中水能源置換燃煤鍋爐供熱研究★

張 洋，李啟民

(中國地質大學(北京)水資源與環境學院，北京 100083)

從1992年起，我國能源消費總量就超過了能源生產總量，原油從1993年開始也由凈出口轉為進口，2007年我國成為世界第二能源消費大國。以煤炭、石油為主體的傳統能源在給人類創造財富的同時，也給環境造成了巨大的污染，導致生態破壞。我國的排放量僅次于美國居世界第二位。

20世紀80年代初，鍋爐改造問題就引起各方面的重視。2004年國家公布的《節能中長期專項規劃》將小鍋爐改造列為十大示范工程的首位。為改善北京空氣質量，迎接奧運，2008年前北京市將四環路以內20 t/h以下的鍋爐改燒天然氣，并對改燃的單位給予經濟補助。可見，大力發展可再生能源是我國全面建設小康社會的能源要求。

可再生能源工程強調建筑節能和低品位能源的綜合開發與利用，盡量減少對自然界和環境的不良影響，創造整體有序、協調共生的良性生態系統，符合可持續發展的要求[1-4]。

在礦井建設和生產期間，大氣降水、地表水和地下水都有可能通過地層的孔隙或裂隙在井下形成礦井涌水[5]。礦井涌水必須通過井下排水設備排至地面，否則會影響礦井建設和生產的正常進行。礦井涌水、生活廢水等經過處理后形成的中水可達到規定的水質標準，而且溫度比較高，是集水、熱于一體的可再生復合資源[6-8]。中水再生回用既可節約清潔水資源，又可減輕水污染，是實施可持續發展戰略的重要措施。2019年北京市廢水排量約12.2億t，但實際利用量卻比較少。

1 小鍋爐供熱分析

工業鍋爐是中國重要的熱能動力設備，包括工業用蒸汽鍋爐、采暖用熱水鍋爐、民用生活鍋爐、工業企業自備發電鍋爐、特種用途和余熱鍋爐等。我國工業鍋爐共有8個大類，38個系列，85個品種，300多個規格[9]。燃煤工業鍋爐的品種規格較多，其燃燒方式主要是層燃，約占燃煤工業鍋爐總容量的95%(其中鏈條爐排鍋爐約占65%，往復爐排占20%，固定爐排約占10%)，循環流化床鍋爐約占3%～5%。

我國燃煤鍋爐效率低，污染重。鍋爐設計效率為72%～80%，平均運行效率約60%～65%，平均運行效率比國外先進水平低15%～20%，是主要的煤煙型污染源。燃煤鍋爐存在的問題還有：單臺鍋爐容量小，設備陳舊老化，鍋爐平均負荷小，鍋爐自動化水平低，燃燒設備和輔機質量低，使用煤種與設計煤種不匹配，缺乏熟練的專業操作人員，污染控制設施簡陋，節能監督措施不力等。

因此，利用可再生能源(特別是礦井涌水、生活廢水等)代替傳統能源，從根本上解決化石能源燃燒造成的污染，對實現可持續發展、建設美麗中國具有更加深刻意義。

2 項目概況

2.1 既有供熱系統

某機關位于北京郊區，占地4.67 hm2，既有采暖建筑面積2.05萬m2，計劃增加采暖建筑面積0.4萬m2，職工近500人。既有建筑多為20世紀80年代所建，保溫效果較差，為非節能建筑物。

該機關原冬季供暖采用燃煤鍋爐，鍋爐房建筑面積為323 m2，設置2臺4 t燃煤熱水鍋爐采暖，一運一備，單臺供熱量2.8 MW。原供熱系統末端設備全部采用普通鑄鐵散熱器，各建筑物供熱系統采用單管上供下回形式。原供熱系統采用間歇式運行，最高供水溫度80 ℃，最高回水溫度60 ℃。

2.2 既有供熱系統問題分析

污染嚴重：燃煤鍋爐供熱過程中，排出大量的CO2,SO2,煙塵等有害氣體，對周圍環境造成較大的危害，嚴重影響首都的形象。

運行成本增高：原煤價格不斷上漲，導致燃煤鍋爐的運行增加。

資源浪費大：小型燃煤鍋爐的熱效率低，供熱管網保溫性能差，造成了較大的資源浪費。

舒適性差：間歇式供熱室內溫度波動大(13 ℃～17 ℃)，用戶反映舒適性很差。

3 資源條件分析

該機關遠離市區，資源貧乏。距離城市天然氣管網遠，利用燃氣鍋爐供熱短時間難以實現。

該地區水文地質條件較差，含水層薄，地下水量小，保證程度低。尤其是遇到連續干旱時期，地下水補給減少，地下水資源出現連續虧損狀態，水位不斷下降，目前該地區地下水位埋深已在30 m以下。另外，地下水污染程度增加，第四系地下水硬度、礦化度等均已超過國家《地下水質量標準》。

距離該機關約1.0 km處為一中外合資污水處理廠，日處理污水7萬t，冬季中水的設計最低溫度為15 ℃，處理后的中水用于沖洗附近河流，凈化環境。在以后幾年里，該污水處理廠的生產能力還要進一步擴大。污水處理廠中水參數詳見表1，中水渠源頭見圖1。

表1 中水相關參數

4 項目研究與設計

4.1 能源選擇

污水處理廠的中水用于凈化河流環境，其熱能卻沒有得到有效地開發，屬于低品位能源的浪費。該機關距離中水源頭較近，中水使用量和使用溫度均不受下游用戶的影響，有著較好的利用條件。所以，該機關燃煤鍋爐改造工程因地制宜地將中水作為可再生能源研究對象，提取熱量還原水量，投資少、見效快、資源可靠，為低品位可再生能源的二次開發利用探討新方法和新技術，意義重大。

4.2 設計參數

冬季采暖室外計算溫度取-9 ℃，采暖室內設計溫度為18 ℃。一期工程采暖熱負荷為1 398 kW，二期工程總采暖熱負荷為1 578 kW。供熱系統最高供水溫度68 ℃，最高回水溫度58 ℃。

4.3 工藝流程

1)工作原理。

以城市中水作為熱源，采用2臺大溫差水源熱泵機組運行，從中提取熱量，供建筑物采暖，并通過熱交換器供洗浴中心熱水(每周2個下午)，單臺熱泵機組額定制熱量730 kW。中水能源系統承擔采暖基礎熱負荷，并利用機組能量級別和建筑物區劃耦合技術進行節能調峰。

2)采暖系統。

采暖系統維持原來的鍋爐采暖系統不變，末端設備為原來的鑄鐵四柱813型散熱器。

3)系統性能。

熱泵機組可根據系統負荷大小進行能量的自動調節，達到運行節能目的，能量調節范圍為：12.5%～100%。系統低溫供熱能效比為4，高溫供熱能效比為3，供熱工藝流程見圖2。

5 項目施工

5.1 中水引入系統

中水輸送管道采用埋地鋼管，環氧煤瀝青防腐處理后采用聚氨酯泡沫塑料保溫。中水設計流量為200 m3/h。加壓泵室位于中水渠取水口附近，采用地下式鋼筋混凝土結構。

5.2 數據與控制系統

熱工監測參數主要包括：溫度、壓力、流量等。重要的熱工參數監測通過數據自動采集系統和人工監測兩種方式進行。

大溫差熱泵機組設置自動控制和人工控制兩種方式，加壓泵和循環水泵通過變頻裝置進行人工控制，補水泵則通過遠傳壓力表進行自動控制。

5.3 土建工程

對原燃煤鍋爐房進行改造和裝修后，根據工藝要求并結合現狀重新布置設備，形成了新的熱力機房，見圖3。

5.4 節能措施

主設備采用能效比大的大溫差熱泵機組。循環泵、加壓泵和補水泵均配置變頻調速裝置。對于室外中水輸送管道、室內熱力管道均進行保溫處理，減少熱損失。

6 系統運行分析

6.1 節能運行

根據室外溫度的變化，通過調整熱泵運行臺數、壓縮機運行臺數和供熱溫度，對熱力系統輸出能量進行控制，使供熱量和耗熱量耦合，同時對循環水泵和加壓泵實施變頻調速，達到供熱系統與外界氣候同步變化(同時考慮建筑物室內溫度變化的滯后效應)，達到節能目的。

供熱系統補水率每增加1%，補水熱損失造成的能量消耗增加2.9%。本項目通過改善排氣系統，減小系統補水量，達到節能目的。

6.2 中水溫度監測

在某一供暖期里，中水溫度的平均值為18.6 ℃，其中最低旬平均值為17.1 ℃(出現在1月上旬)，最高旬平均值為19.9 ℃(2月下旬)，中水的旬平均溫度變化趨勢與室外氣溫的旬平均溫度變化趨勢一致，比原設計溫度更為理想，中水溫度與室外氣溫變化曲線見圖4。

值得一提的是，4個月的供暖期中，中水溫度最低值出現在3月4日。春天來了，3月4日的北京下起了暴雨，大量的冷凍雨水沖進了污水渠和中水渠，中水溫度迅速降至11.7 ℃～15.6 ℃，持續時間5 h。隨著氣溫的進一步降低，暴雨變成了暴雪，地面雨水停止了流動，中水溫度又迅速回升到18 ℃左右。本次雨夾雪強度大，北京降水量超過30 mm。

6.3 供熱效果分析

選擇一個辦公室和一個居室進行溫度跟蹤監測，監測結果表明，4個月的采暖期里，室內溫度的變化范圍為18 ℃～20 ℃，用戶滿意。

7 效益分析

7.1 經濟效益分析

某采暖季里，中水可再生能源供熱系統共運行121 d，單位面積耗電量指標(包括洗浴熱水)為30.2度/m2，比某干休所淺層地下水水源熱泵供暖系統(同為80年代的非節能建筑，地下水溫度為14.5 ℃，并折合到相同的室內溫度)節電7%左右。中水平均溫度比地下水溫度高4.1 ℃，根據試驗資料[10]，水源熱泵機組能效比(COP)提高8%左右。

7.2 環境效益分析

該機關原燃煤鍋爐在一個采暖季里燃燒原煤約550 t(包括采暖和洗浴)，利用中水能源供熱后，同期減少排放各種污染物約1 394.6 t[11]，其中減排SO2氣體11.4 t，減排NOx氣體5.6 t，減排CO2氣體1 369.3 t，減排煤塵8.3 t。

8 結語

本項目利用可再生能源代替傳統的化石能源，對中水進行二次利用，提取熱量保留水量，建立了循環利用模式，供熱效果好，有效地推動了建筑物供熱工程的節能減排工作，取得良好的經濟效益和環境效益，并得出以下經驗：

1)本項目利用中水置換燃煤鍋爐進行供暖，每個采暖季節省煤炭550 t，減排各種污染物約1 394.6 t，實現了中水能源的再生利用，節能減排的意義重大。

2)中水水源熱泵可再生能源供熱系統比地下水水源熱泵節電約7%，水源熱泵機組能效比(COP)提高8%左右。

3)根據室外氣溫調節機組供回水溫度，可取得更好的節能效果。

4)在中水引入系統中，應設計多道凈化或清理設備，清除中水懸浮物。