Design and Application of Underfloor Heating Dehumidification System of Compound Fertilizer Process Shop
Abstract：
In order to solve long-term problem of wet and slippery of compound fertilizer process shop floor, a special underfloor heating dehumidification system is designed, which uses waste heat of process condensate to heat shop floor, and in connection with actual conditions such as heavy load bearing of ground and higher temperature of thermal source, targeted design is taken. After the system is successfully put into operation, not only the problem of wet and slippery of floor is solved and the safety risks are eliminated, but also a certain degree of energy efficiency has been achieved.
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。
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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。
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。
2018年6月 周剑波：复合肥工艺车间地暖除湿系统设计与应用 (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Φ 20.0 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
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：
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：
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：
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：
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：
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：
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。
沪公网安备 31010702007066号