污水源熱泵與工藝廢熱回收協同化設計

李澤峰

中國成達工程有限公司　成都　610041

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污水源熱泵與工藝廢熱回收協同化設計

李澤峰*

中國成達工程有限公司成都610041

石油化工行業是我國的能耗大戶，也是污染大戶。目前我國工業能源利用率低下，存在大量的能源浪費甚至冷熱抵消現象。以實際工程為例，從工程自身的熱量需求情況出發，借助熱泵技術，應用給排水、暖通協同化設計的方法，實現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同設計

石油及化工行業作為國民經濟的支柱產業，保持著平穩、快速的增長。但是隨著國家結構升級步伐加快以及對企業污染排放的標準更加嚴格，作為能耗及污染物排放大戶的石油及化工行業必須積極向節能減排的方向發展。因此開發清潔能源技術、深挖節能潛力是行業的趨勢。

根據石油及化工企業內的冷熱量供求關系，在生產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行利用，一定程度上能緩解水資源缺乏問題；利用熱泵技術開發工廠污水和工藝廢熱中所蘊含的低品位能源，為生產提供部分清潔能源，節能效果明顯，對于節能減排改善環境，具有一定作用。本文針對某多晶硅項目，借助熱泵技術，應用給排水、暖通協同化設計的方法，探討回收污水以及工藝廢熱中的低品位熱能的設計方案。

1　石油化工企業污水及工藝廢熱

1.1污水

石油及化工行業根據污水性質的區分，排水系統分為四個系統：生活污水系統、生產廢水系統、雨水和清凈下水系統以及污染消防水系統。廠區生活污水來源于廠房、辦公樓的衛生間，間斷排水，經各裝置內的化糞池初步處理后，送入園區污水處理廠；生產廢水主要來自裝置區，連同回用水裝置排水，進入工藝廢料處理單元；雨水系統分為初期污染雨水和后期清凈雨水。后期清凈雨水經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區雨水系統。裝置區的初期污染雨水在裝置區內收集，緩慢地排入生產廢水系統，后期清凈雨水切換到本系統，最終排入雨水系統；消防后的水經全廠雨水系統送入消防廢水收集池儲存。

由于雨水和清凈下水系統以及污染消防水系統排放極其不穩定，因此污水熱回收僅對生活污水系統及生產廢水系統進行。

1.2工藝廢熱

工業余熱及廢熱主要由尾氣余熱、化學反應熱、生產廢汽廢水余熱、冷卻余熱等組成。利用余熱及廢熱時必須從經濟性、技術性出發，與工藝生產的特點緊密結合，便于能量的綜合利用[1]。其中尾氣余熱及化學反應熱隨著生產負荷及階段的不同變化很大，且企業均對該部分高品位能有所回收和利用，因此開發潛力不大。

生產廢汽廢水余熱、冷卻余熱品位低，目前行業內未對該部分能源進行利用。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置獨立的的循環水系統釋放其余熱。因此針對冷卻余熱的熱回收方案，不但可節省熱能，降低循環泵的電能消耗，同時對于缺水地區也可大幅減少循環水在冷卻塔中的蒸發消耗。

所謂污水源熱泵就是利用熱力學第二定律，借助消耗少量電能，利用熱泵壓縮機系統吸收石油化工企業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” 室內的熱量，降低室溫。

2　工程概括

2.1廠區規模及采暖空調需求

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

由于石化企業多數廠房存在有害氣體，室內空氣不允許循環使用，導致廠區的采暖及空調的能耗指標遠遠大于普通民用建筑。本項目冬季采暖面積83260m2，采暖設計負荷22480kW，采暖期158天；夏季空調面積51931m2，空調設計負荷15060kW。根據參考文獻2、3的要求，各廠房及辦公用房各自應滿足規范要求。

2.2廠區污水排放及循環水水量

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

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

3　污水源熱泵與工藝廢熱回收協同化設計方案

3.1協同化設計

污水源熱泵系統流程見圖1。

污水源熱泵系統根據污水是否直接進熱泵機組內部進行換熱，分為間接式和直接式利用系統。污水源熱泵系統由通過水源水管路和冷熱水管路的水源系統、熱泵系統、末端系統等部分相連接組成。由于與其他熱源相比，污水源熱泵的技術關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的工業污水，故采用間接式污水源熱泵系統。

圖1　污水源熱泵系統流程

石油化工企業具有大量的余熱、廢熱供使用，適合使用水源熱泵空調來為廠區供冷和供熱。為了優先利用工藝冷卻循環水余熱，降低循環水系統能耗及淡水蒸發損耗，本工程污水源熱泵系統第一級換熱器設在循環水泵房水泵吸水池中，第二級換熱器設在污水廠凈水池中。采暖期，直接利用循環水及生產、生活污水為廠區供熱。

空調季，為了保證工藝生產，關閉第一級換熱器，利用第二級換熱器提取冷量，對廠區內空調區域供冷。為了與供熱溫度較低的熱泵系統相匹配，公寓及辦公區采用風機盤管，廠房采用熱風采暖。該方案充分利用了工藝余熱、廢熱，節省循環水系統能耗及水資源；同時減少了污水處理過程中地下水的用量。

由于國家工業產業的轉型升級，石油化工企業大量向新疆、內蒙等西北地區轉移，該地區位于嚴寒及寒冷地區，因此該地區的石油化工企業冬季采暖負荷遠遠大于夏季空調負荷。本工程采暖設計負荷22480kW，夏季空設計負荷15060kW。考慮到以后的發展，選用4臺離心式水源熱泵機組，單臺額定制冷量為3850kW，進出水溫度為7～12℃；考慮冬季極端溫度下水溫過低，以及非標準工況下的補償，單臺額定制熱量為6680kW，進出水溫度為45～50℃。

3.2運行方案優化

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

V11開啟，其余閥門關閉。熱泵將廠區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。由于石油化工企業污水的腐蝕性較強，因此污水池中的換熱設備及管道均采用適合此防腐條件的不銹鋼制作，并適當放大散熱面積及管徑。

3.3經濟性分析

本工程如采用傳統蒸汽換熱后熱水采暖，根據經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；夏季空調采用分體空調方案，82天空調期的費用約為670萬元；全年采暖空調運行費用約為2822萬元。

采用本方案，系統運行費用主要為電費支出，158天采暖的費用597萬元；82天空調期的費用約為160萬元；全年采暖空調運行費用約為757萬元。相對于傳統方案年節約2065萬元。如考慮采用節能技術后的國家佳能補貼，全年的運行費用還將更低。因不使用蒸汽換熱，冬季采暖既節能又環保。

本改造方案增加或更換設備：需將熱源由蒸汽-水換熱機組改為污水源熱泵；增加低品位端換熱水泵組及相應管網；增加循環水池及污水池中的換熱部件；將末端由散熱器更換為風機盤管等。

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

4　結語

如何節約并提高能源的利用率是“十一五”規劃中重點強調的基本國策，將整個石油化工廠區，所有生產環節綜合考慮采用熱泵技術協同化設計，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，最終對余熱實現的梯級綜合利用是解決此問題的方向；同時節能和環保效果明顯，是實現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. 工業企業余熱和廢熱利用研究[J].建筑節能,2013(9):21-23.

2GB50736-2012. 民用建筑采暖通風設計規范[S]. 北京:中國建筑出版社，2012.

3GB50019-2015. 工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范[S]. 北京:中國建筑出版社，2015.

4劉志斌.原生污水熱泵空調系統的工程應用與設計研究[J].可再生能源，2006，(3).

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

*李澤峰：高級工程師。1997年畢業于西北建筑工程學院環境工程系供熱通風與空調工程專業。長期從事石油化工項目的暖通空調設計和專業管理工作。聯系電話：(028)65531846，E-mail：Lizefeng@chengda.com。

2016-04-06)