低溫工業(yè)余熱回收利用典型場(chǎng)景與應(yīng)用案例

文_陳彬 楊延春 張建海 國(guó)網(wǎng)（天津）綜合能源服務(wù)有限公司

2021年12月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案》，明確指出推動(dòng)重點(diǎn)行業(yè)節(jié)能改造和污染物治理，到2025年，全國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗比2020年下降13.5%。2022年1月，工信部等八部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快推動(dòng)工業(yè)資源綜合利用的實(shí)施方案》，推動(dòng)工業(yè)資源綜合利用和綠色轉(zhuǎn)型，為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)奠定基礎(chǔ)。

根據(jù)行業(yè)調(diào)查，我國(guó)工業(yè)能耗約占全社會(huì)總能耗的70%以上，其中余熱資源約占其能源消耗總量的16%～67%，可回收利用的余熱資源約占約其能源消耗總量的10%～40%。通常，按照余熱的不同溫度，一般將高于500℃的余熱稱為高溫余熱，400～500℃稱為中溫余熱，400℃以下為低溫余熱。

當(dāng)前余熱回收主要以鋼鐵、冶金、水泥、化工等行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的高溫顯熱為主。近年來(lái)，隨著低溫余熱發(fā)電機(jī)組、中高溫?zé)岜眉夹g(shù)等低溫余熱回收利用技術(shù)的逐漸突破，工業(yè)企業(yè)低溫余熱應(yīng)用案例逐漸增多，本文根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，分析整理了低溫余熱回收典型場(chǎng)景和應(yīng)用案例，為工業(yè)企業(yè)低溫余熱回收利用的推廣提供借鑒。

1 余熱回收利用主要方式

通常情況下，工業(yè)企業(yè)余熱回收利用的方式可以分為三類，一是余熱的直接利用，通過(guò)間壁式換熱器、蓄熱式換熱器等形式直接換熱。由于直接熱交換技術(shù)的能力有限，這種方式一般適用于余熱溫度大于50℃的場(chǎng)景。二是余熱的熱電轉(zhuǎn)換，利用水蒸氣朗肯循環(huán)或者有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)，通過(guò)循環(huán)工質(zhì)吸收余熱的熱量蒸發(fā)汽化，膨脹做功帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。由于發(fā)電機(jī)自身結(jié)構(gòu)的限制，這種方式一般適用于余熱溫度大于100℃以上的場(chǎng)景。三是余熱的提質(zhì)綜合利用，通過(guò)熱泵系統(tǒng)將低溫余熱提升至較高溫度后再進(jìn)行綜合利用。這種方式一般適用于余熱溫度小于40℃的場(chǎng)景。根據(jù)熱泵冷凝溫度不同，可以將熱泵系統(tǒng)分為常溫?zé)岜煤透邷責(zé)岜?。其中常溫?zé)岜美淠郎囟纫话愕陀?5℃，主要用于供暖；高溫?zé)岜美淠郎囟瓤蛇_(dá)60℃以上，可以用于生產(chǎn)工藝。

2 余熱回收利用典型場(chǎng)景

2.1 回收余熱用于做功發(fā)電

在鋼鐵、冶金、水泥、化工等行業(yè)中，涉及的煉焦、煉鐵、燒熟、燒結(jié)等工序都有較為集中可用的低品位工業(yè)余熱，且余熱溫度和密度較高，具備余熱發(fā)電的條件，可以通過(guò)ORC發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)余熱的回收利用。

天津渤海石化有限公司于2013年建成投產(chǎn)60萬(wàn)t/a丙烷脫氫項(xiàng)目一套，丙烷脫氫裝置反應(yīng)器的真空噴射器排氣為過(guò)熱微正壓蒸汽，溫度188～225℃，每小時(shí)排氣量33t，蒸汽經(jīng)噴射泵、消音器、管路后進(jìn)入煙囪直接排放，造成大量的余熱浪費(fèi)。

為回收尾氣余熱，建設(shè)2臺(tái)ORC發(fā)電機(jī)組，將噴射器的尾氣余熱轉(zhuǎn)化成電能，同時(shí)被冷凝下來(lái)的水蒸氣經(jīng)過(guò)處理之后進(jìn)入脫鹽水系統(tǒng)進(jìn)行回收利用，余熱回收系統(tǒng)詳見圖1。

圖1 渤海石化余熱回收系統(tǒng)示意圖

該項(xiàng)目每年發(fā)電量可達(dá)1300萬(wàn)kWh左右，節(jié)省企業(yè)用能成本780萬(wàn)元，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約5200t，減排二氧化碳13000t，對(duì)化工企業(yè)節(jié)能減排起到了積極的示范作用。

2.2 回收余熱用于生產(chǎn)工藝

在乳品飲料、速凍食品等企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，通常同時(shí)具有制冷和供熱需求，一方面制冷機(jī)組產(chǎn)生大量的30℃左右的余熱，通過(guò)冷卻塔排放到空氣中；另一方面需要通過(guò)燃?xì)忮仩t或者電鍋爐產(chǎn)生75℃以上的熱水用于殺菌、清洗等工藝。通過(guò)高溫?zé)岜眉夹g(shù)，回收冷卻塔中的低溫余熱，產(chǎn)生75℃以上的工業(yè)熱水用于生產(chǎn)工藝，從而節(jié)約能源消耗量。

天津冠芳果汁有限公司于2018年建成兩條山楂汁飲料生產(chǎn)線，飲料生產(chǎn)過(guò)程中的吹塑、冷卻等工藝每小時(shí)產(chǎn)生400多噸35℃左右冷卻水余熱，通過(guò)冷卻塔直接排放到空氣中，造成大量的余熱浪費(fèi)。與此同時(shí)，企業(yè)每年需要消耗400余萬(wàn)m3天然氣產(chǎn)生80℃以上的熱水，用于飲料生產(chǎn)過(guò)程中的預(yù)煮、殺菌等工藝，能源消耗量巨大。

為回收冷卻塔余熱，采用“板式換熱器+空氣源熱泵+高溫?zé)岜谩钡慕M合方案，將15℃的生產(chǎn)熱水經(jīng)過(guò)三級(jí)加熱后，產(chǎn)生80℃的生產(chǎn)用水，用來(lái)山楂蒸煮軟化和保溫殺菌，詳見圖2。該項(xiàng)目替代原鍋爐蒸汽供熱112889GJ，每年節(jié)約標(biāo)煤約2200t，減排二氧化碳量3600t，在食品飲料行業(yè)具備較大推廣價(jià)值。

圖2 冠芳果汁余熱回收系統(tǒng)示意圖

2.3 回收余熱用于建筑供暖

在常規(guī)工業(yè)企業(yè)中，空壓機(jī)、制冷機(jī)等設(shè)備的冷卻介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生大量低溫余熱，通過(guò)常規(guī)水源熱泵或者空氣源熱泵技術(shù)，可以將熱水溫度提升至50℃左右，直接并入企業(yè)供熱二級(jí)管網(wǎng)，替代市政熱源或者燃?xì)忮仩t。

京津高村科技創(chuàng)新園是以數(shù)據(jù)中心為特色的國(guó)家級(jí)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)，園區(qū)內(nèi)配套建設(shè)集中辦公建筑面積10萬(wàn)m2，用來(lái)解決數(shù)據(jù)中心相關(guān)人員的辦公住宿需求。目前園區(qū)已建成三家數(shù)據(jù)中心，建成機(jī)柜5000余個(gè)，每臺(tái)機(jī)柜可利用發(fā)熱量為4kW，機(jī)柜總可利用發(fā)熱量為20MW，數(shù)據(jù)中心余熱可以滿足辦公建筑的供暖和生活熱水需求。

為回收數(shù)據(jù)中心余熱，采用“常規(guī)水源熱泵為主+空氣源熱泵為輔”的組合方案，從太平洋電信數(shù)據(jù)中心12℃冷凍水回水取熱，利用常規(guī)水源熱泵產(chǎn)生50℃熱水，為園區(qū)配套辦公建筑供暖，同時(shí)配備空氣源熱泵作為備用熱源，余熱回收系統(tǒng)詳見圖3。余熱回收利用后，每年可為太平洋電信節(jié)省制冷電費(fèi)約60萬(wàn)元，降低辦公建筑能源費(fèi)用100萬(wàn)元，為高村科技創(chuàng)新園減排二氧化碳1600t。

圖3 高村數(shù)據(jù)中心余熱回收系統(tǒng)示意圖

3 結(jié)語(yǔ)

低溫工業(yè)余熱資源普遍存在且相當(dāng)可觀，通過(guò)低溫余熱發(fā)電技術(shù)、中高溫?zé)岜玫燃夹g(shù)實(shí)現(xiàn)低溫工業(yè)余熱資源的綜合利用是工業(yè)企業(yè)節(jié)能降耗的有效手段，也是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的重要途徑。本文介紹的低溫余熱回收典型場(chǎng)景和應(yīng)用案例均為國(guó)網(wǎng)（天津）綜合能源公司近幾年實(shí)施的節(jié)能項(xiàng)目，適用于大多數(shù)工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，對(duì)于推動(dòng)能源消費(fèi)側(cè)節(jié)能降碳具有典型示范意義。