污水源熱泵與工藝廢熱回收協(xié)同化設(shè)計

李澤峰

中國成達(dá)工程有限公司　成都　610041

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污水源熱泵與工藝廢熱回收協(xié)同化設(shè)計

李澤峰*

中國成達(dá)工程有限公司成都610041

石油化工行業(yè)是我國的能耗大戶，也是污染大戶。目前我國工業(yè)能源利用率低下，存在大量的能源浪費甚至冷熱抵消現(xiàn)象。以實際工程為例，從工程自身的熱量需求情況出發(fā)，借助熱泵技術(shù)，應(yīng)用給排水、暖通協(xié)同化設(shè)計的方法，實現(xiàn)對余熱的梯級綜合利用。

石油化工污水源熱泵工藝余熱工藝廢熱協(xié)同設(shè)計

石油及化工行業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，保持著平穩(wěn)、快速的增長。但是隨著國家結(jié)構(gòu)升級步伐加快以及對企業(yè)污染排放的標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格，作為能耗及污染物排放大戶的石油及化工行業(yè)必須積極向節(jié)能減排的方向發(fā)展。因此開發(fā)清潔能源技術(shù)、深挖節(jié)能潛力是行業(yè)的趨勢。

根據(jù)石油及化工企業(yè)內(nèi)的冷熱量供求關(guān)系，在生產(chǎn)和生活過程中總是存在著需熱與釋熱、需冷與釋冷的矛盾，造成了大量的冷熱抵消能量消耗。究其原因，主要是由于廢熱(冷)品位低，無法被直接使用。對石油化工廠的污水和工藝廢熱進(jìn)行利用，一定程度上能緩解水資源缺乏問題；利用熱泵技術(shù)開發(fā)工廠污水和工藝廢熱中所蘊(yùn)含的低品位能源，為生產(chǎn)提供部分清潔能源，節(jié)能效果明顯，對于節(jié)能減排改善環(huán)境，具有一定作用。本文針對某多晶硅項目，借助熱泵技術(shù)，應(yīng)用給排水、暖通協(xié)同化設(shè)計的方法，探討回收污水以及工藝廢熱中的低品位熱能的設(shè)計方案。

1　石油化工企業(yè)污水及工藝廢熱

1.1污水

石油及化工行業(yè)根據(jù)污水性質(zhì)的區(qū)分，排水系統(tǒng)分為四個系統(tǒng)：生活污水系統(tǒng)、生產(chǎn)廢水系統(tǒng)、雨水和清凈下水系統(tǒng)以及污染消防水系統(tǒng)。廠區(qū)生活污水來源于廠房、辦公樓的衛(wèi)生間，間斷排水，經(jīng)各裝置內(nèi)的化糞池初步處理后，送入園區(qū)污水處理廠；生產(chǎn)廢水主要來自裝置區(qū)，連同回用水裝置排水，進(jìn)入工藝廢料處理單元；雨水系統(tǒng)分為初期污染雨水和后期清凈雨水。后期清凈雨水經(jīng)地面雨水的收集采用雨水口、雨水支管和雨水干管，匯集后以重力流的方式各自就近排至廠外開發(fā)區(qū)雨水系統(tǒng)。裝置區(qū)的初期污染雨水在裝置區(qū)內(nèi)收集，緩慢地排入生產(chǎn)廢水系統(tǒng)，后期清凈雨水切換到本系統(tǒng)，最終排入雨水系統(tǒng)；消防后的水經(jīng)全廠雨水系統(tǒng)送入消防廢水收集池儲存。

由于雨水和清凈下水系統(tǒng)以及污染消防水系統(tǒng)排放極其不穩(wěn)定，因此污水熱回收僅對生活污水系統(tǒng)及生產(chǎn)廢水系統(tǒng)進(jìn)行。

1.2工藝廢熱

工業(yè)余熱及廢熱主要由尾氣余熱、化學(xué)反應(yīng)熱、生產(chǎn)廢汽廢水余熱、冷卻余熱等組成。利用余熱及廢熱時必須從經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性出發(fā)，與工藝生產(chǎn)的特點緊密結(jié)合，便于能量的綜合利用[1]。其中尾氣余熱及化學(xué)反應(yīng)熱隨著生產(chǎn)負(fù)荷及階段的不同變化很大，且企業(yè)均對該部分高品位能有所回收和利用，因此開發(fā)潛力不大。

生產(chǎn)廢汽廢水余熱、冷卻余熱品位低，目前行業(yè)內(nèi)未對該部分能源進(jìn)行利用。特別是冷卻余熱，不但不能提供能量，還需要額外消耗大量高品位電能設(shè)置獨立的的循環(huán)水系統(tǒng)釋放其余熱。因此針對冷卻余熱的熱回收方案，不但可節(jié)省熱能，降低循環(huán)泵的電能消耗，同時對于缺水地區(qū)也可大幅減少循環(huán)水在冷卻塔中的蒸發(fā)消耗。

所謂污水源熱泵就是利用熱力學(xué)第二定律，借助消耗少量電能，利用熱泵壓縮機(jī)系統(tǒng)吸收石油化工企業(yè)工藝廢熱中的低品位熱能。冬季 “提取” 低位熱能，為用戶供熱；夏季 “提出” 室內(nèi)的熱量，降低室溫。

2　工程概括

2.1廠區(qū)規(guī)模及采暖空調(diào)需求

項目為某3×12kt/a多晶硅項目，擬建于烏魯木齊市。項目包括生產(chǎn)裝置區(qū)(多晶硅裝置、2×350MW熱電聯(lián)產(chǎn)自備電站)、公用工程輔助區(qū)(循環(huán)水站、脫鹽水及超純水站、生產(chǎn)消防水收集、污水處理站、220KV總變、主控樓、空分空壓制氮站、冷凍站)、倉庫區(qū)(硅粉庫、化學(xué)品庫、綜合倉庫、維修廠房、固體廢物堆場)以及預(yù)留用地，總占地面積145.2ha。

由于石化企業(yè)多數(shù)廠房存在有害氣體，室內(nèi)空氣不允許循環(huán)使用，導(dǎo)致廠區(qū)的采暖及空調(diào)的能耗指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通民用建筑。本項目冬季采暖面積83260m2，采暖設(shè)計負(fù)荷22480kW，采暖期158天；夏季空調(diào)面積51931m2，空調(diào)設(shè)計負(fù)荷15060kW。根據(jù)參考文獻(xiàn)2、3的要求，各廠房及辦公用房各自應(yīng)滿足規(guī)范要求。

2.2廠區(qū)污水排放及循環(huán)水水量

本項目生活污水排水量約為15～120m3/h，排放量不穩(wěn)定；生產(chǎn)廢水排水量為約180m3/h，排放量較穩(wěn)定；清凈下水系統(tǒng)排水量為約424m3/h，排放量較穩(wěn)定。生產(chǎn)和生活污水分別進(jìn)入污水處理廠，針對污水性質(zhì)分別處理。本項目利用污水處理廠經(jīng)過處理后的出水作為污水源熱泵低品位端，根據(jù)工藝條件夏季出水溫度小于30℃，冬季在8～13℃。

循環(huán)水系統(tǒng)主要由循環(huán)水站和管網(wǎng)等組成。單系列多晶硅及冷氫化裝置設(shè)置獨立的循環(huán)水系統(tǒng)。循環(huán)水水量為3×35000m3/h+3×5000m3/h，循環(huán)水給水溫度28℃，回水溫度38℃。循環(huán)水泵房設(shè)有水泵吸水池一座，吸水池尺寸為40m×5m，池頂面標(biāo)高3.5m，池底標(biāo)高-2.50m。

3　污水源熱泵與工藝廢熱回收協(xié)同化設(shè)計方案

3.1協(xié)同化設(shè)計

污水源熱泵系統(tǒng)流程見圖1。

污水源熱泵系統(tǒng)根據(jù)污水是否直接進(jìn)熱泵機(jī)組內(nèi)部進(jìn)行換熱，分為間接式和直接式利用系統(tǒng)。污水源熱泵系統(tǒng)由通過水源水管路和冷熱水管路的水源系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)、末端系統(tǒng)等部分相連接組成。由于與其他熱源相比，污水源熱泵的技術(shù)關(guān)鍵和難點在于防堵塞、防污染與防腐蝕。因本文利用的為腐蝕性較強(qiáng)的工業(yè)污水，故采用間接式污水源熱泵系統(tǒng)。

圖1　污水源熱泵系統(tǒng)流程

石油化工企業(yè)具有大量的余熱、廢熱供使用，適合使用水源熱泵空調(diào)來為廠區(qū)供冷和供熱。為了優(yōu)先利用工藝?yán)鋮s循環(huán)水余熱，降低循環(huán)水系統(tǒng)能耗及淡水蒸發(fā)損耗，本工程污水源熱泵系統(tǒng)第一級換熱器設(shè)在循環(huán)水泵房水泵吸水池中，第二級換熱器設(shè)在污水廠凈水池中。采暖期，直接利用循環(huán)水及生產(chǎn)、生活污水為廠區(qū)供熱。

空調(diào)季，為了保證工藝生產(chǎn)，關(guān)閉第一級換熱器，利用第二級換熱器提取冷量，對廠區(qū)內(nèi)空調(diào)區(qū)域供冷。為了與供熱溫度較低的熱泵系統(tǒng)相匹配，公寓及辦公區(qū)采用風(fēng)機(jī)盤管，廠房采用熱風(fēng)采暖。該方案充分利用了工藝余熱、廢熱，節(jié)省循環(huán)水系統(tǒng)能耗及水資源；同時減少了污水處理過程中地下水的用量。

由于國家工業(yè)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，石油化工企業(yè)大量向新疆、內(nèi)蒙等西北地區(qū)轉(zhuǎn)移，該地區(qū)位于嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)，因此該地區(qū)的石油化工企業(yè)冬季采暖負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于夏季空調(diào)負(fù)荷。本工程采暖設(shè)計負(fù)荷22480kW，夏季空設(shè)計負(fù)荷15060kW?？紤]到以后的發(fā)展，選用4臺離心式水源熱泵機(jī)組，單臺額定制冷量為3850kW，進(jìn)出水溫度為7～12℃；考慮冬季極端溫度下水溫過低，以及非標(biāo)準(zhǔn)工況下的補(bǔ)償，單臺額定制熱量為6680kW，進(jìn)出水溫度為45～50℃。

3.2運行方案優(yōu)化

冬季采暖工況運行時，閥門V1、V3、V5、V7、V8、V11關(guān)閉，其余閥門開啟。熱泵先從工藝循環(huán)水取熱，不足熱量再從污水中獲得；夏季空調(diào)工況運行時，閥門V1、V3、V5、V7、V8、

V11開啟，其余閥門關(guān)閉。熱泵將廠區(qū)建筑中的熱量釋放到污水中，夏季不足冷量從作為污水混合水的地下水中獲得。由于石油化工企業(yè)污水的腐蝕性較強(qiáng)，因此污水池中的換熱設(shè)備及管道均采用適合此防腐條件的不銹鋼制作，并適當(dāng)放大散熱面積及管徑。

3.3經(jīng)濟(jì)性分析

本工程如采用傳統(tǒng)蒸汽換熱后熱水采暖，根據(jù)經(jīng)驗計算冬季采暖蒸汽耗量約為94t/h， 158天采暖的費用約為2152萬元；夏季空調(diào)采用分體空調(diào)方案，82天空調(diào)期的費用約為670萬元；全年采暖空調(diào)運行費用約為2822萬元。

采用本方案，系統(tǒng)運行費用主要為電費支出，158天采暖的費用597萬元；82天空調(diào)期的費用約為160萬元；全年采暖空調(diào)運行費用約為757萬元。相對于傳統(tǒng)方案年節(jié)約2065萬元。如考慮采用節(jié)能技術(shù)后的國家佳能補(bǔ)貼，全年的運行費用還將更低。因不使用蒸汽換熱，冬季采暖既節(jié)能又環(huán)保。

本改造方案增加或更換設(shè)備：需將熱源由蒸汽-水換熱機(jī)組改為污水源熱泵；增加低品位端換熱水泵組及相應(yīng)管網(wǎng)；增加循環(huán)水池及污水池中的換熱部件；將末端由散熱器更換為風(fēng)機(jī)盤管等。

需要增加投資約5372萬元。如考慮靜態(tài)回收期，則增加的設(shè)備投資只需要2.6年即可收回。

4　結(jié)語

如何節(jié)約并提高能源的利用率是“十一五”規(guī)劃中重點強(qiáng)調(diào)的基本國策，將整個石油化工廠區(qū)，所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)綜合考慮采用熱泵技術(shù)協(xié)同化設(shè)計，充分利用了污水和工藝廢熱中的低品位熱能，減少一次能源的消耗，最終對余熱實現(xiàn)的梯級綜合利用是解決此問題的方向；同時節(jié)能和環(huán)保效果明顯，是實現(xiàn)污水資源化和工藝廢熱高效利用的有效途徑。

1鄧元媛,周吉日,姚寧,等. 工業(yè)企業(yè)余熱和廢熱利用研究[J].建筑節(jié)能,2013(9):21-23.

2GB50736-2012. 民用建筑采暖通風(fēng)設(shè)計規(guī)范[S]. 北京:中國建筑出版社，2012.

3GB50019-2015. 工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范[S]. 北京:中國建筑出版社，2015.

4劉志斌.原生污水熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工程應(yīng)用與設(shè)計研究[J].可再生能源，2006，(3).

5連鴻昌,劉昌茂.工業(yè)廢熱水源熱泵在太重氣體公司的應(yīng)用[J].山西能源與節(jié)能,2009,54(3):30-32.

*李澤峰：高級工程師。1997年畢業(yè)于西北建筑工程學(xué)院環(huán)境工程系供熱通風(fēng)與空調(diào)工程專業(yè)。長期從事石油化工項目的暖通空調(diào)設(shè)計和專業(yè)管理工作。聯(lián)系電話：(028)65531846，E-mail：Lizefeng@chengda.com。

2016-04-06)