低温工业余热综合利用

余龙清 马 锋 胡学伟

（天津市联合泰泽环境科技发展有限公司 天津 300000）

1 引言

我国的年能源消费总量随着经济的发展越来越多。2016年我国为世界第一大能源消费国，占全球消费量的23%[1]。2016年我国全年能源消费总量43.6亿吨标准煤，水电、风电、核电等清洁能源消费量占19.7%，以煤炭、石油为主的化石能源消费量占80.3%[2]。

其中，工业能耗占我国总能耗的70%以上，其中至少50%转化为载体不同、温度不同的工业余热，而目前我国工业余热回收率仅约30%，其余以废热形式排放到大气或水体中，能源利用效率偏低[3]。因此，根据我国工业余热的利用情况，应发展余热综合利用技术、设备，提高工业余热回收率，进一步强化节能降耗措施，制定积极的节能降耗定量目标，大力开展工业余热综合利用的基础研究和工业实践，对推动我国节能减排的基本国策实施。

2 工业余热简介

工业余热指工矿业的热能转换设备或用能设备在生产过程中排放的废热、废水、废气等热载体可释放的热，属于低品位能源。在煤炭、石油、钢铁、化工、机械等传统高能耗产业生产过程中，产生大量工业余热，被视为煤、石油、天然气、水力之外的第5大常规能源。我国的主要工业部门工业余热资源率平均仅7.3%，工业余热资源回收率仅30%，待发掘的余热回收潜力十分巨大。

利用余热回收技术将低品位工业余热转换为可供工业、生活热水或者工业建筑使用的能源，提高企业边界的能源利用率，降低企业能源消费量和温室气体排放量，减轻对生态环境的热污染[4]。此外，合理充分的利用工业余热资源可以降低工业产品的单位能耗，具有显著的经济效益。

工业余热的温度是衡量其品质的重要参数，温度高低对余热回收利用方式有决定性作用，按照温度，工业余热分为三类：

（1）高温余热，为温度高于500℃的工业余热，大部分来自工业炉窑，部分来自炉窑的直接燃烧燃料，如熔炼炉、加热炉、水泥窑等；部分来自靠炉料自身燃烧，如沸腾焙烧炉、炭黑反应炉等；

（2）中温余热，为温度在200至500℃的工业余热，主要为各种热能动力装置及某些炉窑设备中的高温气体在燃烧室或炉膛中做功或传热后排出的气体；

（3）低温余热，为温度低于200℃的工业余热，主要来自三个方面：a、部分设备的余热排放温度就这么低；b、已经过余热回收技术处理过的高温、中温余热；c、冷却介质余热，受冷却设备工艺等限制，其温度一般较低，如电厂汽轮机冷凝器的冷却水，不能超过25～30℃，内燃动力机械的冷却水大约为50-60℃，温度最高的是冶金炉和窑炉冷却水，也不过80～90℃。

工业余热中的低温余热回收温差小，换热设备庞大，技术复杂，经济效益不明显，投资回收期长，企业对低温工业余热不予重视。但是低温工业余热量相当多，约占工业余热资源总量的15%～23%。

随着经济的发展，我国石油、天然气等化石燃料无法满足国内生产、生活需求，每年需要花费大量外汇从国外进口，严重制约了我国的发展。因此，我国执行节能减排基本国策，对企业中的耗能大户提出了更为严格的能耗要求、温室气体排放量要求。在国家政策和企业节能减排压力下，近年工业余热回收技术和设备都取得了很大的发展，企业节能意识得到提高，积极主动采取节能改造、余热回收利用等措施。

3 工业余热综合利用技术

某塑料制品制造企业年综合能耗量大于1万吨标准煤，为国家重点用能单位，面临较大的节能减排压力。为发掘企业节能潜力，通过分析企业能耗环节，提出了冷却水工业余热梯级综合利用节能技术改造方案。

3.1 企业现状冷却水系统

企业工艺主要能耗设备为单台功率340kW的大型生产线双螺杆挤出机，共计96台，年运行4800小时。根据生产工艺及设备运行条件要求，企业生产车间现状设置了3套相对独立的冷却水循环系统：1.水槽冷却水循环系统，快速冷却固化从挤出机模头挤出的料条，冷却余热由冷却塔散发到大气中，主要耗能设备为冷却水循环泵、冷却塔；2.挤出机螺筒冷却水循环系统，冷却挤出机螺筒，排出螺杆旋转的剪切摩擦产生的热量，将温度控制在工艺要求的范围内，冷却余热由冷却塔散发到大气中，主要耗能设备为冷却水循环泵、冷却塔；3.挤出机齿轮箱冷却水循环系统，排出齿轮箱传动时产生的热量，保证其传动效率，冷却余热由冷却塔散发到大气中，主要耗能设备为冷却水循环泵、冷却塔。现状冷却水系统参数详见表1。

表1 冷却水系统参数

水槽冷却水循环水系统、挤出机螺筒冷却水循环水系统、挤出机齿轮箱冷却水循环水系统的余热温度低于70℃，不利于余热回收，直接利用现状冷却塔散发到大气中，并给环境造成了热污染。利用需要系数法（需要系数取0.75，平均负荷系数取0.7），企业年排放工业余热=∑（水比热×冷却水温差×年冷却水流量×水密度×需要系数×平均负荷系数）。根据上述公式及相关数据，水槽冷却水循环系统年排放余热量131670.00GJ，挤出机螺筒冷却水循环系统年排放余热量63201.60GJ，挤出机齿轮箱冷却水循环系统年排放余热量63201.60GJ。综上，企业年排放工业余热总量为258073.20 GJ。

3.2 冷却水工业余热综合利用技术方案

企业工业厂区北侧建设配套建筑，已建成工业研发楼、员工宿舍楼、配套公共建筑。工业研发楼、员工宿舍楼、配套公共建筑设置中央空调系统，冷热源为埋地管地源热泵。地源热泵系统夏季运行时间为7月中旬至9月中旬，冬季运行时间11月15日至第二年3月15日。投入使用多年来，夏季累计向土壤的放热量小于冬季从土壤的取热量，土壤吸排热不平衡。

为改善地源热泵系统的热不平衡、保证地源热泵长期高效稳定运行，充分利用厂区的工业余热，降低企业整体能源消费量，企业对现状冷却水系统及地源地热系统进行全面改造，建设冷却水低品位余热综合利用系统，系统原理图详见图1。

图1 冷却水低品位余热综合利用系统原理图

冷却水低品位余热综合利用运行方案：

（1）挤出机螺筒冷却水余热综合利用

①冬季，70℃挤出机螺筒冷却水余热优先制备生活热水，多余热水进入采暖热水换热器，与空调水系统热交换（空调水系统供回水设计温度50/40℃）后的冷却水温度为45℃，再进入冷却塔，将富裕热量散发至大气中，水温降至40℃，满足设备工艺运行要求；

②夏季、过渡季，70℃挤出机螺筒冷却水进入生活热水交换器，将自来水加热至60℃生活热水，满足企业员工生活热水需求，富裕余热经冷却塔散发至大气中，水温应满足设备工艺运行要求；

（2）挤出机齿轮箱冷却水余热综合利用

①冬季，70℃挤出机齿轮箱冷却水进入采暖热水换热器，与空调水系统热交换（空调水系统供回水设计温度50/40℃）后的冷却水温度为45℃，再进入冷却塔，将富裕热量散发至大气中，水温降至40℃，满足设备工艺运行要求；②夏季、过渡季，挤出机齿轮箱冷却水直接经冷却塔将余热散发至大气中，水温降至40℃，满足设备工艺运行要求；

（3）料条水槽冷却水余热综合利用

①冬季，料条水槽冷却水与空调水系统热交换（空调水系统供回水设计温度50/40℃）后的冷却水温度为45℃，再进入冷却塔，将富裕热量散发至大气中，水温降至35℃，满足设备工艺运行要求；②过渡季，料条水槽冷却水经埋地管换热器，加热埋地管水系统，将余热散发到土壤中，改善地源热泵系统的热不平衡，富裕余热经冷却塔散发至大气中，水温降至35℃，满足设备工艺运行要求。

冬季，企业工业设备停止运行（无工业余热）时段，由地源热泵系统满足企业供暖需求。

3.3 冷却水工业余热综合利用节能量

企业年用生活热水量15000吨。项目所在地室外年平均温度15℃，由于自来水温度接近室外温度，自来水年平均温度取值15℃。加热生活热水使用的年用工业余热量=水比热×水温差×年用水量×水密度。结合上文中的数据，企业利用工业余热加热生活热水的年余热回收量2821.50GJ。

企业所在地采暖季为121天，供热回收的工业余热量=∑（水比热×冷却水温差×小时冷却水流量×每天运行小时数×采暖季运行天数×水密度×需要系数×平均负荷系数）-加热生活热水使用的年用工业余热量×121/365。结合上文中的数据，企业利用工业余热采暖的年余热回收量73414.31GJ。

散发到土壤中的余热无法量化，只能根据上一年度的地源热泵系统运行情况以及实时土壤温度，自动控制散发到土壤中的余热。改善地源热泵系统的热不平衡，降低冬季地源热泵运行能耗。但是又不能补热过多，导致夏季制冷能耗增加。

企业采用的冷却塔为闭式，余热利用改造后，进入冷却塔的冷却水温度较改造前大幅度降低，利用冷却塔自身的换热器可以直接将冷却水温度降至工艺需求温度，而不用开启风扇和喷淋泵，显著降低冷却塔耗电量。但是，冷却塔的散热效果与室外空气的温度、湿度、日照、风速密切相关，无法量化此部分节电量。

综上，冷却水工业余热综合利用后，可量化工业余热回收量76235.81GJ，占企业工业余热总量的29.54%。此外，还可以降低企业地源热泵系统、冷却塔的年用电量。

结语

本文分析了我国工业余热利用现状，分析了工业余热可回收潜力，特别是低温工业余热的回收潜力。结合某企业采用的温度低于70℃的冷却水低温余热回收、利用技术案例，分析了低温余热利用的可行性及节能效果，计算了其可量化回收量。案例结果表明，结合具体工程情况，采取合理的方案，可以有效回收低温余热，并降低电力等其它能源的消费，使企业的整体能耗降低，减少企业边界的温室气体排放量。

参考文献

[1]BP世界能源统计年鉴（2017年）（中文版）[M].北京：中国统计出版社，2017.

[2]中华人民共和国2016年国民经济和社会发展统计公报.中华人民共和国国家统计局，2017.

[3]何雅玲.工业余热高效综合利用的重大共性基础问题研究[J].中国科学，2016年第61卷第17期:1856-1857.

[4]李海燕,刘静.低品位余热利用技术的研究现状、困境和新策略[J].科技导报[2010]（28）:112-117.