低溫工業余熱綜合利用

余龍清 馬 鋒 胡學偉

（天津市聯合泰澤環境科技發展有限公司 天津 300000）

1 引言

我國的年能源消費總量隨著經濟的發展越來越多。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，工業能耗占我國總能耗的70%以上，其中至少50%轉化為載體不同、溫度不同的工業余熱，而目前我國工業余熱回收率僅約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，根據我國工業余熱的利用情況，應發展余熱綜合利用技術、設備，提高工業余熱回收率，進一步強化節能降耗措施，制定積極的節能降耗定量目標，大力開展工業余熱綜合利用的基礎研究和工業實踐，對推動我國節能減排的基本國策實施。

2 工業余熱簡介

工業余熱指工礦業的熱能轉換設備或用能設備在生產過程中排放的廢熱、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、機械等傳統高能耗產業生產過程中，產生大量工業余熱，被視為煤、石油、天然氣、水力之外的第5大常規能源。我國的主要工業部門工業余熱資源率平均僅7.3%，工業余熱資源回收率僅30%，待發掘的余熱回收潛力十分巨大。

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

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

（1）高溫余熱，為溫度高于500℃的工業余熱，大部分來自工業爐窯，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、炭黑反應爐等；

（2）中溫余熱，為溫度在200至500℃的工業余熱，主要為各種熱能動力裝置及某些爐窯設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℃的工業余熱，主要來自三個方面：a、部分設備的余熱排放溫度就這么低；b、已經過余熱回收技術處理過的高溫、中溫余熱；c、冷卻介質余熱，受冷卻設備工藝等限制，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℃。

工業余熱中的低溫余熱回收溫差小，換熱設備龐大，技術復雜，經濟效益不明顯，投資回收期長，企業對低溫工業余熱不予重視。但是低溫工業余熱量相當多，約占工業余熱資源總量的15%～23%。

隨著經濟的發展，我國石油、天然氣等化石燃料無法滿足國內生產、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展。因此，我國執行節能減排基本國策，對企業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。在國家政策和企業節能減排壓力下，近年工業余熱回收技術和設備都取得了很大的發展，企業節能意識得到提高，積極主動采取節能改造、余熱回收利用等措施。

3 工業余熱綜合利用技術

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

3.1 企業現狀冷卻水系統

企業工藝主要能耗設備為單臺功率340kW的大型生產線雙螺桿擠出機，共計96臺，年運行4800小時。根據生產工藝及設備運行條件要求，企業生產車間現狀設置了3套相對獨立的冷卻水循環系統：1.水槽冷卻水循環系統，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到大氣中，主要耗能設備為冷卻水循環泵、冷卻塔；2.擠出機螺筒冷卻水循環系統，冷卻擠出機螺筒，排出螺桿旋轉的剪切摩擦產生的熱量，將溫度控制在工藝要求的范圍內，冷卻余熱由冷卻塔散發到大氣中，主要耗能設備為冷卻水循環泵、冷卻塔；3.擠出機齒輪箱冷卻水循環系統，排出齒輪箱傳動時產生的熱量，保證其傳動效率，冷卻余熱由冷卻塔散發到大氣中，主要耗能設備為冷卻水循環泵、冷卻塔?，F狀冷卻水系統參數詳見表1。

表1 冷卻水系統參數

水槽冷卻水循環水系統、擠出機螺筒冷卻水循環水系統、擠出機齒輪箱冷卻水循環水系統的余熱溫度低于70℃，不利于余熱回收，直接利用現狀冷卻塔散發到大氣中，并給環境造成了熱污染。利用需要系數法（需要系數取0.75，平均負荷系數取0.7），企業年排放工業余熱=∑（水比熱×冷卻水溫差×年冷卻水流量×水密度×需要系數×平均負荷系數）。根據上述公式及相關數據，水槽冷卻水循環系統年排放余熱量131670.00GJ，擠出機螺筒冷卻水循環系統年排放余熱量63201.60GJ，擠出機齒輪箱冷卻水循環系統年排放余熱量63201.60GJ。綜上，企業年排放工業余熱總量為258073.20 GJ。

3.2 冷卻水工業余熱綜合利用技術方案

企業工業廠區北側建設配套建筑，已建成工業研發樓、員工宿舍樓、配套公共建筑。工業研發樓、員工宿舍樓、配套公共建筑設置中央空調系統，冷熱源為埋地管地源熱泵。地源熱泵系統夏季運行時間為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的熱不平衡、保證地源熱泵長期高效穩定運行，充分利用廠區的工業余熱，降低企業整體能源消費量，企業對現狀冷卻水系統及地源地熱系統進行全面改造，建設冷卻水低品位余熱綜合利用系統，系統原理圖詳見圖1。

圖1 冷卻水低品位余熱綜合利用系統原理圖

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先制備生活熱水，多余熱水進入采暖熱水換熱器，與空調水系統熱交換（空調水系統供回水設計溫度50/40℃）后的冷卻水溫度為45℃，再進入冷卻塔，將富裕熱量散發至大氣中，水溫降至40℃，滿足設備工藝運行要求；

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，滿足企業員工生活熱水需求，富裕余熱經冷卻塔散發至大氣中，水溫應滿足設備工藝運行要求；

（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，與空調水系統熱交換（空調水系統供回水設計溫度50/40℃）后的冷卻水溫度為45℃，再進入冷卻塔，將富裕熱量散發至大氣中，水溫降至40℃，滿足設備工藝運行要求；②夏季、過渡季，擠出機齒輪箱冷卻水直接經冷卻塔將余熱散發至大氣中，水溫降至40℃，滿足設備工藝運行要求；

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

冬季，企業工業設備停止運行（無工業余熱）時段，由地源熱泵系統滿足企業供暖需求。

3.3 冷卻水工業余熱綜合利用節能量

企業年用生活熱水量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余熱量=水比熱×水溫差×年用水量×水密度。結合上文中的數據，企業利用工業余熱加熱生活熱水的年余熱回收量2821.50GJ。

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

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

企業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、風速密切相關，無法量化此部分節電量。

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

結語

本文分析了我國工業余熱利用現狀，分析了工業余熱可回收潛力，特別是低溫工業余熱的回收潛力。結合某企業采用的溫度低于70℃的冷卻水低溫余熱回收、利用技術案例，分析了低溫余熱利用的可行性及節能效果，計算了其可量化回收量。案例結果表明，結合具體工程情況，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，使企業的整體能耗降低，減少企業邊界的溫室氣體排放量。

參考文獻

[1]BP世界能源統計年鑒（2017年）（中文版）[M].北京：中國統計出版社，2017.

[2]中華人民共和國2016年國民經濟和社會發展統計公報.中華人民共和國國家統計局，2017.

[3]何雅玲.工業余熱高效綜合利用的重大共性基礎問題研究[J].中國科學，2016年第61卷第17期:1856-1857.

[4]李海燕,劉靜.低品位余熱利用技術的研究現狀、困境和新策略[J].科技導報[2010]（28）:112-117.