低品位余熱用于城鎮(zhèn)集中供熱方式的探討

蘭文龍 中節(jié)能科技投資有限公司 張茂勇 山東迪爾節(jié)能科技有限公司

低品位余熱用于城鎮(zhèn)集中供熱方式的探討

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本文以鋼鐵廠低品位余熱綜合利用為例,探討了工業(yè)生產(chǎn)伴生余熱梯級(jí)綜合利用方式問(wèn)題，以濟(jì)鋼為例提出了我國(guó)工業(yè)低品位余熱資源回收，并用于城市集中供熱的新模式，并對(duì)鋼鐵廠內(nèi)低品位余熱資源的種類與規(guī)模進(jìn)行了初步評(píng)估。

1 問(wèn)題的提出

1.1 低品位工業(yè)余熱資源及其回收利用

中國(guó)能源消費(fèi)總量巨大、增量持續(xù)強(qiáng)勁，2013年中國(guó)能源消費(fèi)總量36.7億t標(biāo)準(zhǔn)煤，位居世界第一。近年來(lái)，終端能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，工業(yè)生產(chǎn)及運(yùn)輸占65%～70%，其中鋼鐵、化工、建材、電力、石化、有色金屬等6個(gè)高耗能產(chǎn)業(yè)合計(jì)占比50%。中鋼協(xié)數(shù)據(jù)顯示，鋼鐵工業(yè)粗鋼產(chǎn)量2010年達(dá)6.27億t，占全國(guó)總能耗的16.3%，2013粗鋼產(chǎn)量達(dá)到7.82億t，估算能耗總量可達(dá)5億t標(biāo)準(zhǔn)煤，其伴生的大量低品位余熱資源被浪費(fèi)。中國(guó)的能源資源結(jié)構(gòu)及消費(fèi)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)決定了中國(guó)能源形勢(shì)必將長(zhǎng)期緊張，尋找能源可持續(xù)發(fā)展始終是實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分和基本前提。

在工業(yè)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，能源以各種形態(tài)散失掉了。雖然經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期努力，部分高品位余熱已開始逐步被利用，但大量屬于較低品位的余熱，經(jīng)常以煙氣、低溫水或中低溫固態(tài)廢棄物等形式棄掉。關(guān)鍵問(wèn)題在于，這類余熱資源因其能量品位不匹配，缺乏用相應(yīng)的負(fù)荷或轉(zhuǎn)化利用手段而不能得到有效利用。

雖然余熱利用受限于余熱介質(zhì)條件、運(yùn)輸及使用對(duì)象等邊界條件的影響，難以做到完全利用，但從總體上講，對(duì)于工藝余熱利用于城鎮(zhèn)供熱的問(wèn)題，其實(shí)施難度與經(jīng)濟(jì)代價(jià)要比利用化石能源等一次能源更加容易和經(jīng)濟(jì)。因此，應(yīng)該像利用化石能源那樣大規(guī)模利用工業(yè)低品位余熱資源，如在城市集中供熱等低溫用能領(lǐng)域加以利用。

1.2 城鎮(zhèn)集中供熱是余熱的利用新方式

中國(guó)近十年來(lái)城鎮(zhèn)能源消耗的年增長(zhǎng)率一直高居于10%左右，其中北方地區(qū)集中供熱能耗已超過(guò)2億t標(biāo)準(zhǔn)煤，而隨著中小城市的熱化率迅速提高、特別是新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的提速發(fā)展，預(yù)計(jì)僅北方地區(qū)集中供熱領(lǐng)域近幾年就可能新增能耗2～3億t標(biāo)準(zhǔn)煤以上。集中供熱終端用戶所需供水溫度在50～60℃，目前集中供熱大都采用燃煤鍋爐或熱電廠抽汽供暖，熱源與用能需求之間的能量品位不匹配，存在著巨大浪費(fèi)，但集中供熱所需余熱溫度恰恰與工業(yè)大量低品位余熱資源的品位相當(dāng)，這為大規(guī)模利用包括鋼鐵廠在內(nèi)的“三高”企業(yè)的低品位余熱創(chuàng)造了條件。

工業(yè)低品位余熱用于城鎮(zhèn)集中供熱的方式方法已經(jīng)有了很好的應(yīng)用和實(shí)踐。例如由清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心研發(fā)推廣的“基于吸收式換熱的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱技術(shù)”，自2009年起已經(jīng)在我國(guó)熱電聯(lián)產(chǎn)行業(yè)大規(guī)模推廣應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)在熱電廠回收汽輪發(fā)電機(jī)組的低品位乏汽凝結(jié)熱用于大幅增加供熱能力，其中熱網(wǎng)主干網(wǎng)回水溫度最低可達(dá)20～30℃，這為大規(guī)模開發(fā)工業(yè)企業(yè)低品位余熱資源用于城市集中供熱提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。山東迪爾節(jié)能科技有限公司開發(fā)的“低真空吸收式復(fù)合的余熱回收超大溫差熱網(wǎng)供熱系統(tǒng)技術(shù)”，則為擁有中小型汽輪發(fā)電系統(tǒng)的企業(yè)自備電廠或獨(dú)立熱電廠解決了中小城鎮(zhèn)集中供熱問(wèn)題。另外，直接采用電驅(qū)動(dòng)或蒸汽驅(qū)動(dòng)的各類熱泵裝置、或其它表面式換熱設(shè)備等提取工業(yè)生產(chǎn)低品位余熱用于城鎮(zhèn)集中供熱也獲得了更多的推廣應(yīng)用。

充分回收利用包括鋼鐵廠在內(nèi)的高能耗企業(yè)的工業(yè)低品位余熱用于城市集中供熱，既可解決城鎮(zhèn)集中供熱問(wèn)題，也可為企業(yè)節(jié)能減排、降耗增效。

2 鋼鐵廠低品位余熱資源規(guī)模分析

2.1 余熱資源種類

鋼鐵廠的整個(gè)生產(chǎn)流程包括選礦廠、燒結(jié)廠、焦化廠、煉鐵廠、煉鋼廠、鑄造廠(鑄造車間)、軋鋼廠、制氧廠、自備電廠等生產(chǎn)廠區(qū)，鋼鐵廠的余熱資源分布于鋼鐵生產(chǎn)工藝中的各個(gè)環(huán)節(jié)。在生產(chǎn)過(guò)程中，不同廠區(qū)會(huì)產(chǎn)生大量的余熱及二次能源。各工序二次能源的理論生產(chǎn)量約為478.73kgce/t-s，如果充分利用現(xiàn)有技術(shù)，二次能源回收利用率可達(dá)約85.5%。二次能源中副產(chǎn)煤氣占比例最大，約為74.6%，其中COG22.29%，BFG43.66%，LDG9.02%。若不含煤氣和頂壓的余熱資源約為104 kgce/t-s。

目前，高爐渣、鋼渣顯熱、高爐煤氣顯熱、燒結(jié)和焦化煙氣顯熱、廠區(qū)內(nèi)各冷卻水站的低品位余熱等，尚未很好的回收利用。

表1 廠內(nèi)可利用的低品位余熱資源規(guī)模

2.2 余熱資源規(guī)模估算

表2 余熱供熱方案設(shè)計(jì)及其節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性分析匯總

鋼鐵廠低品位余熱資源規(guī)模巨大，結(jié)合筆者提出的一套全新的鋼鐵廠低品位余熱全面開發(fā)用于城市集中供熱技術(shù)，以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況對(duì)濟(jì)鋼廠內(nèi)的余熱資源規(guī)模進(jìn)行了估算。

濟(jì)鋼目前主要裝備有：3×1750m3＋1×3200m3高爐共4座，4×45t＋3×120t＋1×210t轉(zhuǎn)爐共8座，5座4m焦?fàn)t和4座6m焦?fàn)t等，2011年生產(chǎn)鋼834萬(wàn)t、鐵877萬(wàn)t、鋼材862萬(wàn)t。其中，高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣主要用于熱風(fēng)爐、焦?fàn)t、軋鋼加熱爐等窯爐燃燒、發(fā)電氣電轉(zhuǎn)換。焦?fàn)t煤氣除供爐窯設(shè)備燃燒使用外，少量用于冷軋制氫，大部分用于燃?xì)獍l(fā)電。高爐煤氣將大量過(guò)剩放散，濟(jì)鋼節(jié)余高爐煤氣預(yù)計(jì)約為40萬(wàn)m3/h。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)和濟(jì)鋼提供的相關(guān)資料，計(jì)算出濟(jì)鋼現(xiàn)有各類余熱資源折合標(biāo)煤約89.45萬(wàn)t/a，主要分布在循環(huán)冷卻水、余熱蒸汽、工業(yè)爐窯煙氣、冶金渣余熱等，可通過(guò)技術(shù)改造，冬季提取余熱余暖。

廠內(nèi)可利用的低品位余熱資源規(guī)模參見表1，可見設(shè)計(jì)條件下的余熱資源規(guī)模超過(guò)1711MW，可新增城市集中供熱面積超過(guò)3400萬(wàn)㎡?？紤]到生產(chǎn)波動(dòng)、現(xiàn)場(chǎng)安裝空間等因素，估算實(shí)際可提取規(guī)模按50%～60%計(jì)算也可達(dá)到850MW，新增供熱面積超過(guò)1700萬(wàn)㎡。另外余熱回收部分還可在非采暖期提取余熱加熱鍋爐給水及生活熱水等。

2.3 全國(guó)鋼鐵廠低品位余熱資源估算

濟(jì)鋼鋼產(chǎn)量約占全國(guó)的1%，其低品位余熱資源可達(dá)1700MW以上，則據(jù)此估算全國(guó)鋼鐵廠低品位余熱資源可達(dá)15萬(wàn)MW以上。由于歷史的原因，我國(guó)重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)大都毗鄰不同規(guī)模的城市，其中北方地區(qū)乃至華中地區(qū)的大中城市或中小城鎮(zhèn)往往有大規(guī)模的集中供熱需求。據(jù)此，如具備城鎮(zhèn)集中供熱條件的鋼鐵廠的比例按50%估算，估算其低品位余熱資源的供熱能力可達(dá)7.5萬(wàn)MW以上，合計(jì)可承擔(dān)15億㎡面積的城鎮(zhèn)集中供熱規(guī)模。如按1㎡采暖能耗0.5GJ計(jì)算，每年可回收余熱供熱量達(dá)7.5億GJ，折合節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤可達(dá)3200萬(wàn)t，折合減排二氧化碳8300多萬(wàn)t。而至2011年我國(guó)北方供熱采暖面積在90億m2左右，其中集中供熱面積為46億m2，因此鋼鐵廠低品位余熱回收可承擔(dān)的城鎮(zhèn)集中供熱面積可達(dá)當(dāng)前北方地區(qū)采暖面積的1/6，規(guī)模極為可觀，節(jié)能減排意義重大。

3 低品位余熱用于城市集中供熱案例

3.1 濟(jì)鋼余熱供熱規(guī)劃要求

按照濟(jì)南市政府的有關(guān)規(guī)劃和要求，初步確定由濟(jì)南熱力有限公司與濟(jì)鋼合作開發(fā)濟(jì)鋼余熱資源用于東部城區(qū)集中供熱。當(dāng)前供熱需求383.5萬(wàn)㎡，遠(yuǎn)期總供熱需求2015.08萬(wàn)㎡，規(guī)劃總管網(wǎng)長(zhǎng)度約33.3km，設(shè)計(jì)供回水溫度120/50℃?？紤]到新建節(jié)能建筑和既有非節(jié)能建筑能耗差異較大，綜合采暖熱指標(biāo)取為50W/㎡。

3.2 濟(jì)鋼低品位余熱利用技術(shù)方式及其比較

（1）方案一：鋼鐵廠內(nèi)直接換熱+吸收式熱泵聯(lián)合回收，熱網(wǎng)采用常規(guī)溫差方式。

將鋼廠送出的熱網(wǎng)供水溫度設(shè)定為90℃，可通過(guò)直接換熱回收高爐沖渣水、焦化廠初冷器、中溫?zé)煔獾鹊母邷赜酂?，自備電廠循環(huán)水余熱供熱，然后設(shè)置吸收式熱泵串聯(lián)加熱到供水溫度。該方式需耗費(fèi)大量蒸汽并降低發(fā)電量、汽輪機(jī)循環(huán)水供熱也將降低發(fā)電量，但總體余熱回收規(guī)模、供熱量中余熱所占比例、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性均可達(dá)到較高水平。

（2）方案二：鋼鐵廠內(nèi)直接換熱+吸收式熱泵聯(lián)合回收，熱網(wǎng)采用吸收式熱泵降低回水溫度拉大溫差的運(yùn)行模式。

市內(nèi)熱網(wǎng)熱力站由吸收式換熱機(jī)組代替板換，一次網(wǎng)供水溫度設(shè)定在100～120℃，回水溫度降低到30～35℃。熱網(wǎng)回水送入到鋼鐵廠內(nèi)進(jìn)行直接余熱回收并將熱網(wǎng)水加熱到60～65℃，然后送入吸收式熱泵加熱到80～90℃，再由蒸汽加熱到所需溫度后送入一次網(wǎng)供水管。

此模式可通過(guò)直接換熱回收高爐沖渣水、焦化廠初冷器、冷卻水站、濁環(huán)水余熱，回收部分自備電廠循環(huán)水余熱等；還可由吸收式熱泵進(jìn)一步回收部分低品位余熱。該方式總體余熱回收量、供熱量中余熱所占比例、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性均可達(dá)到更佳效果，但是需對(duì)熱網(wǎng)進(jìn)行大幅改造，具有投資大、效益好的特點(diǎn)。

3.3 投資效益分析

余熱供熱方案設(shè)計(jì)及其節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性分析匯總?cè)绫?所示。

方案一預(yù)計(jì)投資約4.4億元。投資回收期9.6年。節(jié)約標(biāo)煤約19.5萬(wàn)t，減排CO2約51.1萬(wàn)t。

方案二預(yù)計(jì)投資約5.05億元，其中鋼廠內(nèi)4.4億元，熱網(wǎng)部分1.65億元。投資回收期2.8年。節(jié)約標(biāo)煤約26.3萬(wàn)t，減排CO2約68.9萬(wàn)t。

方案比選：設(shè)計(jì)供熱面積達(dá)到2015.08㎡的條件下，上述兩種節(jié)能改造方案及其經(jīng)濟(jì)效果的比較匯總?cè)绫?所示。在達(dá)到同樣的供熱規(guī)模的條件下，方案二比方案一的余熱回收量高42%，蒸汽耗量低41%，初投資高15%，利潤(rùn)高189%，投資回收期則由9.6年降低到2.8年。因此，方案二的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于方案一。但是，方案一主要改造任務(wù)集中于鋼鐵廠內(nèi)進(jìn)行，熱網(wǎng)方面只需在熱力站內(nèi)進(jìn)行必要的降回水溫度的改造即可；而方案二則需對(duì)熱網(wǎng)進(jìn)行大規(guī)模的超大溫差供熱技術(shù)改造，因此需要城市集中供熱規(guī)劃部門及熱力公司給予全面配合、協(xié)調(diào)。

4 小結(jié)與建議

鋼鐵廠低品位余熱是一種寶貴的資源。以濟(jì)鋼為例所做的低品位余熱供熱的技術(shù)論證表明，余熱資源在城鎮(zhèn)集中供熱中的應(yīng)用，對(duì)于解決鋼鐵廠周邊城鎮(zhèn)集中供熱切實(shí)可行。

鋼鐵廠余熱資源因其生產(chǎn)流程不同，其存在形式、溫度水平、使用端需求等差異很大，因此其回收利用的技術(shù)形式、回收效率及其節(jié)能性經(jīng)濟(jì)性差異也很大，需要政府相關(guān)部門進(jìn)行總體規(guī)劃和政策引導(dǎo)，并由鋼鐵廠作為熱源方，城鎮(zhèn)供熱公司及終端熱用戶作為用能方，和節(jié)能環(huán)保業(yè)界同行共同努力，方可充分利用鋼鐵廠的低品位余熱資源，創(chuàng)建可持續(xù)發(fā)展的新型供熱方式。