低溫工業(yè)余熱綜合利用

余龍清 馬 鋒 胡學(xué)偉

（天津市聯(lián)合泰澤環(huán)境科技發(fā)展有限公司 天津 300000）

1 引言

我國的年能源消費總量隨著經(jīng)濟的發(fā)展越來越多。2016年我國為世界第一大能源消費國，占全球消費量的23%[1]。2016年我國全年能源消費總量43.6億噸標準煤，水電、風(fēng)電、核電等清潔能源消費量占19.7%，以煤炭、石油為主的化石能源消費量占80.3%[2]。

其中，工業(yè)能耗占我國總能耗的70%以上，其中至少50%轉(zhuǎn)化為載體不同、溫度不同的工業(yè)余熱，而目前我國工業(yè)余熱回收率僅約30%，其余以廢熱形式排放到大氣或水體中，能源利用效率偏低[3]。因此，根據(jù)我國工業(yè)余熱的利用情況，應(yīng)發(fā)展余熱綜合利用技術(shù)、設(shè)備，提高工業(yè)余熱回收率，進一步強化節(jié)能降耗措施，制定積極的節(jié)能降耗定量目標，大力開展工業(yè)余熱綜合利用的基礎(chǔ)研究和工業(yè)實踐，對推動我國節(jié)能減排的基本國策實施。

2 工業(yè)余熱簡介

工業(yè)余熱指工礦業(yè)的熱能轉(zhuǎn)換設(shè)備或用能設(shè)備在生產(chǎn)過程中排放的廢熱、廢水、廢氣等熱載體可釋放的熱，屬于低品位能源。在煤炭、石油、鋼鐵、化工、機械等傳統(tǒng)高能耗產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)過程中，產(chǎn)生大量工業(yè)余熱，被視為煤、石油、天然氣、水力之外的第5大常規(guī)能源。我國的主要工業(yè)部門工業(yè)余熱資源率平均僅7.3%，工業(yè)余熱資源回收率僅30%，待發(fā)掘的余熱回收潛力十分巨大。

利用余熱回收技術(shù)將低品位工業(yè)余熱轉(zhuǎn)換為可供工業(yè)、生活熱水或者工業(yè)建筑使用的能源，提高企業(yè)邊界的能源利用率，降低企業(yè)能源消費量和溫室氣體排放量，減輕對生態(tài)環(huán)境的熱污染[4]。此外，合理充分的利用工業(yè)余熱資源可以降低工業(yè)產(chǎn)品的單位能耗，具有顯著的經(jīng)濟效益。

工業(yè)余熱的溫度是衡量其品質(zhì)的重要參數(shù)，溫度高低對余熱回收利用方式有決定性作用，按照溫度，工業(yè)余熱分為三類：

（1）高溫余熱，為溫度高于500℃的工業(yè)余熱，大部分來自工業(yè)爐窯，部分來自爐窯的直接燃燒燃料，如熔煉爐、加熱爐、水泥窯等；部分來自靠爐料自身燃燒，如沸騰焙燒爐、炭黑反應(yīng)爐等；

（2）中溫余熱，為溫度在200至500℃的工業(yè)余熱，主要為各種熱能動力裝置及某些爐窯設(shè)備中的高溫氣體在燃燒室或爐膛中做功或傳熱后排出的氣體；

（3）低溫余熱，為溫度低于200℃的工業(yè)余熱，主要來自三個方面：a、部分設(shè)備的余熱排放溫度就這么低；b、已經(jīng)過余熱回收技術(shù)處理過的高溫、中溫余熱；c、冷卻介質(zhì)余熱，受冷卻設(shè)備工藝等限制，其溫度一般較低，如電廠汽輪機冷凝器的冷卻水，不能超過25～30℃，內(nèi)燃動力機械的冷卻水大約為50-60℃，溫度最高的是冶金爐和窯爐冷卻水，也不過80～90℃。

工業(yè)余熱中的低溫余熱回收溫差小，換熱設(shè)備龐大，技術(shù)復(fù)雜，經(jīng)濟效益不明顯，投資回收期長，企業(yè)對低溫工業(yè)余熱不予重視。但是低溫工業(yè)余熱量相當多，約占工業(yè)余熱資源總量的15%～23%。

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國石油、天然氣等化石燃料無法滿足國內(nèi)生產(chǎn)、生活需求，每年需要花費大量外匯從國外進口，嚴重制約了我國的發(fā)展。因此，我國執(zhí)行節(jié)能減排基本國策，對企業(yè)中的耗能大戶提出了更為嚴格的能耗要求、溫室氣體排放量要求。在國家政策和企業(yè)節(jié)能減排壓力下，近年工業(yè)余熱回收技術(shù)和設(shè)備都取得了很大的發(fā)展，企業(yè)節(jié)能意識得到提高，積極主動采取節(jié)能改造、余熱回收利用等措施。

3 工業(yè)余熱綜合利用技術(shù)

某塑料制品制造企業(yè)年綜合能耗量大于1萬噸標準煤，為國家重點用能單位，面臨較大的節(jié)能減排壓力。為發(fā)掘企業(yè)節(jié)能潛力，通過分析企業(yè)能耗環(huán)節(jié)，提出了冷卻水工業(yè)余熱梯級綜合利用節(jié)能技術(shù)改造方案。

3.1 企業(yè)現(xiàn)狀冷卻水系統(tǒng)

企業(yè)工藝主要能耗設(shè)備為單臺功率340kW的大型生產(chǎn)線雙螺桿擠出機，共計96臺，年運行4800小時。根據(jù)生產(chǎn)工藝及設(shè)備運行條件要求，企業(yè)生產(chǎn)車間現(xiàn)狀設(shè)置了3套相對獨立的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)：1.水槽冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，快速冷卻固化從擠出機模頭擠出的料條，冷卻余熱由冷卻塔散發(fā)到大氣中，主要耗能設(shè)備為冷卻水循環(huán)泵、冷卻塔；2.擠出機螺筒冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，冷卻擠出機螺筒，排出螺桿旋轉(zhuǎn)的剪切摩擦產(chǎn)生的熱量，將溫度控制在工藝要求的范圍內(nèi)，冷卻余熱由冷卻塔散發(fā)到大氣中，主要耗能設(shè)備為冷卻水循環(huán)泵、冷卻塔；3.擠出機齒輪箱冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，排出齒輪箱傳動時產(chǎn)生的熱量，保證其傳動效率，冷卻余熱由冷卻塔散發(fā)到大氣中，主要耗能設(shè)備為冷卻水循環(huán)泵、冷卻塔?，F(xiàn)狀冷卻水系統(tǒng)參數(shù)詳見表1。

表1 冷卻水系統(tǒng)參數(shù)

水槽冷卻水循環(huán)水系統(tǒng)、擠出機螺筒冷卻水循環(huán)水系統(tǒng)、擠出機齒輪箱冷卻水循環(huán)水系統(tǒng)的余熱溫度低于70℃，不利于余熱回收，直接利用現(xiàn)狀冷卻塔散發(fā)到大氣中，并給環(huán)境造成了熱污染。利用需要系數(shù)法（需要系數(shù)取0.75，平均負荷系數(shù)取0.7），企業(yè)年排放工業(yè)余熱=∑（水比熱×冷卻水溫差×年冷卻水流量×水密度×需要系數(shù)×平均負荷系數(shù)）。根據(jù)上述公式及相關(guān)數(shù)據(jù)，水槽冷卻水循環(huán)系統(tǒng)年排放余熱量131670.00GJ，擠出機螺筒冷卻水循環(huán)系統(tǒng)年排放余熱量63201.60GJ，擠出機齒輪箱冷卻水循環(huán)系統(tǒng)年排放余熱量63201.60GJ。綜上，企業(yè)年排放工業(yè)余熱總量為258073.20 GJ。

3.2 冷卻水工業(yè)余熱綜合利用技術(shù)方案

企業(yè)工業(yè)廠區(qū)北側(cè)建設(shè)配套建筑，已建成工業(yè)研發(fā)樓、員工宿舍樓、配套公共建筑。工業(yè)研發(fā)樓、員工宿舍樓、配套公共建筑設(shè)置中央空調(diào)系統(tǒng)，冷熱源為埋地管地源熱泵。地源熱泵系統(tǒng)夏季運行時間為7月中旬至9月中旬，冬季運行時間11月15日至第二年3月15日。投入使用多年來，夏季累計向土壤的放熱量小于冬季從土壤的取熱量，土壤吸排熱不平衡。

為改善地源熱泵系統(tǒng)的熱不平衡、保證地源熱泵長期高效穩(wěn)定運行，充分利用廠區(qū)的工業(yè)余熱，降低企業(yè)整體能源消費量，企業(yè)對現(xiàn)狀冷卻水系統(tǒng)及地源地?zé)嵯到y(tǒng)進行全面改造，建設(shè)冷卻水低品位余熱綜合利用系統(tǒng)，系統(tǒng)原理圖詳見圖1。

圖1 冷卻水低品位余熱綜合利用系統(tǒng)原理圖

冷卻水低品位余熱綜合利用運行方案：

（1）擠出機螺筒冷卻水余熱綜合利用

①冬季，70℃擠出機螺筒冷卻水余熱優(yōu)先制備生活熱水，多余熱水進入采暖熱水換熱器，與空調(diào)水系統(tǒng)熱交換（空調(diào)水系統(tǒng)供回水設(shè)計溫度50/40℃）后的冷卻水溫度為45℃，再進入冷卻塔，將富裕熱量散發(fā)至大氣中，水溫降至40℃，滿足設(shè)備工藝運行要求；

②夏季、過渡季，70℃擠出機螺筒冷卻水進入生活熱水交換器，將自來水加熱至60℃生活熱水，滿足企業(yè)員工生活熱水需求，富裕余熱經(jīng)冷卻塔散發(fā)至大氣中，水溫應(yīng)滿足設(shè)備工藝運行要求；

（2）擠出機齒輪箱冷卻水余熱綜合利用

①冬季，70℃擠出機齒輪箱冷卻水進入采暖熱水換熱器，與空調(diào)水系統(tǒng)熱交換（空調(diào)水系統(tǒng)供回水設(shè)計溫度50/40℃）后的冷卻水溫度為45℃，再進入冷卻塔，將富裕熱量散發(fā)至大氣中，水溫降至40℃，滿足設(shè)備工藝運行要求；②夏季、過渡季，擠出機齒輪箱冷卻水直接經(jīng)冷卻塔將余熱散發(fā)至大氣中，水溫降至40℃，滿足設(shè)備工藝運行要求；

（3）料條水槽冷卻水余熱綜合利用

①冬季，料條水槽冷卻水與空調(diào)水系統(tǒng)熱交換（空調(diào)水系統(tǒng)供回水設(shè)計溫度50/40℃）后的冷卻水溫度為45℃，再進入冷卻塔，將富裕熱量散發(fā)至大氣中，水溫降至35℃，滿足設(shè)備工藝運行要求；②過渡季，料條水槽冷卻水經(jīng)埋地管換熱器，加熱埋地管水系統(tǒng)，將余熱散發(fā)到土壤中，改善地源熱泵系統(tǒng)的熱不平衡，富裕余熱經(jīng)冷卻塔散發(fā)至大氣中，水溫降至35℃，滿足設(shè)備工藝運行要求。

冬季，企業(yè)工業(yè)設(shè)備停止運行（無工業(yè)余熱）時段，由地源熱泵系統(tǒng)滿足企業(yè)供暖需求。

3.3 冷卻水工業(yè)余熱綜合利用節(jié)能量

企業(yè)年用生活熱水量15000噸。項目所在地室外年平均溫度15℃，由于自來水溫度接近室外溫度，自來水年平均溫度取值15℃。加熱生活熱水使用的年用工業(yè)余熱量=水比熱×水溫差×年用水量×水密度。結(jié)合上文中的數(shù)據(jù)，企業(yè)利用工業(yè)余熱加熱生活熱水的年余熱回收量2821.50GJ。

企業(yè)所在地采暖季為121天，供熱回收的工業(yè)余熱量=∑（水比熱×冷卻水溫差×小時冷卻水流量×每天運行小時數(shù)×采暖季運行天數(shù)×水密度×需要系數(shù)×平均負荷系數(shù)）-加熱生活熱水使用的年用工業(yè)余熱量×121/365。結(jié)合上文中的數(shù)據(jù)，企業(yè)利用工業(yè)余熱采暖的年余熱回收量73414.31GJ。

散發(fā)到土壤中的余熱無法量化，只能根據(jù)上一年度的地源熱泵系統(tǒng)運行情況以及實時土壤溫度，自動控制散發(fā)到土壤中的余熱。改善地源熱泵系統(tǒng)的熱不平衡，降低冬季地源熱泵運行能耗。但是又不能補熱過多，導(dǎo)致夏季制冷能耗增加。

企業(yè)采用的冷卻塔為閉式，余熱利用改造后，進入冷卻塔的冷卻水溫度較改造前大幅度降低，利用冷卻塔自身的換熱器可以直接將冷卻水溫度降至工藝需求溫度，而不用開啟風(fēng)扇和噴淋泵，顯著降低冷卻塔耗電量。但是，冷卻塔的散熱效果與室外空氣的溫度、濕度、日照、風(fēng)速密切相關(guān)，無法量化此部分節(jié)電量。

綜上，冷卻水工業(yè)余熱綜合利用后，可量化工業(yè)余熱回收量76235.81GJ，占企業(yè)工業(yè)余熱總量的29.54%。此外，還可以降低企業(yè)地源熱泵系統(tǒng)、冷卻塔的年用電量。

結(jié)語

本文分析了我國工業(yè)余熱利用現(xiàn)狀，分析了工業(yè)余熱可回收潛力，特別是低溫工業(yè)余熱的回收潛力。結(jié)合某企業(yè)采用的溫度低于70℃的冷卻水低溫余熱回收、利用技術(shù)案例，分析了低溫余熱利用的可行性及節(jié)能效果，計算了其可量化回收量。案例結(jié)果表明，結(jié)合具體工程情況，采取合理的方案，可以有效回收低溫余熱，并降低電力等其它能源的消費，使企業(yè)的整體能耗降低，減少企業(yè)邊界的溫室氣體排放量。

參考文獻

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