低品位余热集中供暖技术问题及解决方法

低品位工业余热用来集中供暖系统相关技术关键问题及解决方法

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。供热信息网了解到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。

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。供热信息网了解到显然，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：

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，

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