熱泵余熱回收技術(shù)在巖棉工業(yè)中的應(yīng)用及其碳減排意義

胡細(xì)來

（北京建都設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，北京 100123）

1 引言

1.1 巖棉工業(yè)余熱利用現(xiàn)狀

巖棉是良好的保溫隔熱材料，由于具有良好的環(huán)保性能，在建筑與工業(yè)保溫隔熱中應(yīng)用非常廣泛。目前，巖棉生產(chǎn)中較先的工藝是電爐熔制法工藝，這種工藝的核心設(shè)備是電爐，在生產(chǎn)巖棉過程中電爐及其附屬設(shè)備會形成高溫環(huán)境。為保證設(shè)備安全，需要對電爐及其附屬設(shè)備進(jìn)行冷卻，一般是利用循環(huán)水進(jìn)行冷卻，通常是利用循環(huán)冷卻水泵將冷卻水通過冷卻塔把電爐產(chǎn)生的熱量排放到大氣中。這不僅使得這部分熱量白白損失，而且對環(huán)境造成不利影響。在夏季，還需要制冷機(jī)組制取低溫水供電爐及其附屬設(shè)備進(jìn)行降溫用。巖棉生產(chǎn)是常年運(yùn)行的，即使是冬季，電爐冷卻水出水溫度也能到30～35℃，產(chǎn)生大量余熱。如果利用熱泵工藝將巖棉生產(chǎn)過程中這部分余熱進(jìn)行回收利用，不僅有經(jīng)濟(jì)價值，而且對節(jié)能減排有重要意義。

1.2 熱泵工藝可行性

本文以北方某巖棉工廠為例進(jìn)行分析。該廠就是采用電爐熔制法工藝技術(shù)進(jìn)行巖棉生產(chǎn)。為了巖棉廠房與辦公樓和職工宿舍采暖，廠區(qū)建立了專門燃?xì)忮仩t房，每年消耗大量天然氣。天然氣是清潔能源，但也釋放二氧化碳等溫室氣體，對環(huán)境產(chǎn)生較大危害。在研究巖棉生產(chǎn)工藝的過程中發(fā)現(xiàn)，該廠不僅為冷卻水配置多臺冷卻塔，為進(jìn)一步降低電爐冷卻水溫，還配置了兩臺制冷機(jī)組。

經(jīng)過分析研究，在不影響工藝要求的情況下，將兩臺制冷機(jī)組改為熱泵運(yùn)行模式，降低電爐冷卻水溫的同時，為廠房與生活區(qū)提供采暖及熱水等，同時取消采暖用鍋爐房。冬季利用巖棉生產(chǎn)過程中電爐冷卻產(chǎn)生的余熱，通過熱泵提升完全可以滿足冬季廠房與生活區(qū)采暖要求。

2 熱泵工藝技術(shù)流程

2.1 熱泵工藝在巖棉生產(chǎn)工業(yè)中應(yīng)用的便利性

巖棉工業(yè)生產(chǎn)過程中，電爐產(chǎn)生大量的熱量，若熱量不能散發(fā)出去電爐難以連續(xù)正常工作。目前，巖棉生產(chǎn)工藝中是利用冷卻塔加制冷機(jī)組對電爐冷卻水進(jìn)行降溫散熱，僅僅利用冷卻塔難以保證電爐冷卻水降到需要的水溫，所以巖棉工業(yè)生產(chǎn)中往往配置制冷機(jī)組來協(xié)助降低電爐冷卻水溫。將制冷機(jī)組改為熱泵冷水機(jī)組使用，不需要增加設(shè)備投資，可節(jié)約經(jīng)濟(jì)投資，技術(shù)上將原有制冷工藝流程改為熱泵制冷工藝流程就可以。實(shí)際工程應(yīng)用中，可以將相關(guān)管路系統(tǒng)進(jìn)行改造形成熱泵制冷工藝，既保證巖棉生產(chǎn)工藝電爐冷卻需要，又可以提供冬季采暖需要，一舉兩得。由此可見，改造工藝與施工并不復(fù)雜。同時，可以取消原有鍋爐房，節(jié)省天然氣的使用，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益，可為項目整改順利進(jìn)行提供有力保障。

2.2 巖棉生產(chǎn)余熱利用熱泵工藝簡述

在冬季，利用熱泵工藝，電爐出來的較熱冷卻水經(jīng)過熱泵機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)將冷卻水溫度從30～35℃降至較低溫度（約20℃），然后將較低溫度的冷水再返回給電爐進(jìn)行降溫，冷卻水水溫升高，如此循環(huán)。同時經(jīng)過熱泵冷凝器側(cè)，可以提供廠區(qū)與生活區(qū)60℃/50℃供回水進(jìn)行采暖，也可以通過板式換熱器提供洗浴用生活熱水。在夏季，對電爐降溫的同時，一部分余熱通過熱泵制冷機(jī)組可以提供生活熱水，其他冷卻水通過冷卻塔，經(jīng)過制冷機(jī)組，完成制冷過程。在提供采暖與生活熱水的同時，不影響巖棉生產(chǎn)工藝制冷需要。

2.3 巖棉余熱利用熱泵工藝流程

余熱利用熱泵工藝系統(tǒng)流程原理簡圖見圖1。

圖1 余熱利用熱泵工藝系統(tǒng)流程原理簡圖

從圖1可以看出，巖棉工藝電爐用冷卻水通過電爐、工藝端循環(huán)泵、熱泵機(jī)組蒸發(fā)器進(jìn)行循環(huán)，冬季采暖通過采暖末端設(shè)備、采暖循環(huán)泵、熱泵機(jī)組冷凝器側(cè)進(jìn)行循環(huán)，完成供熱制冷過程。夏季可切換控制閥，通過冷卻塔、循環(huán)泵、熱泵機(jī)組冷凝器進(jìn)行循環(huán)，完成冷卻制冷工藝過程。圖1流程，也可理解為采暖用戶端熱工質(zhì)循環(huán)代替部分冷卻塔循環(huán)，制冷機(jī)組冷卻塔散熱改為采暖用戶端使用熱。實(shí)際流程圖相對復(fù)雜些，主要是要考慮系統(tǒng)控制問題，工藝流程適應(yīng)采暖等負(fù)荷變化的因素等問題，但這不影響本文的主旨。在實(shí)際工程中，相關(guān)項目改造取得了很好的效果。

3 熱泵與燃?xì)忮仩t能耗比較

3.1 基本原理

某巖棉工廠位于我國華北某地，其規(guī)模為300 000 t/a，目前為鍋爐采暖，后期將進(jìn)行技術(shù)改造，利用熱泵工藝技術(shù)代替燃?xì)忮仩t。燃?xì)忮仩t采暖能耗包括燃?xì)庀牟糠峙c泵等能源輸送部分，而利用巖棉電爐冷卻余熱采用熱泵工藝進(jìn)行采暖，沒有燃?xì)庀?，水系統(tǒng)循環(huán)泵等能源輸送部分與使用燃?xì)忮仩t情況相差不大，本文對這部分能耗差別做忽略處理。熱泵本身需要的電能，由于其有冷卻巖棉電爐的工藝需要，說以熱泵本身消耗電能基本不變，其他水處理等能耗基本一致。熱泵與燃?xì)忮仩t能耗比較，基本上熱泵工藝技術(shù)應(yīng)用就節(jié)省了燃?xì)忮仩t所耗費(fèi)的燃?xì)狻?/p>

3.2 能耗比較

某巖棉工廠主要建筑有職工宿舍及食堂、辦公樓、廠房，采暖建筑面積分別約為3 000 m2、2 000 m2、20 000 m2，均設(shè)采暖，職工宿舍及食堂與辦公樓主要功能房間采暖設(shè)計溫度為18℃，廠房采暖設(shè)計溫度為5℃。廠區(qū)設(shè)置獨(dú)立鍋爐房，容量為2臺0.7 MW，設(shè)計供回水溫度為95℃/70℃，燃料為天然氣。

現(xiàn)對原有鍋爐采暖系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造。首先，取消鍋爐房作為采暖熱源，將兩臺工藝用制冷機(jī)改為熱泵機(jī)組作為熱源，冬季提供電爐冷水的同時又提供采暖熱水。原有兩臺制冷機(jī)組，每臺制冷量為800 kW，現(xiàn)改為熱泵形式，兩臺共提供熱量可達(dá)1.5 MW（2×750 kW），完全滿足冬季生活用熱需求。由于巖棉生產(chǎn)工藝需要，制冷機(jī)組基本常年運(yùn)行，所以制冷機(jī)組改為熱泵形式后機(jī)組運(yùn)行能耗變化不大，這部分影響可以忽略。原有采暖系統(tǒng)管線稍加改造可以利用，工程改造成本很低。同時，應(yīng)用熱泵機(jī)組后基本上節(jié)約了鍋爐這部分所消耗的燃?xì)饽芎?，平時運(yùn)行費(fèi)用也大大降低，經(jīng)濟(jì)效益顯著。鍋爐采暖有能量輸送的采暖循環(huán)泵等，這部分與使用熱泵系統(tǒng)相差不大，對于采暖用耗電量未做統(tǒng)計數(shù)據(jù)，主要是統(tǒng)計天然氣耗量。2020—2021年度采暖季鍋爐使用的天然氣消耗量見表1。

表1 某巖棉工廠采暖用燃?xì)庀牧?/p>

從表1可知，某巖棉工廠采暖季共消耗天然氣71 000 m3，可轉(zhuǎn)化熱量為2.77TJ。經(jīng)濟(jì)效益上，按2.5元/m3價格計算，每年可節(jié)省17.75萬元。

4 應(yīng)用熱泵技術(shù)對碳排放影響

采暖季，巖棉工廠采暖鍋爐燃燒燃?xì)馀欧哦趸?。故工程邊界?nèi)二氧化碳直接排放量為采暖季采暖鍋爐燃燒天然氣所產(chǎn)生的二氧化碳排放量，計算公式如式（1）：

式中，E燃燒為化石燃料燃燒活動產(chǎn)生的二氧化碳排放量，t；Ai為設(shè)備所燃燒的第i種化石燃料的熱量，TJ；Fi為第i種化石燃料的二氧化碳排放因子，t/TJ。

式中，RLi為第i種化石燃料的消費(fèi)量，本工程為天然氣，萬m3；RZi為第i種化石燃料的平均低位發(fā)熱量，本工程為天然氣，取38.931 MJ/m3。式中，所有氣體體積均為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下所測體積。

式中，Ci為燃料i的單位熱值含碳量，天然氣含二氧化碳取15.3 t/TJ；αi為燃料i的碳氧化率，天然氣取99%；ρ為二氧化碳與碳的分子量之比，44/12。

本工程主生產(chǎn)線也有天然氣用量，這里不作生產(chǎn)用天然氣耗量統(tǒng)計，也不計算這部分碳排放計算。本工程燃?xì)忮仩t采暖季天然氣用量按月統(tǒng)計，得出年采暖天然氣用量為71 000 m3（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下）。采暖季各月天然氣用量與二氧化碳直接排放量及年天然氣用量與二氧化碳排放量匯總詳見表2。

由表2可知，某巖棉工廠冬季利用燃?xì)忮仩t采暖，在一個采暖季所產(chǎn)生的二氧化碳排放量為154.14 t。如果使用熱泵技術(shù)工藝，利用巖棉電爐余熱滿足冬季采暖需求，則每年基本上可減少二氧化碳排放154 t左右。所以在巖棉生產(chǎn)工業(yè)中，利用熱泵技術(shù)工藝，因?yàn)楣?jié)約采暖用燃?xì)?，二氧化碳排放大幅降低，不但?jīng)濟(jì)效益得到提升，而且還能減少環(huán)境污染，從而有利于行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

表2 某巖棉工廠利用燃?xì)獠膳寂欧帕?/p>

5 結(jié)語

巖棉生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余熱較多，通?？晒├玫睦鋮s水溫度為30～35℃，利用熱泵技術(shù)可以利用這些熱能，供生活采暖或熱水使用。這種熱泵工藝改造減少了能源浪費(fèi)，節(jié)省相應(yīng)鍋爐房建設(shè)投資，經(jīng)濟(jì)效益也很顯著。同時，還能減少燃?xì)獾氖褂?。通過熱泵技術(shù)利用在巖棉工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的余熱中，無論是對工業(yè)節(jié)能降耗，還是對降低碳排放均有重要意義，也是對我國現(xiàn)階段“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行的有益探索。