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

摘要：我国北方地区冬季按4个月计算低品位工业余热量约折合有1亿吨标煤，可以满足北方供暖地区一半以上的供暖热量需求。在工业节能势在必行、大气环境亟待改善、供暖热源建设迫在眉睫的历史当口，低品位工业余热应用于城镇集中供暖这一供暖理念已经得到了各级政府和全社会的广泛关注和认可。2015年10月由住建部和发改委联合发布的《余热暖民工程实施方案》明确指出到2020年，要以低品位工业余热替代燃煤供热20亿平米以上，同时要选择150个示范市(县、区)建成余热供暖项目。在开展低品位工业余热集中供暖实践过程中，需要解决余热高效采集、整合、输配、调节等关键问题。解决这些关键问题的实质就是将热源、热网、末端用户三者视为整体，统筹优化，系统化的打破低品位工业余热应用于城镇集中供暖的技术障碍，使得更多的低品位工业余热从工厂更经济地输配出去，更安全、可靠地被末端用户所利用。本文从理论分析切入，重点针对可以用于解决关键问题的技术和方法展开研究，紧密结合已实施的成功工程实例进行论证，以期对未来低品位工业余热应用于城镇集中供暖的大量实践提供指导与参考。

关键词：低品位余热集中供暖 火积分析法 余热采集 降低回水温度 系统调节

1背景

我国是全球第一大制造业国家，焦炭、黑色金属冶炼(钢铁)、有色金属冶炼、非金属制造、化工等行业数量众多，产品产量巨大。这些行业都是典型的高耗能工业部门，生产过程中有大量余热排放，品位不尽相同，但绝大多数是工业部门自身难以利用的低品位余热，包括有200℃以下的烟气、100℃以下的液体(特别是30-40℃的低温循环水)和需要冷却的固体产品等[1]。

根据宏观能耗和工业水耗数据进行的估算表明，我国北方供暖地区冬季平均时长按照4个月计算，上述高能耗工业部门排放的余热量可大约折合1亿吨标煤，造成工业水耗30亿立方米(与南水北调中线输水量规模相当)[2]。这些余热相当于2013年北方供暖总能耗的50%以上[3]，因此可以满足供暖的基础负荷需求。

2014年底，国家发改委能源所、中国节能协会节能服务产业委员会、能源基金会(中国)、清华大学建筑节能研究中心联合对我国工业大省河北省的低品位工业余热开展调研工作，重点调研对象为175家具有较大生产规模的钢铁、水泥、焦炭企业，如图1所示。这些企业主要分布于石家庄、唐山、邯郸三个城市及周边地区。其中，唐山、邯郸两地钢铁企业云集,石家庄、邢台、唐山三地水泥企业密布。整个河北省的高耗能工业企业一东一南，呈掎角之势包围京、津。2015年10月清华大学建筑节能研究中心就调研分析结果发布了《河北省低品位工业余热调研报告》[4]。该报告指出，就调研对象而言，钢铁行业低品位工业余热量约4.4万MW，炼铁的余热量最大，占总余热量的49%，其次是炼钢，余热量占到总余热量的18%，炼焦、烧结、轧钢三个工序余热量差别不大，分别占总余热量的10%左右。水泥行业低品位工业余热量约2155MW，中高温余热发电的乏汽余热量最大，占总余热量的53%，窑尾烟气占18%，窑头排气占16%，回转窑壁面占13%。按照河北省平均供暖热指标40W/m2，基础负荷则为20W/m2，若仅仅回收4.6万MW钢铁、水泥行业余热中的50%，可以承担近12亿平米建筑的基础负荷供暖需求，远远大于河北省当地的用热需求，若能形成有效的区域性的联网，则可以为京、津两地输送热量。

2015年10月29日，住房城乡建设部和国家发展改革委联合发布了《余热暖民工程实施方案》[5](以下简称《方案》)，该文件首次从中央政府层面鼓励并规范了低品位工业余热供暖工程的实施。《方案》对低品位工业余热进行了定义，规定低品位工业余热包括100℃以下的液体、乏汽余热、200℃的烟气余热、400℃左右的固体显热，以及其他因热源分散、回收成本高等原因尚未充分利用的中高品位余热资源等。鉴于低品位工业余热供暖的特点，《方案》提出了要在全面了解当地供暖概况、余热资源的情况下，充分运用适用于余热暖民工程的优化技术和方法——多热源的匹配优化方法、高效余热采集技术、输配技术、末端降低回水温度技术、热源调节备用策略等，目标到2020年利用低品位工业余热替代传统燃煤供热达到20亿平方米以上规模，减少供暖用原煤5000万吨以上，并在150个市(县、区)建立示范工程。

目前，国内已有相当数量的余热供暖项目建成并运行。例如宣钢、济钢的高炉冲渣水供暖项目[6,7]、石家庄石化工业冷却循环水供暖项目[8]等。绝大多数低品位工业余热供暖系统的形式主要可分为两类：(1)利用特殊换热设备回收低品位余热中较高温度热源(如钢铁行业的高炉冲渣水)的热量，用于厂区或周边小区的供暖;(2)利用电热泵、吸收式热泵等热功转换设备回收低品位余热中较低温度热源(如冷却循环水)的热量，提升温度后进行供暖。

总的来看，多数已有的工业余热供暖系统多数存在以下不足：(1)供暖规模较小，以小区规模为主，只利用了工厂内少部分余热。由于工厂内部的供暖需求并不大，而工业余热量巨大，只满足周边小区的供暖会导致仍有大量的低品位工业余热不能得到有效的利用。(2)取热过程相对单一，仅仅回收单个热源的热量，或是并联回收多个热源的热量，再将取热热水混合后供出。这种粗放的余热供热方式往往导致供水温度较低或供热量不足，无法满足大规模供热的需要(3)基本不涉及热量的远距离输配，回收的热量只为厂区或相邻小区供暖。绝大部分工业企业都位于城镇周边，与集中供暖用户距离10km甚至更远，目前近距离的供暖无法将更多的城镇用户纳入余热利用系统，不利于低品位余热的规模化回收(4)没有根据末端负荷需求对系统进行合理调节，或是简单的利用工厂内原有冷却设备(例如冷却塔)进行散热。对于目前工厂内部小规模使用问题不大，一旦涉及低品位工业余热用于集中供暖，则必须要解决好系统运行调节的问题，既保证工业生产的安全，又确保供暖过程的可靠。

在未来推广低品位工业余热集中供暖的实践过程中，必须克服上述不足，做好单个热源的高效采集及多个不同品位热源的整合优化，提升余热利用率;并提高输配效率，力争将城镇周边50公里甚至100公里半径内的低品位工业余热都纳入集中供暖系统;多家工厂和热电联产、锅炉等多热源联合供暖，大幅度提高集中供暖的保障程度。

在低品位工业余热采集问题方面，关于热泵技术、低温循环发电技术、相变/热管技术等工业余热采集技术的实验或工程应用研究方面的文献众多。然而大多数余热采集技术在余热品位较低时采集效率低下或由于余热热源的腐蚀性等诸多特性而影响采集过程的正常进行。既有研究欠缺针对不同性质余热热源的特点的分析，缺少对于采集过程核心问题、解决方向、技术难点等的归纳与总结，很难为工业余热采集技术的开发应用和改善提供导向性的参考。

在低品位工业余热整合与输配问题方面，夹点分析法[9]常用于解决化工领域换热网络优化的问题，可以被借鉴应用于工业余热整合与输配问题中。但两者在多个方面存在不同，一是化工领域的夹点分析法的优化目标是实现余热回收率的最大化，而余热整合与输配问题中取热水的热量与流量均待求，优化目标待定;二是化工领域的夹点分析法一般仅讨论换热情形，而余热整合问题不可避免的存在利用热泵提升余热品位的情形;三是有别于化工领域，余热取热的根本目的是供热，整合问题与输配问题是密不可分的。

在低品位工业余热供暖系统运行调节问题方面，文献少有研究，而已有的工程案例中基本不涉及运行调节。

本文首先从理论分析切入，简明剖析低品位工业余热供暖各关键问题的本质及其内在联系，然后重点研究可以用于解决关键问题的技术和方法，最后结合已实施的成功工程案例进行论证。