm厚細石混凝土(盤管敷設在此區域)、150 mm厚C20混凝土、300 mm厚基砂墊層、自然土壤。供回水平均溫度為65 ℃，室內溫度為30 ℃，室內地面溫度為40 ℃。

3.2.1.1 單位地面向上散熱量

(1)混凝土填充層等效厚度

混凝土填充層等效厚度a和b(圖1)按式(1)和式(2)計算：

圖1 混凝土填充層等效厚度a和b

a=h+d0/2

(1)

b=[a2+(S/2)2]0.5

(2)

式中：h——加熱管上部混凝土填充層厚度，取0.1 m；

d0——加熱管外徑，取0.025 m；

S——加熱管的管間距，取0.25 m；

計算得:a=0.112 5 m，b=0.168 m。

(2)地面傳熱系數

地面傳熱系數ku按式(3)計算：

(3)

式中：Ru——室內地面熱阻，取0.15 m2·K/W；

Ri——混凝土填充層以上各層材料熱阻的總和，m2·K/W；

λ——混凝土填充層導熱系數，W/(m·K)。

(3)單位地面向上散熱量qu

單位地面向上散熱量qu按式(4)計算：

(4)

式中：t1——回水溫度，取60 ℃；

t2——供水溫度，取70 ℃；

tr——室內溫度，取30 ℃。

通過式(1)～式(4)，計算得到單位地面向上散熱量qu為166.7 W/m2。

3.2.1.2 單位地面向下熱損失

(1)地面向下傳熱系數

地面向下傳熱系數Kd按式(5)計算：

(5)

式中：δp——加熱管壁厚，取0.002 3 m；

λp——加熱管導熱系數，取0.45 W/(m·K)；

δi——絕熱層厚度，因本工程未設置絕熱層，故取0；

λi——絕熱層導熱系數，W/(m·K)；

λ——土壤的導熱系數，取1.51 W/(m·K)。

計算得到Kd=1.28 W/(m2·K)

(2)單位地面向下熱損失

單位地面向下熱損失qd按式(6)計算：

(6)

式中：t——土壤溫度，取3 ℃。

由式(5)和式(6)，計算求得單位地面向下熱損失qd為79.4 W/m2。

3.2.1.3 單位地面所需的總供熱量

單位地面所需的總供熱量(1 m2盤管所需釋放的熱量)q總=qu+qd=246.1(W/m2)。

3.2.2 換熱設備選型計算

(1)地暖系統所需的總熱量

地暖敷設面積為1 050 m2，則地暖系統所需的總熱量Q=246.1×1 050=258.4(kW)。

(2)對數平均溫差

對數平均溫差Δtm按式(7)計算：

(7)

式中：T1——熱介質進口溫度，取105 ℃；

T2——熱介質出口溫度，取65 ℃；

計算得Δtm=15.4(℃)。

(3)所需換熱面積

所需換熱面積A按式(8)進行計算：

(8)

式中：K——換熱器的傳熱系數，取3 000 W/(m2·℃)。

經計算，A為7 m2。設計取安全系數為1.2，則實際換熱器的換熱面積為8.4 m2。為此，選取BR0.2型板式換熱器，板片數為51片，換熱面積為10.0 m2。

4 項目運營情況與評價

系統投運后，實測各參數如下：地盤管循環水溫度40～50 ℃；板式換熱器進水溫度取決于工藝冷凝水溫度，一般在90～100 ℃；板式換熱器進水壓力取決于工藝冷凝水壓力，在0.1～0.2 MPa；板式換熱器冷水(換熱后的工藝冷凝水)溫度30～40 ℃；板式換熱器進口循環水(回水)溫度20～40 ℃；膨脹水箱中水的溫度在20 ℃左右，伴熱和防凍盤管運行正常；板式換熱器、循環泵、膨脹水箱、儀表等設備無故障，運行正常，工藝參數基本達到設計要求；地面溫度受天氣狀況影響有所波動，一般在15～18 ℃，地面較干燥。

地面除濕效果：在陰雨天，工藝車間未鋪設地暖區域均呈潮濕、泥濘、打滑狀態，而鋪設地暖的區域地面干燥，地面除濕效果明顯。

5 項目效果和效益評價

5.1 環境效益評價

原濕滑、泥濘的地面變得干燥，粉塵、漏料的清理作業方便、安全，提高了工作效率。該項目的實施，降低了操作人員的勞動強度，也改善了底樓設備的運行環境。

系統設計了車間地面沖洗排水功能，設置了排水渠、排水口，室外設置了列管式蒸汽快速換熱器，一旦車間沖洗地面，就可開啟該換熱器對地面進行快速干燥。

5.2 技術評價

經測量，冬季車間地面溫度可加熱至15～18 ℃，比未加熱的地面溫度高出15～16 ℃，除濕效果明顯。板式換熱器進水溫度90～100 ℃，可將循環水加熱至40～50 ℃，換熱后30 ℃左右排放，換熱效率達到設計要求。項目實施后交付使用，經鏟車反復碾壓已1年，地面和底盤管均未出現異常情況。

5.3 效益評價

地暖除濕系統投用成功后，原熱風加熱器即可停用，僅按夏季6月至8月運行3個月計算，停運熱風加熱器可節電1 100 000 kW·h，折合費用81.0萬元，折標煤135 t；節約蒸汽1 486 t，折合費用29.7萬元，折標煤133 t；回收冷凝水余熱折合費用4.0萬元，折標煤46 t。以上合計，節能折標煤314 t，創造經濟效益114.7萬元。

6 結語

地暖除濕系統利用車間冷凝水余熱，通過對地暖管技術進行針對性改進，應用于車間地面加熱，地面除濕效果明顯，解決了長期困擾生產的地面濕滑難題，既回收冷凝水熱量，又改善了車間環境，實現了節能與環保的雙重目的。該項目的成功投用，開創了工藝余熱解決地面潮濕的先例，在同行業乃至其他工業領域類似工況中具有廣闊的應用前景。