低溫工業余熱回收利用典型場景與應用案例

文_陳彬 楊延春 張建海 國網（天津）綜合能源服務有限公司

2021年12月，國務院印發《“十四五”節能減排綜合工作方案》，明確指出推動重點行業節能改造和污染物治理，到2025年，全國單位國內生產總值能源消耗比2020年下降13.5%。2022年1月，工信部等八部委聯合印發《關于加快推動工業資源綜合利用的實施方案》，推動工業資源綜合利用和綠色轉型，為實現碳達峰、碳中和目標奠定基礎。

根據行業調查，我國工業能耗約占全社會總能耗的70%以上，其中余熱資源約占其能源消耗總量的16%～67%，可回收利用的余熱資源約占約其能源消耗總量的10%～40%。通常，按照余熱的不同溫度，一般將高于500℃的余熱稱為高溫余熱，400～500℃稱為中溫余熱，400℃以下為低溫余熱。

當前余熱回收主要以鋼鐵、冶金、水泥、化工等行業生產過程中產生的高溫顯熱為主。近年來，隨著低溫余熱發電機組、中高溫熱泵技術等低溫余熱回收利用技術的逐漸突破，工業企業低溫余熱應用案例逐漸增多，本文根據工程經驗，分析整理了低溫余熱回收典型場景和應用案例，為工業企業低溫余熱回收利用的推廣提供借鑒。

1 余熱回收利用主要方式

通常情況下，工業企業余熱回收利用的方式可以分為三類，一是余熱的直接利用，通過間壁式換熱器、蓄熱式換熱器等形式直接換熱。由于直接熱交換技術的能力有限，這種方式一般適用于余熱溫度大于50℃的場景。二是余熱的熱電轉換，利用水蒸氣朗肯循環或者有機朗肯循環發電技術，通過循環工質吸收余熱的熱量蒸發汽化，膨脹做功帶動發電機發電。由于發電機自身結構的限制，這種方式一般適用于余熱溫度大于100℃以上的場景。三是余熱的提質綜合利用，通過熱泵系統將低溫余熱提升至較高溫度后再進行綜合利用。這種方式一般適用于余熱溫度小于40℃的場景。根據熱泵冷凝溫度不同，可以將熱泵系統分為常溫熱泵和高溫熱泵。其中常溫熱泵冷凝溫度一般低于55℃，主要用于供暖；高溫熱泵冷凝溫度可達60℃以上，可以用于生產工藝。

2 余熱回收利用典型場景

2.1 回收余熱用于做功發電

在鋼鐵、冶金、水泥、化工等行業中，涉及的煉焦、煉鐵、燒熟、燒結等工序都有較為集中可用的低品位工業余熱，且余熱溫度和密度較高，具備余熱發電的條件，可以通過ORC發電機組實現余熱的回收利用。

天津渤海石化有限公司于2013年建成投產60萬t/a丙烷脫氫項目一套，丙烷脫氫裝置反應器的真空噴射器排氣為過熱微正壓蒸汽，溫度188～225℃，每小時排氣量33t，蒸汽經噴射泵、消音器、管路后進入煙囪直接排放，造成大量的余熱浪費。

為回收尾氣余熱，建設2臺ORC發電機組，將噴射器的尾氣余熱轉化成電能，同時被冷凝下來的水蒸氣經過處理之后進入脫鹽水系統進行回收利用，余熱回收系統詳見圖1。

圖1 渤海石化余熱回收系統示意圖

該項目每年發電量可達1300萬kWh左右，節省企業用能成本780萬元，節約標準煤約5200t，減排二氧化碳13000t，對化工企業節能減排起到了積極的示范作用。

2.2 回收余熱用于生產工藝

在乳品飲料、速凍食品等企業生產過程中，通常同時具有制冷和供熱需求，一方面制冷機組產生大量的30℃左右的余熱，通過冷卻塔排放到空氣中；另一方面需要通過燃氣鍋爐或者電鍋爐產生75℃以上的熱水用于殺菌、清洗等工藝。通過高溫熱泵技術，回收冷卻塔中的低溫余熱，產生75℃以上的工業熱水用于生產工藝，從而節約能源消耗量。

天津冠芳果汁有限公司于2018年建成兩條山楂汁飲料生產線，飲料生產過程中的吹塑、冷卻等工藝每小時產生400多噸35℃左右冷卻水余熱，通過冷卻塔直接排放到空氣中，造成大量的余熱浪費。與此同時，企業每年需要消耗400余萬m3天然氣產生80℃以上的熱水，用于飲料生產過程中的預煮、殺菌等工藝，能源消耗量巨大。

為回收冷卻塔余熱，采用“板式換熱器+空氣源熱泵+高溫熱泵”的組合方案，將15℃的生產熱水經過三級加熱后，產生80℃的生產用水，用來山楂蒸煮軟化和保溫殺菌，詳見圖2。該項目替代原鍋爐蒸汽供熱112889GJ，每年節約標煤約2200t，減排二氧化碳量3600t，在食品飲料行業具備較大推廣價值。

圖2 冠芳果汁余熱回收系統示意圖

2.3 回收余熱用于建筑供暖

在常規工業企業中，空壓機、制冷機等設備的冷卻介質會產生大量低溫余熱，通過常規水源熱泵或者空氣源熱泵技術，可以將熱水溫度提升至50℃左右，直接并入企業供熱二級管網，替代市政熱源或者燃氣鍋爐。

京津高村科技創新園是以數據中心為特色的國家級高新技術產業園區，園區內配套建設集中辦公建筑面積10萬m2，用來解決數據中心相關人員的辦公住宿需求。目前園區已建成三家數據中心，建成機柜5000余個，每臺機柜可利用發熱量為4kW，機柜總可利用發熱量為20MW，數據中心余熱可以滿足辦公建筑的供暖和生活熱水需求。

為回收數據中心余熱，采用“常規水源熱泵為主+空氣源熱泵為輔”的組合方案，從太平洋電信數據中心12℃冷凍水回水取熱，利用常規水源熱泵產生50℃熱水，為園區配套辦公建筑供暖，同時配備空氣源熱泵作為備用熱源，余熱回收系統詳見圖3。余熱回收利用后，每年可為太平洋電信節省制冷電費約60萬元，降低辦公建筑能源費用100萬元，為高村科技創新園減排二氧化碳1600t。

圖3 高村數據中心余熱回收系統示意圖

3 結語

低溫工業余熱資源普遍存在且相當可觀，通過低溫余熱發電技術、中高溫熱泵等技術實現低溫工業余熱資源的綜合利用是工業企業節能降耗的有效手段，也是實現“碳達峰、碳中和”的重要途徑。本文介紹的低溫余熱回收典型場景和應用案例均為國網（天津）綜合能源公司近幾年實施的節能項目，適用于大多數工業企業生產過程，對于推動能源消費側節能降碳具有典型示范意義。