吳爽,金旭,劉忠彥,車德勇,隋軍,李睿,趙岳,王召國
區域供熱/供冷系統中余熱回收應用
吳爽1,金旭1,劉忠彥1,車德勇1,隋軍2,李睿1,趙岳1,王召國3
(1.東北電力大學能源與動力工程學院,吉林省 吉林市 132012;2.中國科學院工程熱物理研究所,北京市 海淀區 100190;3.山東里彥發電有限公司,山東省 濟寧市 273517)
區域供能系統以一次高品位能源為動力,存在能耗大、環境污染嚴重等問題。然而,基于“品位對口,梯級利用”原則,采用各種高、中、低溫余熱回收技術,可顯著提升系統能源綜合利用效率,降低整體能源消耗,減少環境污染,故備受關注。通過梳理鋼鐵、冶金以及水泥等能源行業余熱回收技術,并重點對低溫品位能源余熱回收及其應用于區域供熱/供冷系統相關技術進展進行了綜述,探究了供熱/供冷系統中各種余熱回收技術的特點。最后,結合工程實例,對供熱/供冷領域應用的余熱回收技術的可行性和經濟性進行了分析,結果顯示:余熱回收技術可提高區域供熱系統能源綜合利用效率8%以上,在區域供冷系統中余熱回收與蓄冷技術相結合,可節省運行費用20%。
低溫余熱;余熱回收;區域供熱/供冷系統; 節能
隨著社會經濟的快速發展,能源問題日益嚴重。當前,我國能源應用方面仍存在著利用效率低、經濟效益差、生態環境壓力大等突出問題[1],如何減少工業領域中CO2排放、提高能源利用率,已成為科研工作者面臨的新挑戰,也是解決我國能源問題的根本途徑。在工業領域生產過程中尚存在著大量未經任何利用而被直接排放到環境中的工業余熱[2],不僅會造成環境污染,更是一種能源浪費,如:大型火電廠發電效率只有35%~45%,大部分熱量以煙氣和冷卻水的方式排放到環境中[3];中低溫排煙、排氣及工業企業、民用建筑中可回收的余熱資源總量達到15億~20億t標準煤[4]。有效回收工業余熱,能夠實現節能減排、提高能源利用效率。工業余熱資源按照來源可分為煙氣余熱,廢氣、廢水余熱,冷卻介質余熱,化學反應余熱,可燃廢氣、廢料余熱,高溫產品和爐渣余熱[5-7]。其中:煙氣余熱廣泛存在于化工、冶金、建材、電力、機械等行業,具有余熱量大、溫度分布范圍廣的特點,且占工業余熱資源總量的50%以上;冷卻介質余熱是指在工業生產中為保護高溫生產設備或滿足工藝流程冷卻要求,空氣、水和油等冷卻介質帶走的余熱,屬于中低溫余熱,占工業余熱資源總量的20%[8];化學反應余熱占余熱資源總量的10%以下,主要存在于化工行業中;高溫產品和爐渣余熱是鋼鐵工業中最主要的廢熱來源,生產1 t鐵大約產生300kg高溫爐渣,其出爐溫度通常在1400℃以上,含有大量的熱量[9]。此外,余熱資源按溫度品位分為高溫、中溫和低溫余熱,其中:高溫余熱溫度在120℃以上,由換熱器回收用于生產;中溫余熱溫度在60~120℃,由換熱器回收用于供熱;低溫余熱溫度在30~60℃,由熱泵回收用于區域采暖[10-11]。
區域供熱系統(district heating system,DHS)在我國已有很長歷史,其由供熱源、熱媒輸送管道、熱用戶3部分組成,任何部分或其子系統出現故障或停運,都將影響整個系統的正常運行[1]。同時,低溫余熱也可用于區域供冷,區域供冷在我國起步較晚,其作為新型節能減排技術,從國家“十一五”節能減排政策出臺后逐步推廣。區域供冷系統(district cooling system,DCS)相當于一個供冷網絡,將從能源站收集的冷凍水分配給用戶(如機場、醫院、大學等),然后通過管網輸送給每個用戶的終端設備。
隨著我國城鎮化進程不斷加快,區域供冷/供熱規模逐漸擴大,能耗迅速增長?;凇捌肺粚冢菁壚谩痹瓌t,采用高、中、低品位能源余熱回收技術有效回收工業余熱,可顯著提升系統能源綜合利用效率,降低能源消耗,減少環境污染。本文梳理了供熱/供冷系統中各種余熱回收技術的特點,并通過鋼鐵、冶金等行業余熱回收技術,介紹了高、中、低品位能源余熱回收及其應用于區域供熱/供冷系統相關技術研究進展,并以熱電聯供系統和余熱驅動溴化鋰機組供冷系統為例,分析其能源綜合利用效率和節能率,評價系統的節能特性,為后續的相關研究提供參考。
工業余熱主要來源于工業生產中的各種爐和窯、化工過程等。目前,工業余熱總量約占熱工設備燃料消耗總量的42%,可回收利用的余熱資源占余熱總量的60%[12]。根據不同的溫度范圍,利用不同技術進行余熱回收,可增加企業經濟 收益。
對于品位較高的中高溫余熱回收,將其轉化為高品位的電能是余熱回收中的一條重要途徑。目前,我國的中高溫余熱回收技術發展更為成熟,并且已經廣泛應用于鋼鐵、水泥、冶金等行業。
針對鋼鐵行業工序中存在的余熱回收效率問題,諸多學者開展相關研究,提出了提高余熱回收效率的相關技術。針對馬鋼燒結余熱,丁毅等人[13]通過提高蓄熱器蓄熱量及優化蒸汽管網系統,將轉爐汽化蒸汽應用于RH爐,實現了余熱蒸汽就地循環利用,減少了長距離輸送損失。胡長慶等[14-15]研究表明:熄焦可回收80%顯熱,回收的蒸汽用于發電或其他工序的用能。李冬慶[16]構建了適合燒結冷卻機余熱發電的雙壓余熱發電系統,系統額定發電功率可達11.5MW,推進了燒結工序的節能降耗。程云等[17]根據高爐沖渣水的余熱特點,提出了一個采用分離式熱管換熱器的余熱回收方案,回收余熱可借助低溫制冷介質進行發電與制冷。李洪福[18]研究了特殊的低壓飽和蒸汽的汽輪機和蓄能器穩壓控制系統,建成了我國第一座煉鋼轉爐余熱回收發電工程,為鋼鐵領域煙氣余熱回收提供了新的技術方案。李揚[19]基于煉鋼煙氣余熱顯熱特性分析,提出了煙氣對流段顯熱回收和低質煤氣爐口燃燒轉化為煙氣顯熱2項技術,可提高轉爐煙氣余熱回收效率。馬永鋒等[20]結合工程實例分析了燒結恒溫循環余熱回收技術,并整合燒結工序煙氣余熱資源,以“溫度對口,能量梯級利用”為余熱回收原則,極大地回收燒結工序煙氣余熱,每年節省標煤量4700t,同時減少粉塵排放427.8t。
綜上所述,在焦化、燒結、煉鐵、煉鋼、軋鋼過程中,每一過程中都會產生大量工業余熱,但針對特定的技術分析所得到的結論往往并不具有普適性,難以應用于全部工程案例。
在冶金與水泥行業中,同樣存在大量的余熱資源,也有諸多學者展開相關研究。劉軍祥等[21]研究指出,提高渣粒流速和渣粒初始溫度,自流床余熱鍋爐換熱系統渣粒換熱系數和熱回收效率均逐漸增加。宋煒[22]通過水泥窯筒體外表面的余熱回收加熱尿素溶液,此余熱回收方案1h提供的熱量相當于電功率為312kW的電加熱器,如果電價按0.5元/(kW·h)、年運行時間按7200h計算,年節省電費112.32萬元。
目前,鋼鐵行業的余熱主要應用于發電、供熱、制冷以及供鋼廠其他工序使用,雖能達到節省能源的目的,但整體上依舊存在大量能源浪費現象。從鋼鐵行業一個側面,縱觀不同能源領域,中高溫余熱利用尚缺少整體綜合利用的方案和技術,且余熱綜合利用效率不高。在實際工程應用中,應按照“按質用能、溫度對口,能級匹配、梯級利用”原則,通過改善能源品質提高余熱回收效率。
低溫余熱回收技術主要有熱泵、余熱發電、制冷和熱管等技術。熱泵技術[23]作為高效熱能轉換裝置,利用少量高品位電能、機械能和熱能,將熱量由低溫側轉移至高溫側。余熱發電[24]是利用生產過程中多余的熱能轉換為電能的技術,如有機朗肯循環(organic Rankine cycle,ORC)和Kalina循環,其工作原理分別如圖1、2所示。熱管[25-26]工作原理是利用密閉管內工質的蒸 發與冷凝進行熱量傳遞,工質在加熱段中汽化,吸收大量熱量,并通過熱管將熱量迅速傳遞到熱源外。
諸多學者針對不同的低溫余熱回收技術展開了相關研究。李萌[27]分析了2種熱泵系統的余熱回收率、節能性和能源利用,并根據分析結果指出,提高能源利用水平應重點優化蒸發器、吸收式熱泵機組發生器內部結構和外部溫度條件。姜迎春等[28]將機械壓縮和熱壓縮有機結合,使煙氨氣在吸收器中被稀氨水吸收,放出的熱量用于生產工藝蒸汽。高軍[29]研究表明:將高效熱泵用于回收循環水的余熱,能較好地實現能量的梯級利用,節能效果顯著。劉慶偉[30]基于HGAX循環原理及循環特性分析,總結了此循環低溫余熱回收利用的主要優勢,指出此技術可實現高效回收低溫余熱。周濤等[31]研究了一種轉爐煙氣中低溫余熱回收工藝,通過全面回收轉爐煉鋼的煙氣余熱并加以充分利用,可實現節能降耗,提高轉爐煉鋼水平?;粽琢x等[32]分析指出,在大型離心空壓機低溫余熱系統中,ORC余熱回收系統的最佳循環熱效率和系統循環效率分別可達8.07%和29.15%。

圖1 有機朗肯循環示意圖

圖2 Kalina循環示意圖
綜上所述,我國對于低溫余熱的利用還處于嘗試和發展階段,雖然提出了較多余熱回收技術,但仍不夠成熟,普遍存在投資風險大、成本高等問題,以至于很大部分低溫余熱直排環境,造成了能源的巨大浪費。因此,進一步研究拓展,把中高溫技術與低溫技術耦合成一個整體,即先回收中高溫余熱,再回收低溫余熱,綜合提高余熱利用率是非常必要的。
目前,區域供熱系統的熱源大都來自于燃煤鍋爐或熱電廠抽汽,熱源與用能需求之間的能源品位不匹配,造成做功能力的巨大浪費[33]。
鋼鐵行業等工業企業的低品位余熱資源與區域供熱系統所需能源品位相似,因此,合理利用“三高”企業的低品位余熱是解決我國供熱熱源緊缺的重要戰略。我國在20世紀90年代末將鋼鐵工業低品位余熱應用于供熱工程。1997年,濟鋼利用部分煉鐵高爐的沖渣水為廠區自轄小區進行供暖[33]。邊海軍等[34]提出了鋼鐵廠內自備電廠的余熱回收及供熱流程,如圖3所示。

圖3 鋼鐵廠自備電廠余熱回收及供熱流程圖
此系統滿足周邊區域380萬m2供熱面積的用熱需求,供熱能力可達189MW,余熱回收量合計127MW,累計節約標煤量4.05萬t,二氧化碳減排量達10.13萬t。鋼鐵廠余熱資源回收因工序、溫度以及使用端需求等存在較大差異,在余熱回收技術方面也存在差異。目前,科研工作者正在探索新型余熱回收技術,促進高效可持續發展的新型供熱模式的創建。
由于工業余能資源總量巨大,存在回收利用和轉換條件復雜的問題。目前,燃氣鍋爐煙氣余熱回收方案主要有煙氣換熱器的余熱回收方 式[35]和煙氣換熱器與熱泵聯合的余熱回收方 式[36]2種。張迪等[37]提出了一種應用水源熱泵的燃氣鍋爐煙氣余熱深度回收技術,如圖4所示。該技術采用雙級煙氣余熱回收,并在鍋爐尾部煙道加裝兩級煙氣余熱回收裝置,排煙溫度降至 30℃以下,供暖燃氣消耗量降低10%,解決了現有燃氣鍋爐煙氣余熱回收裝置受供熱系統回水溫度較高限制,以及難以回收煙氣余熱中大量潛熱的問題。

圖4 水源熱泵煙氣余熱深度回收系統示意圖
趙璽靈等[38]提出了分布式熱泵調峰型燃氣熱電聯產煙氣余熱回收供熱系統,如圖5所示。該系統在熱源站采用余熱鍋爐和直接接觸式換熱塔逐級回收燃氣發電設備煙氣余熱,并利用板式換熱器和吸收式熱泵機組將熱量傳遞給一次網回水,使回水逐級升溫,最終發電機組低壓缸抽氣通過汽–水換熱器將一次網熱水加熱至120℃。在二次網熱力站處采用補燃型吸收式熱泵對二次網進行調峰,并降低一次網的回水溫度,與有余熱資源的熱源相結合,低溫回水回到熱源處回收余熱,此種循環流程有利于回收更多煙氣余熱,供熱能耗降低6%。
王富全等[39]采用熱水驅動的溴化鋰吸收式熱泵方案,實現了煙氣余熱回收和煙氣“脫白”,具體流程見圖6。此技術提升了鍋爐熱效率10% 以上,排煙溫度降低到30℃以下,消除了“白羽”現象,同時二氧化硫、氮氧化物排放也降低了10%~15%。

圖5 分布式熱泵調峰型燃氣熱電聯產煙氣余熱回收供熱系統

圖6 熱泵余熱回收系統流程圖
綜上所述,在供熱系統中利用各類熱泵裝置或換熱設備提取工業余熱中低品位余熱的應用實例越來越多,并在我國的供熱行業取得了較好的發展,但依靠熱電聯產進行余熱回收,普遍存在利用率低等問題。其中,中低溫余熱難以有效回收是目前存在的主要問題,應利用ORC等技術回收中低溫余熱,或應用中高溫余熱聯合低溫余熱回收,不同階段使用不同的回收技術,不僅可提高能源利用效率,還能降低運行成本。
在供冷系統中,利用高溫余熱回收機組回收工業機械循環冷卻水熱量,實現對余熱的高效利用。制冷機主要利用再生器回收60℃以上余熱,通過蒸發器制取5~30℃冷水以滿足制冷需求。在多數制冷系統中,普通氣候條件下設備的冷凝溫度在35~60℃[40],該部分溫度不高,導致能量品質過低而難以利用。通過提高能量品質,回收該部分能量并用于牛奶廠、屠宰場、大型建筑的制冷及其內部熱水供應,水果的儲存與果干加工,大型超市食品存儲及采暖體系等[41]同時需要產熱及制冷的場所中,有益于提高經濟效益。舒建國等[42]采用全熱回收高溫熱泵技術對禽類屠宰場的制冷系統進行余熱回收,用于生產熱水和廠區采暖,節能效果顯著,該系統原理如圖7所示。魏洪生等[43]采用氨制冷系統冷凝熱回收,空氣能熱泵系統提升溫度,實現了節能降耗,提高了經濟效益。楊洋[44]針對牛奶的生產工藝進行分析,并設計出牛奶冷卻系統和余熱回收系統,余熱回收系統的設計將給乳品公司減少資金上的投入。
梅玉龍等[45]引入一種簡便易行的循環冷卻水余熱回收系統,將空調循環冷卻水系統與集中生活熱水系統有機結合起來,該系統可實現空調循環冷卻水系統的余熱回收與節水的效果,從而降低集中生活熱水系統的運營成本。周建輝等[46]采用熱泵技術吸收換流閥余熱,提升熱源的品位,并通過驅動吸收式熱泵系統進行制冷、制熱,實現了換流閥冷卻以及余熱回收利用,該新型換流閥余熱綜合利用系統工作原理如圖8所示。付林等[47]提出了一類熱泵型天然氣熱電冷聯供系統,該系統利用吸收式制冷機在冬季兼作熱泵運行,與直燃機作余熱鍋爐相比,該系統折合熱回收率提高了16.2%;與常規熱電冷聯供系統相比,這類系統充分利用了天然氣能源,使系統余熱回收率有了不同程度的提高,為后續學者研究天然氣余熱回收奠定了堅實基礎。

圖7 全熱回收高溫熱泵系統原理圖

圖8 新型換流閥余熱綜合利用系統原理圖
綜上所述,在供冷工程中,通過增加換熱器來回收冷凝器余熱,或利用蓄冷技術與空氣壓縮機等余熱回收技術聯合等措施,充分利用供冷系統中的余熱。在同時需要產熱及制冷的場所中,將低溫余熱用于吸收式制冷或者熱泵制熱,改變余熱能量的等級,提高經濟效益,將成為供冷系統余熱回收的新思路。此外,可發展冷熱電三聯供系統,在緩解供能壓力、提高能源利用效率、減少CO2排放等方面具有顯著的優勢。
磐石宏日30 MW生物質熱電聯產項目位于吉林省磐石經濟開發區,由吉林宏日新能源股份有限公司投建,系統方案流程如圖9所示。該項目包含2臺35 t/h鍋爐,燃料耗量為35.88 t/h,在標準狀態下生物質熱電聯產機組煙氣量為23萬m3/h(29 kg/h),排煙溫度為145℃,煙氣中水蒸汽量為23.68t/h。額定供熱抽汽負荷為50t/h,最大供熱抽汽負荷為90t/h。累計采暖供熱面積達51萬m2,采暖熱指標為45W/m2。非采暖期額定工況在2臺鍋爐滿負荷運行時,汽輪發電機組通過抽汽對外供50t/h工業用汽,發電機功率為 29.3MW。

圖9 生物質熱電聯產系統方案流程示意圖
利用溴化鋰吸收式熱泵提高系統采暖供熱能力,回收煙氣的熱量,顯熱熱量高溫部分用于熱泵的驅動熱源,低溫部分用于直接供熱,潛熱熱量用于熱泵的低品位熱源。冷熱站系統有以下5種運行模式:
1)鍋爐產蒸汽量為150t/h,汽輪發電機組通過抽汽對外供90t/h工業用汽,發電機總功率為21.6MW。
2)2臺鍋爐非滿負荷運行時,純凝工況下,鍋爐產蒸汽量為120t/h,汽輪發電機組純凝發電,發電機功率為30MW。
3)采暖期額定工況下,冬季采用低真空供暖方式,2臺鍋爐滿負荷運行時,抽50t/h工業用汽,低真空循環水供暖面積為67萬m2,發電機功率為27.3MW。
4)冬季采用低真空供暖方式,2臺鍋爐滿負荷運行時,抽50t/h工業用汽,低真空循環水供暖面積為7.3萬m2,另抽50t/h蒸汽供暖,供暖面積約75萬m2,發電機功率為19.4MW。根據周邊企業用汽量調整鍋爐產汽量,進行供汽、供暖、發電、制冷。
5)冬夏均采用低真空采暖運行方式,2臺鍋爐滿負荷運行時,抽50t/h工業用汽,低真空循環水供暖面積為67萬m2,發電機功率為27.3MW。由于熱泵出水溫度為70℃,不滿足烘干生物質需求,因此夏季用部分抽汽將熱泵出水升溫至 80℃,用于烘干。
熱用戶的用汽壓力均在0.4~0.8MPa,綜合分析確定機組選型抽凝機組,抽汽參數壓力為 0.98MPa,溫度為280℃。
該項目可同時滿足周邊企業生產用汽、制冷用汽的需求,冬季供暖采用低真空供暖方式,可滿足周邊供暖需求。系統增加的供熱量為10178kW,按采暖指標50W/m2,熱價27.5元/m2計算,則每年熱費收入增加560萬元;系統能源綜合利用效率為94.6%,節能率為31.0%,且鍋爐效率提高了8.3%。
橫琴3#能源站項目位于珠海市橫琴新區,3#站總供冷面積為498813.9m2,分北、南、西三側進行供冷,其中,北側供冷面積為223818.1m2,南側供冷面積為179459.7m2,西側供冷面積為95536.1m2。
整個橫琴3#能源站冷熱源位于中心,供冷站設備基本配置有:水箱和水蓄冷換熱系統,蓄冰盤管及融冰換熱系統溴化鋰制冷主機、水泵和冷卻塔等輔助系統,雙工況主機、水泵和冷卻塔等輔助系統,雙蒸發工況主機、水泵和冷卻塔等輔助系統,離心式電制冷主機、水泵和冷卻塔等輔助系統。區域供冷3#能源站設備平面布置如圖10所示。

圖10 區域供冷3#能源站設備平面布置圖
系統主要運行模式如下:晚間雙工況制冷機組蓄冰,白天利用余熱驅動溴化鋰機組串聯融冰板換供冷;晚間高效永磁同步變頻離心式冰蓄冷雙工況機組的總制冷量為40881.5kW×h,總耗電量為9667.0kW×h,機組平均性能系數(coefficient of performance,COP)為4.23;白天空調負荷由 蓄冷設備與余熱驅動的吸收式制冷主機共同承擔,其中吸收式制冷主機與熱電站配合,實現了能源的梯級利用;此外,此區域供冷系統充分 利用峰谷電價和負荷預測,通過空調供水或回水溫度監控對蓄冰工況與供冷工況進行轉換,解 決了制冷主機和蓄冰裝置之間的供冷負荷分配問題。
按照目前珠海電價結構計算[48],利用余熱驅動溴化鋰機組供冷和冰蓄冷的全年機組運行費用為891.32萬元,而采用傳統電驅動的蒸汽壓縮制冷方式的全年機組運行費用為1154.13萬元,優化余熱回收與冰蓄冷相結合技術及其控制策略,橫琴3#能源站區域供冷系統每年可節省運行費用20%。
我國工業余熱資源豐富,合理利用工業余熱,是提高區域供熱/供冷系統能源利用率的重要舉措,也是實現我國節能減排的工作重點。目前,中高溫余熱利用技術普及率不高,低溫余熱未得到充分利用,是我國余熱利用率低的原因之一?;谇拔木C述與分析,認為對今后區域供熱/供冷系統余熱回收問題的研究工作應從以下3個方面開展:
1)為了更好地促進節能減排工作,有必要進一步推廣使用中高溫余熱,加強對低溫余熱的研究,充分利用低品位余熱。
2)以現有的余熱回收技術為基礎,針對工業余熱的間歇性、不穩定性、能量密度低等特點,對余熱回收技術進行升級創新,以提升能源利用效率。
3)通過對供熱/供冷項目的能效分析,如何合理進行熱量/冷量的余熱回收,以及如何合理規劃不同區域供熱/供冷項目的系統設計、運行策略,是需要進一步研究的問題,也是實現能量合理利用的關鍵問題。
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Waste Heat Recovery Applications in District Heating/Cooling Systems
WU Shuang1, JIN Xu1, LIU Zhongyan1, CHE Deyong1, SUI Jun2, LI Rui1, ZHAO Yue1, WANG Zhaoguo3
(1. School of Energy and Power Engineering, Northeast Electric Power University, Jilin 132012, Jilin Province, China;2. Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Haidian District, Beijing 100190, China; 3. Shandong Liyan Power Generation Co., Ltd., Jining 273517, Shandong Province, China)
The regional energy supply system is powered by high-grade energy, which has problems such as high energy consumption and serious environmental pollution. However, based on the principle of "energy grade matching, and cascade utilization", through utilizing various high, medium and low temperature waste heat recovery technologies, the integrated energy efficiency of the system can be significantly improved, as well as the overall energy consumption and environmental pollution can be reduced, so it is of great concern. Through sorting out the technologies of waste heat recovery in the energy industry of steel, metallurgy and cement, and summarizing the technological progress of low-temperature grade energy waste heat recovery and its application to district heating/cooling systems, the characteristics of various waste heat recovery technologies in the heating/cooling systems were inquired. Finally, the feasibility and economy for application of waste heat recovery technologies in the field of the heating/cooling systems were analyzed with project cases. The results show that by utilizing the waste heat recovery technologies, the integrated energy efficiency of the district heating system can be improved by more than 8%. And the operation cost can be saved by 20% in the district cooling system through combining cold storage technology with waste heat recovery.
low temperature waste heat; waste heat recovery; district heating/cooling systems; energy saving
10.12096/j.2096-4528.pgt.20010
TK 115
國家重點研發計劃項目(2018YFB0905104)。
Project Supported by National Key Research and Development Program of China (2018YFB0905104).
2020-03-30。
(責任編輯 尚彩娟)