低品位工业余热应用于城镇集中供暖系统若干关键问题及解决方法

2低品位工业余热供暖关键问题的本质研究

低品位工业余热应用于城镇集中供暖存在若干关键问题需要解决，包括宏观层面的低品位工业余热信息统计和微观层面的低品位工业余热采集、整合与输配、系统运行调节等[2]，如图2所示。其中，微观层面的关键问题看似独立存在，实则通过供暖系统中物质(供暖热水)与能量(供暖热量)的流动和传递而紧密相连。余热的采集、整合与输配过程相互影响和制约，“牵一发而动全身”：每一个环节都有各自的优化目标，不同环节的优化结果会改变相应的温度和热量参数，从而会对其它环节产生影响。这就给低品位工业余热供暖系统整体的设计与优化带来一系列问题：如何确定优化目标?每一个环节优化的实质是什么，优化结果会产生怎样的实际影响?应用于任意环节的优化方法、技术与设备对于该环节乃至整个系统的优化在本质上起到了怎样的作用?

图3给出了低品位工业余热供暖过程的T-Q图。对于一个低品位工业余热供暖系统而言，余热热源的性质(热量与品位)与末端的热需求(热量与室温)一旦确定，在不考虑热量传递过程中的损失时，热源(图2中实线段所示)与室温(虚线段所示)之间围合的面积就固定下来。火积分析理论指出，换热过程中T-Q图上冷、热流体之间围合的面积即为热量传递过程中的火积耗散，且面积越大时火积耗散越大，反之亦然。因此在上述条件下，整个低品位工业余热供暖过程的总火积耗散是一定的，即ΔEnz为固定值。

热网一次侧热水线(双点划线，斜率表征热容流量的倒数)将总火积耗散划分为两部分：热网一次侧热水线上方至余热热源线所围合的面积表示余热采集、整合过程中的火积耗散ΔEn1，对应热量的传递过程发生于工厂内;热网一次侧热水线下方至末端用户室温线所围合的面积为余热输配及末端传热过程(以下以“输配”代指)的火积耗散ΔEn2。显然，总火积耗散为两部分火积耗散之和，即包括采集、整合和输配、末端传热的火积耗散：(式1)

对于一个低品位工业余热供暖系统，用于回收余热的取热热网水回水温度由热网外界决定，不随取热流程而改变。此时改变取热热水的流量(即热容)，在取热过程能够实现的情况下，供水温度(工厂取热热水的出口温度)就会相应改变。对应在T-Q图上，改变热网一次侧热水线的斜率即可改变一次侧供水温度。此时总火积耗散不变，但两部分火积耗散ΔEn1与ΔEn2的大小发生改变，一方减小的同时另一方增大，两者在总火积耗散ΔEnz中所占的比例相应发生变化。

火积分析理论指出，减少任意环节的火积耗散都要在此环节付出代价，而增加任意环节的

火积耗散则可使该环节获得收益。例如，减少输配环节的火积耗散意味着输配温差或者末端传热温差的减小，在传递相同的热量时，用于循环水泵的输配电耗将会增加，或是需要建设直径更大的管网、在末端安装更大面积的散热器才可实现输配与末端传热的水力及热力需求。再例如，增加采集、整合环节的火积耗散，意味着余热采集、整合过程可以在余热热源与取热热网水之间更大的温差下实现，因此可以减少在工厂内的余热采集设备的换热面积投入，或采用成本更为低廉的采集设备。

应用火积分析理论可以对低品位工业余热供暖关键问题(如图2所示)进行梳理和系统化的理论解读。

首先，低品位工业余热供暖过程的前提是确定余热热源性质与末端热用户的需求。末端热用户的需求由室温及建筑室内需热量决定，这两项参数一般可以通过查阅供热规划或模拟计算得到;而对于不同的工业部门，或者同一工业部门内不同的工厂，余热热源的热量与品位则不尽相同，千差万别。需要对余热热源的基本信息展开详细调研，这就对应了低品位工业余热信息统计的关键问题。

其次，通过余热信息统计的方式获得余热热源信息后，热量从余热热源传递至末端热用户过程中总火积耗散就得以确定，设计和优化的问题就转变为分配火积耗散的问题。分配火积耗散的过程实际上是就是在各个环节对投入进行分配，给某一环节分配较少的火积耗散即是在该环节增加投入，反之亦然。对于任意一个环节，若能在较小的火积耗散情况下传递一定热量，那么在给该环节分配较多的火积耗散时该环节必然可以顺利实现。因此关键是要寻求减少各环节火积耗散的方法与技术，这就对应了余热采集、整合与输配的关键问题。

最后，余热采集、整合与输配的优化都是解决单点设计工况的问题，因此还要对系统全工况运行调节进行研究。

3余热采集与整合

3.1余热采集技术

对于低品位工业余热的采集，减少采集过程的火积耗散，就是要针对某一个(类)余热热源的具体特点采用合理的技术、应用合适的设备，尽可能在较高品位下、较多的回收余热。而实际工业生产过程中的余热种类繁多(低品位工业余热的分类可参见图4)[3]，每一类余热都有鲜明的特点。举例来说，工业烟气含尘、含酸性气体成分、体积流量大，回收余热时容易发生酸腐蚀、设备体量过大难以现场安装等问题;冷却循环水、洗涤水等工业循环水的余热热量大、品位低、水质差，回收余热时余热采集设备和管路可能发生磨损、堵塞或腐蚀，且需要提升品位后才能用于供暖系统。

对低品位工业余热在采集过程中常见的问题进行归纳和总结，主要是两类共性突出问题：(1)腐蚀性、磨损性和堵塞性;(2)余热采集过程的损失，包含热量损失和品位损失。针对第一类问题，解决方法包括：换热设备材料选择、换热表面加工处理、换热设备流道结构优化、过滤方式设计及过滤装置选择、取热系统管路布置优化、非接触式取热技术开发等。值得一提的是，非接触式取热技术区别于其他方法，避免了热源介质与余热采集设备的直接接触，且设计得当的话可以在较高品位下回收余热，因此在未来冲渣水等工业废水的余热回收中必将发挥更大的作用。对于第二类问题，解决方法有：在不影响工厂正常生产工艺前提下，改善取热系统与装置的密闭性和保温性;对于存在闪蒸蒸汽放散的环节，应设法予以利用;改善品位不匹配造成的损失，例如梯级取热;对于固体产品余热，同时满足在高品位下采集余热、余热采集经济性、保证产品质量等多方面要求;对于生产末端环节的余热，衡量在何种品位下采集余热与采集经济性、运行经济性(主要体现在冷却设备投资、寿命)之间的利弊等。