复合肥工艺车间地暖除湿系统设计与应用

周剑波

(中国-阿拉伯化肥有限公司 河北秦皇岛 066003)

在复合肥加工和散装储运过程中，不可避免地会产生各类粉尘和漏料，这些物料一般为各种原料，如尿素、硝铵磷、磷酸一铵、氯化钾或硫酸钾的混合物。当这些物料掉落至车间地面时，由于温度降低而快速吸潮，导致车间地面泥泞、湿滑，不仅给作业带来困难，还导致了设备的电化学腐蚀，尤其是在夏季，尿基复合肥和硝基复合肥生产频繁切换的车间，问题最为明显。

目前，行业中空间除湿方法主要有2种：①加热车间空气，保持粉尘温度在露点以下，但结果往往是车间温度得到了提高，而地面温度仍然较低，无法从根本上解决问题；②配置制冷除湿机组对进入车间的空气进行除湿，但因运行成本太高而鲜有应用。

1 改造背景

近年来，随着中国-阿拉伯化肥有限公司(以下简称中-阿公司)生产的产品品种增加，转产频繁，工艺车间、散装库的地面湿滑问题越发突出，夏季特别严重。当硝基复合肥与尿基复合肥生产进行切换时，2种粉尘混合，临界相对湿度大幅降低，导致车间地面严重吸潮，泥泞不堪，不仅增加了日常清理难度和劳动强度，也带来了较大的安全隐患，而且处在底楼的很多设备长期受电化学腐蚀，地脚螺栓、设备接地装置等损坏情况日趋严重。

在原设计中，工艺车间采用传统的换热器对车间空气进行加热除湿，外界空气经换热器被高温蒸汽加热后，靠风机经由专用风道输送至车间各处。在实际运行过程中，此加热除湿方式始终存在以下缺点：热风仅能对空气进行加热，往往空气是热的，但地面温度仍低于露点，地面潮湿状态依旧；蒸汽消耗量大，换热温差小，蒸汽利用率低，电耗高；受空间和设备的限制，加热点分布不均，盲点多，除湿效果差；70～80 ℃的热风从风口吹出后，热量集中于风口下方，易造成人员受伤，并造成靠近风口的设备、电机局部过热而跳停。

2 改造思路与试验

2.1 改造思路

改造的关键是提高地面温度，为此提出车间地面加热方案，热源为排放的车间冷凝水余热。

工艺车间夏季蒸汽耗量为4～5 t/h，产生90～100 ℃的冷凝水约2.5 t/h。据计算，热水温度由100 ℃降至50 ℃时，释放热量200 kJ/kg。基于此，通过对车间除湿系统的调研和地面热量分析，提出采用地暖管加热技术对车间地面进行除湿改造。

2.2 地暖技术在车间应用存在的问题

地暖技术一般用于家庭，在工业上鲜有应用案例。家庭地面与车间地面最大的不同就是承重，车间地面经常会有清理铲车、检修车辆作业，最大承重为20 t/m2，这就需要对地面结构进行加厚处理，而加厚处理势必会影响地暖管的散热效果。另外，不同地暖管材的耐受温度不同，车间冷凝水温度高，普通的聚乙烯管(PE管)难以满足要求。

2.3 小试

首先选取一块面积为16 m2的场地模拟车间环境进行小试。小试中选取的盘管间距分别为200 mm和300 mm，埋设深度分别为120、150和200 mm，同时考虑到车间地面行车问题，取消了普通住宅地盘管施工中的苯板隔热层，采用管道直埋方式施工；试验混凝土地面厚度分别为120、150和200 mm，进行碾压试验；管道材质分别选用住宅地盘管的PE管、聚丁烯管(PB管)和铝塑复合管进行耐温试验。

小试中，对地面进行了20 t铲车碾压试验，地面稳定无裂纹，据此推断200 mm厚的钢筋混凝土车间地面完全能满足重车行驶要求。对试验地面进行了淋水试验，地面加热后可在2 h内干燥，且可保持长时间干燥的效果。对试验地面进行了吸湿粉尘干燥试验，地面加热后可在4 h内获得干燥效果，吸湿的粉尘整体失去水分而硬化，且可长时间保持干燥效果，干燥后的粉尘泥清理十分方便，劳动强度低，效率高。对地盘管进行了温度测试，铝塑复合管在120 ℃下依然保持较高的硬度。

2.4 中试

在小试成功的基础上，又开展了车间中试。在工艺车间选取60 m2的地面进行了翻新改造，埋设了地盘管，同时完善了冷凝水减压、供水过滤、盘管分支、疏水等设备设施。经过3个月的对比，改造后的车间地表温度达到40 ℃左右，铺设有地盘管的地面明显区别于周围未铺设地盘管的地面，能长时间保持地面干燥，撒落在地面的粉尘清理工作十分轻松。

3 设计[1]

主要设计内容包括地面采暖系统图、地盘管铺设分区图、地盘管平面图、室外机组选型及管道布置图等。

由于车间地暖没有设计先例，需根据车间热源(冷凝水余热)、车间使用环境的具体情况进行针对性的非标设计，主要体现在地暖管材质选择、分水器材质选择、闭路循环地暖水加热系统、承重地面结构施工方法、换热器配置与选型、车间冲洗地面需求等，最终要满足以下要求：地暖管可在60 ℃下长期使用；车间地面可承载清理铲车和维修叉车的荷载20 t/m2；地面保持干燥，粉尘易于清理；车间冷凝水余热实现再利用，有节能效益。

3.1 设计要点

(1)设计数据：根据前期试验数据，地面加热至40 ℃可以有效减少车间地面粉尘潮解、泥泞现象；供回水温度为60～70 ℃，主要考虑管材耐受温度，可保持长期使用；冬季厂房内温度为-9.6 ℃，夏季为20.0 ℃；钢筋混凝土导热系数为1.54 W/(m·K)，空气传热系数5 W/(m·K)；地面车辆荷载处的钢筋混凝土地面所需厚度δ=200 mm，其他区域的钢筋混凝土地面所需厚度δ=180 mm；回水温差应小于10 ℃，系统工作压力不宜超过0.8 MPa。

(2)热源：车间生产过程中产生的90～100 ℃冷凝水经1台板式换热器换热后，60～70 ℃的低温热水用于地盘管加热系统。

(3)热量计算：地面加热至40 ℃共需热量218.4 kW，折算成冷凝水需要4.16 t/h；按车间产水量3 t/h计，还需补充0.4 MPa蒸汽99 kg/h。

(4)分区设计：分承重区与非承重区，承重区考虑加厚处理，并在填充层内加设钢筋；非承重区按一般处理；承重区与非承重区视面积再分为若干个小区，每个小区面积兼顾每个环路加热管长度控制在60～80 m，最长不应超过100 m。

(5)地面冲洗设计：为方便车间冲洗地面粉尘，设排水渠并有一定倾角，便于冲洗水流向洗涤系统。

(6)地面施工方法：先将原有地面凿毛，铺设20 mm厚发泡水泥(地面采暖设置YX泡沫混凝土保温层，其目的是防止和减少热量向地下散失，提高热利用率)，然后依次铺设30 mm厚细石混凝土、地暖管，再铺设150 mm厚钢筋混凝土填充层用于保护地暖管并使地面温度均匀；钢筋混凝土填充层一般采用豆石混凝土，石子粒径不应超过10 mm，水泥砂浆体积比不小于1∶3，混凝土强度等级不低于C15；填充层厚度应符合设计要求，平整度不大于3 mm；施工时随打随平。

(7)由于车间冷凝水中曾出现混入有害介质的现象，这是工艺车间冷凝水不向原水汽车间回收的原因之一，这种状况一旦发生会对冷凝水管网造成严重的腐蚀，因此在设计上考虑让地暖水不与冷凝水混合，而是一个闭路循环系统，冷凝水进入换热器将热量传给地暖水后排放。整个闭路循环地暖水加热系统组成如下：①地暖管管材选用在75 ℃下可长期使用的交联聚乙烯铝塑复合管，规格Φ20.0 mm×2.3 mm，地面下不设接头；干管采用碳钢材质，在进车间前设过滤器；分水器采用不锈钢材质(车间内的氨介质对铜有腐蚀作用)，在每个分水器进水处设过滤器，进、回水均设置排气阀；板式换热器用于冷凝水换热；列管式换热器用于汽水换热；设置自动补水系统和膨胀水箱；自控系统与仪表采用自力式温控阀；在回水管线上设置1台除污器，通过反冲洗及时进行排污。

3.2 设计计算

3.2.1 单位地面所需总供热量

地面构造由上至下依次为100 mm厚钢筋混凝土、50 mm厚细石混凝土(盘管敷设在此区域)、150 mm厚C20混凝土、300 mm厚基砂垫层、自然土壤。供回水平均温度为65 ℃，室内温度为30 ℃，室内地面温度为40 ℃。

3.2.1.1 单位地面向上散热量

(1)混凝土填充层等效厚度

混凝土填充层等效厚度a和b(图1)按式(1)和式(2)计算：

图1 混凝土填充层等效厚度a和b

a=h+d0/2

(1)

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

(2)

式中：h——加热管上部混凝土填充层厚度，取0.1 m；

d0——加热管外径，取0.025 m；

S——加热管的管间距，取0.25 m；

计算得:a=0.112 5 m，b=0.168 m。

(2)地面传热系数

地面传热系数ku按式(3)计算：

(3)

式中：Ru——室内地面热阻，取0.15 m2·K/W；

Ri——混凝土填充层以上各层材料热阻的总和，m2·K/W；

λ——混凝土填充层导热系数，W/(m·K)。

(3)单位地面向上散热量qu

单位地面向上散热量qu按式(4)计算：

(4)

式中：t1——回水温度，取60 ℃；

t2——供水温度，取70 ℃；

tr——室内温度，取30 ℃。

通过式(1)～式(4)，计算得到单位地面向上散热量qu为166.7 W/m2。

3.2.1.2 单位地面向下热损失

(1)地面向下传热系数

地面向下传热系数Kd按式(5)计算：

(5)

式中：δp——加热管壁厚，取0.002 3 m；

λp——加热管导热系数，取0.45 W/(m·K)；

δi——绝热层厚度，因本工程未设置绝热层，故取0；

λi——绝热层导热系数，W/(m·K)；

λ——土壤的导热系数，取1.51 W/(m·K)。

计算得到Kd=1.28 W/(m2·K)

(2)单位地面向下热损失

单位地面向下热损失qd按式(6)计算：

(6)

式中：t——土壤温度，取3 ℃。

由式(5)和式(6)，计算求得单位地面向下热损失qd为79.4 W/m2。

3.2.1.3 单位地面所需的总供热量

单位地面所需的总供热量(1 m2盘管所需释放的热量)q总=qu+qd=246.1(W/m2)。

3.2.2 换热设备选型计算

(1)地暖系统所需的总热量

地暖敷设面积为1 050 m2，则地暖系统所需的总热量Q=246.1×1 050=258.4(kW)。

(2)对数平均温差

对数平均温差Δtm按式(7)计算：

(7)

式中：T1——热介质进口温度，取105 ℃；

T2——热介质出口温度，取65 ℃；

计算得Δtm=15.4(℃)。

(3)所需换热面积

所需换热面积A按式(8)进行计算：

(8)

式中：K——换热器的传热系数，取3 000 W/(m2·℃)。

经计算，A为7 m2。设计取安全系数为1.2，则实际换热器的换热面积为8.4 m2。为此，选取BR0.2型板式换热器，板片数为51片，换热面积为10.0 m2。

4 项目运营情况与评价

系统投运后，实测各参数如下：地盘管循环水温度40～50 ℃；板式换热器进水温度取决于工艺冷凝水温度，一般在90～100 ℃；板式换热器进水压力取决于工艺冷凝水压力，在0.1～0.2 MPa；板式换热器冷水(换热后的工艺冷凝水)温度30～40 ℃；板式换热器进口循环水(回水)温度20～40 ℃；膨胀水箱中水的温度在20 ℃左右，伴热和防冻盘管运行正常；板式换热器、循环泵、膨胀水箱、仪表等设备无故障，运行正常，工艺参数基本达到设计要求；地面温度受天气状况影响有所波动，一般在15～18 ℃，地面较干燥。

地面除湿效果：在阴雨天，工艺车间未铺设地暖区域均呈潮湿、泥泞、打滑状态，而铺设地暖的区域地面干燥，地面除湿效果明显。

5 项目效果和效益评价

5.1 环境效益评价

原湿滑、泥泞的地面变得干燥，粉尘、漏料的清理作业方便、安全，提高了工作效率。该项目的实施，降低了操作人员的劳动强度，也改善了底楼设备的运行环境。

系统设计了车间地面冲洗排水功能，设置了排水渠、排水口，室外设置了列管式蒸汽快速换热器，一旦车间冲洗地面，就可开启该换热器对地面进行快速干燥。

5.2 技术评价

经测量，冬季车间地面温度可加热至15～18 ℃，比未加热的地面温度高出15～16 ℃，除湿效果明显。板式换热器进水温度90～100 ℃，可将循环水加热至40～50 ℃，换热后30 ℃左右排放，换热效率达到设计要求。项目实施后交付使用，经铲车反复碾压已1年，地面和底盘管均未出现异常情况。

5.3 效益评价

地暖除湿系统投用成功后，原热风加热器即可停用，仅按夏季6月至8月运行3个月计算，停运热风加热器可节电1 100 000 kW·h，折合费用81.0万元，折标煤135 t；节约蒸汽1 486 t，折合费用29.7万元，折标煤133 t；回收冷凝水余热折合费用4.0万元，折标煤46 t。以上合计，节能折标煤314 t，创造经济效益114.7万元。

6 结语

地暖除湿系统利用车间冷凝水余热，通过对地暖管技术进行针对性改进，应用于车间地面加热，地面除湿效果明显，解决了长期困扰生产的地面湿滑难题，既回收冷凝水热量，又改善了车间环境，实现了节能与环保的双重目的。该项目的成功投用，开创了工艺余热解决地面潮湿的先例，在同行业乃至其他工业领域类似工况中具有广阔的应用前景。