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我国是全球第一大制造业国家，焦炭、黑色金属冶炼（钢铁）、有色金属冶炼、非金属制造、化工等行业数量多，产品产量大。这些行业都是典型的高耗能行业，生产过程中有大量余热排放，品位不尽相同，但绝大多数是工业部门自身难以利用的低品位余热，包括200 ℃以下的烟气、100 ℃以下的液体（特别是30～40 ℃的低温循环水）和需要冷却的固体产品等。 根据宏观能耗数据进行估算，我国北方供暖地区冬季平均时长按4个月计算，上述高能耗工业部门排放的余热量可大约折合1亿t标准煤。这些余热相当于2013年北方供暖总能耗的50％以上，可用于满足供暖的基础负荷需求。 2014年底，国家发展改革委能源所、中国节能协会节能服务产业委员会、能源基金会（中国）、清华大学建筑节能研究中心联合对河北省的低品位工业余热开展调研工作，重点调研对象为175家具有较大生产规模的钢铁、水泥、焦炭企业。这些企业主要分布在石家庄、唐山、邯郸3个城市及其周边。其中，唐山、邯郸两地钢铁企业较多，石家庄、邢台、唐山三地水泥企业较多。2015年10月，清华大学建筑节能研究中心就调研分析结果发布了《河北省低品位工业余热调研报告》。该报告指出，上述钢铁厂的低品位工业余热量约为4.4万MW，水泥厂低品位工业余热量约为2 155 MW。按照河北省平均供暖热指标40 W/m2、基础负荷20 W/m2计算，若仅仅回收这部分余热中的50％，就可以满足近12亿m2建筑的基础负荷供暖需求，远大于当地的用热需求，若能形成有效的区域联网，则可为京津地区输送热量。 2015年10月29日，住房城乡建设部和国家发展改革委联合发布了《余热暖民工程实施方案》（以下简称《方案》），首次从中央政府层面鼓励并规范了低品位工业余热供暖工程的实施。《方案》对低品位工业余热的定义为：包括100 ℃以下的液体、乏汽余热、200 ℃的烟气余热、400 ℃左右的固体显热，以及其他因热源分散、回收成本高等原因尚未充分利用的中高品位余热资源等。鉴于低品位工业余热供暖的特点，《方案》提出了要在全面了解当地供暖概况、余热资源的情况下，充分运用适用于余热暖民工程的优化技术和方法——多热源的匹配优化方法、高效余热采集技术、输配技术、末端降低回水温度技术、热源调节备用策略等，目标是到2020年利用低品位工业余热替代传统燃煤供热达到20亿m2以上规模，减少供暖用原煤5 000万t以上，并在150个市（县、区）建立示范工程。 目前，国内已有相当数量的余热供暖项目建成并运行，如宣钢、济钢的高炉冲渣水供暖项目，石家庄石化工业冷却循环水供暖项目等。绝大多数低品位工业余热供暖系统的形式主要可分为2类：1）利用特定换热设备回收较高温度热源（如高炉冲渣水）的热量；2）利用电热泵、吸收式热泵等热功转换设备回收较低温度热源（如冷却循环水）的热量，提升温度后用于供暖。 总的来看，已有的工业余热供暖系统多数存在以下不足：1）供暖规模较小，以小区规模为主，只利用了工厂内少部分余热。由于工厂内部的供暖需求和余热量极不匹配，只满足周边小区的供暖，仍导致大量的低品位工业余热无法有效利用。2）取热过程单一，供热方式粗放。仅仅回收单个热源的热量，或是并联回收多个热源的热量，再将取热热水混合后供出，导致供水温度较低或供热量不足，无法满足大规模供热的需要。3）鲜有涉及热量的长距离输配。绝大部分工业企业都位于城镇周边，与集中供暖用户距离达10 km甚至更远，只有长距离输配才能将更多的城镇用户纳入余热利用系统。4）没有根据末端负荷需求对系统进行合理调节，或是简单地利用工厂内原有冷却设备（例如冷却塔）进行散热。对于工厂内部小规模余热利用的情形，上述方式不致产生太大影响。而一旦涉及低品位工业余热用于集中供暖，则须解决系统运行调节的问题，既保证工业生产的安全，又确保供暖过程的可靠。 在推广低品位工业余热集中供暖的实践过程中，必须克服上述不足，做好单个热源的高效采集及多个不同品位热源的整合优化，提升余热利用率；提高输配效率，力争将城镇周边50 km甚至100 km半径内的低品位工业余热都纳入集中供暖系统；多家工厂和热电联产、锅炉等多热源联合供暖，大幅提高余热供暖的保障程度。 针对上述关键问题，已有文献做了相关研究。在余热采集方面，关于热泵技术、低温循环发电技术、相变/热管技术等工业余热采集技术的实验或工程应用研究方面的文献较多。大多数余热采集技术在余热品位较低时采集效率低，且由于热源介质对管壁的腐蚀、磨损等特性而影响采集过程持续进行。既有研究欠缺针对不同性质余热热源特点的分析，缺少对于采集过程核心问题、解决方法、技术难点等的归纳与总结，很难为工业余热采集技术的开发应用和改善提供导向性的参考。 在余热整合与输配方面，夹点分析法常用于解决化工领域换热网络优化的问题，可被借鉴应用于工业余热整合与输配中。但两者在多个方面存在不同：一是化工领域的夹点分析法的优化目标是实现余热回收率的最大化，而余热整合与输配中取热热水的热量与流量均待求，优化目标待定；二是化工领域的夹点分析法一般仅讨论换热情形，而余热整合存在利用热泵提升余热品位的情形；三是有别于化工领域，余热取热的根本目的是供热，整合与输配密不可分。 在余热供暖系统运行调节方面，研究文献较少，已有的工程案例中基本不涉及运行调节。 本文首先从分析理论切入，剖析低品位工业余热供暖各关键问题的本质及其内在联系，然后重点研究可用于解决关键问题的技术和方法，最后结合已实施的成功工程案例进行论证。 2 低品位工业余热供暖关键问题的本质研究 低品位工业余热应用于城镇集中供暖存在若干关键问题需要解决，包括低品位工业余热信息统计和余热采集、整合与输配、系统运行调节等。这些关键问题通过供暖系统中物质（供暖热水）与能量（供暖热量）的流动和传递而紧密相连。余热的采集、整合与输配过程相互影响和制约，每个环节都有其优化目标，不同环节的优化结果会改变相应的温度和热量参数，从而对其他环节产生影响。这就给低品位工业余热供暖系统整体的设计与优化带来了一系列问题：如何确定优化目标，每一个环节优化的实质是什么，优化结果会产生怎样的实际影响。 图1给出了低品位工业余热供暖过程的温度热流量（T-Q）图。对于一个低品位工业余热供暖系统，余热热源的性质（热量和品位）与末端的热需求（热量和室温）一旦确定，在不考虑热量传递过程中的损失时，热源（实线段）与室温（虚线段）之间围合的面积就确定了。火积分析理论指出，换热过程中T-Q图上冷热流体之间围合的面积即为热量传递过程中的火积耗散，面积越大耗火积散越大，反之亦然。因此，整个低品位工业余热供暖过程的总火积耗散ΔEnz为固定值。 图1 低品位工业余热供暖过程的T-Q图 热网一次侧热水线（图1中双点划线，其斜率为热容与流量之积的倒数）将总火积耗散分为两部分：其上方至余热热源线所围合的面积为余热采集、整合过程中的耗散ΔEn1，对应热量的传递过程发生在工厂内；其下方至室温线所围合的面积为余热输配和末端传热过程的 耗散ΔEn2，对应热量的传递过程发生在工厂外。总火积耗散为两部分耗散之和：
火积分析理论指出，减少任意环节的火积耗散都要在该环节付出代价，而增加任意环节的火积耗散则可使该环节获得收益。例如，减少输配环节的火积耗散意味着输配温差或末端传热温差的减小，在传递相同的热量时，循环水泵的输配电耗将会增加，或是需要建设直径更大的管网、在末端安装更大面积的散热器才可满足输配与末端传热的水力及热力需求。再如，增加采集、整合环节的火积耗散，意味着余热采集、整合过程可以在余热热源与取热热水之间更大的温差下实现，因此可以减少余热采集设备的换热面积，或采用成本更低的采集设备。 应用火积分析理论可以对低品位工业余热供暖关键问题进行梳理和系统化的理论解读。 首先，低品位工业余热供暖的前提是确定余热特性与末端热用户的需求。末端热用户的需求由室温及建筑室内需热量决定，这两项参数一般可以通过查阅供热规划或模拟计算得到；而对于不同的工业部门或工厂，余热热源的热量与品位差别较大，需要对其基本信息展开详细调研，这就对应了低品位工业余热信息统计的关键问题。 其次，当获得余热热源信息后，热量从余热热源传递至末端热用户的过程中总火积耗散得以确定，设计和优化的问题就转变为分配火积耗散的问题，为某一环节分配较少的火积耗散即是在该环节增加投入，反之亦然。对于任意一个环节，若能在较小的火积耗散情况下传递一定热量，那么分配较多的火积耗散时也必然可以顺利实现。因此要寻求减少各环节火积耗散的方法与技术，这就对应了余热采集、整合与输配的关键问题。 最后，余热采集、整合与输配的优化都是解决单点设计工况的问题，还要对系统全工况运行调节进行研究。 3 余热采集与整合 3.1 余热采集技术 减少采集过程的火积耗散，就是要针对某一个（类）热源的具体特点，采用合理的技术、应用合适的设备，尽可能在较高品位下回收较多的余热。工业生产过程中的余热种类繁多（见图2），特点鲜明：工业烟气含尘、含酸性气体成分、体积流量大，回收余热时容易出现酸腐蚀及设备体量过大而难以现场安装等问题；冷却循环水、洗涤水等工业循环水的余热量大、品位低、水质差，回收余热时余热采集设备和管路可能发生磨损、堵塞或腐蚀，且需要提升品位后才能用于供暖。
将低品位工业余热采集过程中常见的问题归纳为2类：1）腐蚀、磨损和堵塞；2）余热采集过程的损失，包括热量损失和品位损失。针对第一类问题的解决方法包括：换热设备材料选择、换热表面加工处理、换热设备流道结构优化、过滤方式设计及过滤装置选择、取热系统管路布置优化、非接触式取热技术应用等。非接触式取热技术从根本上避免了热源介质与余热采集设备的直接接触，且可以在较高品位下回收余热，未来有望在冲渣水等工业废水的余热回收中发挥更大作用。第二类问题的解决方法包括：在不影响工厂正常生产工艺的前提下，改善取热系统与装置的密闭性和保温性；对于存在闪蒸蒸汽放散的环节，应设法予以利用；改善品位不匹配造成的损失，例如梯级取热；对于固体产品余热，同时满足在高品位下采集余热、有较好的经济性、保证产品质量等多方面要求；对于生产末端环节的余热，衡量在何种品位下采集余热与采集经济性、运行经济性（主要体现在冷却设备投资、寿命）之间的利弊等。 3.2 余热采集案例 运用上述原理可以对常规的接触式回收冲渣水余热的方式（如宽流道板式换热器换热、螺旋扁管换热等）进行改良。图3显示了一种采用非接触式换热的冲渣水余热梯级取热系统。在出渣口和冲渣槽建有若干个高烟囱（高度大于10 m），烟囱顶部维持一定的真空度，烟囱底部附近设有排渣口。顺渣水流动方向真空度逐渐增大，对应沸点降低。渣水沿途闪蒸，蒸汽在汽水换热器内加热热网水，凝水经凝水管流入冲渣槽。滤池内的渣水在渣水-水换热器内加热热网水，再经渣水泵提升至出渣口循环冲渣。热网水经渣水-水换热器、多级汽水换热器逐级加热升温后供出。该余热采集系统充分利用了闪蒸蒸汽余热，蒸汽与渣水梯级加热热网水，尽可能利用了冲渣水的品位，热网水可被加热至80 ℃以上，远高于现行接触式换热方式的出水温度（一般约为55～60 ℃），减少了采集过程的耗散。此外，采用非接触式换热技术与方法，通过沿途闪蒸，最大程度避免了堵塞、腐蚀和磨损，且渣水-水换热器也采用了防腐、过滤等措施。该系统需要依靠真空泵维持烟囱的真空度，只要烟囱密封性良好，真空泵可间歇运行，消耗的电能及电费相对于回收的闪蒸蒸汽热量及热费收益非常小。
3.3 余热整合技术与方法 余热采集技术解决了单一热源的高效采集问题，而多个余热之间存在相互配合的可能。通过不同的串、并联组合，可以演化出多种取热流程。不同的取热流程会得到不同的余热取热量和供水温度，有些热量和供水温度参数可以满足供暖过程输配及末端传热的需要，有些则不能满足。优化余热整合过程的技术和方法包括夹点优化法、弃热、热泵技术等，运用T-Q图和火积分析理论可以定量刻画上述技术和方法的作用和适用条件。 3.3.1 夹点优化法 夹点优化法是仅采用换热设备时的余热整合方法。主要分为2个步骤：1）热复合曲线合成；2）夹点确定。 首先，在T-Q图上将所有热源按照起点温度由低至高依次排列，将具有相同温度区间的热源合并为一个复合热源，复合热源的热量与重合温度区间内热源热量之和相等。如图4所示，热源a与b在50～60 ℃的温度区间内重合，将其合并为一个新的复合热源“a2＋b1”。
然后，固定热水线的左侧端点（即确定取热热水的回水温度）并旋转热水线。只存在换热的情况下，取热热水线应始终处于热复合曲线的下方。如图5a所示，旋转热水线直至其恰好与热复合曲线相切，即产生了夹点，此时得到了仅存在换热情况下的最高供水温度。图5b为考虑了采集温差后的情形，采集温差的增大将导致夹点向正下方偏移，供水温度降低。图5c为采用夹点优化法后的取热流程，热源a与b均在2个串联的换热器（低温冷却器与高温冷却器）内被冷却。热网回水先进入热源a的低温冷却器，换热后分为两股分别进入热源a的高温冷却器与热源b的低温冷却器，两股热水的流量之比等于热源a与热源b在重合温度区间的热量之比。分别换热后合为一股热水依次进入热源b的高温冷却器及热源c的冷却器内，最终供出。
但是在中低温余热热源热容过大的情况下，确定夹点时取热热水线较为平坦（即取热热水流量较大），使得供水温度受到制约无法提高。解决的思路有2种：一是弃热，即以牺牲中低温余热的回收率为代价，提高供水温度；二是采用热泵技术，即利用高温热源提取低温热源。 3.3.2 合理弃热和热泵技术的应用案例 某工业企业的低品位余热热源及品位信息如表1所示。 表1 余热整合方法案例余热信息 换热设备采集温差为3 ℃，吸收式热泵视为包含两级采集温差（6 ℃），电热泵视为包含一级采集温差（3 ℃）。取热热水的回水温度为30 ℃。热网对工厂提出如下4种情形的供暖参数要求，4种情形对于余热整合过程的参数要求逐渐提高。 1）情形1：Q＝20 MW，τg＝60 ℃； 2）情形2：Q＝25 MW，τg＝70 ℃； 3）情形3：Q＝30 MW，τg＝75 ℃； 4）情形4：Q＝30 MW，τg＝100 ℃。 对于情形1，根据夹点优化法，全部回收30 MW余热时最高供水温度可达64 ℃，因此完全可以仅利用换热设备满足供暖要求。 对于情形2，舍弃5 MW低温热源A的热量利用夹点优化法得到的最高供水温度可达83 ℃左右，利用换热设备可以满足供暖要求 对于情形3，75 ℃的供水温度高于夹点优化法能得到的最高供水温度（64 ℃）。利用吸收式热泵，分别以热源C和D作为热泵发生器的驱动热源，回收热源A的热量，最终可以满足供暖要求。限于篇幅，吸收式热泵的参数设计不予叙述。 对于情形4，仅利用吸收式热泵也无法满足要求，必须补充电功（即利用电热泵）才能满足供暖要求。取热过程的T-Q图以及对应的流程图如图6所示。图中ΔEX表示两股流体的 之差，上角标“＋”与“－”分别表示差值的正负。吸收式热泵可以利用正填补负，电热泵可以消耗电能填补负。
从热源介质侧看，热源A介质依次进入1＃电热泵的蒸发器（EHP1-E）和吸收式热泵的蒸发器（AHP1-E），逐级降温至36.5 ℃后再进入常规换热器（HE），与热网回水逆流换热降温至35 ℃；热源B介质在2＃电热泵的蒸发器（EHP2-E）内降温至55 ℃；热源C介质在常规换热器（HE）内与热网水逆流换热被冷却至85 ℃；热源D介质在吸收式热泵的发生器（AHP1-G）内等温冷凝释放出热量。 从取热热水侧看，30 ℃的热网回水先进入第一组（台）常规换热器（HE）回收热源A的一部分热量，升温至33.5 ℃后依次进入吸收式热泵的吸收器（AHP1-A）和1＃电热泵的冷凝器（EHP1-C），被加热至约54 ℃；再进入2＃电热泵的冷凝器（EHP2-C），升温至80 ℃；然后进入第二组（台）常规换热器（HE）回收热源C的热量，升温至约92 ℃；最后进入吸收式热泵的冷凝器（AHP1-C），升温至约103 ℃供出。 4 余热输配与系统调节 4.1 降低回水温度提高余热输配效率 余热的输配过程是利用有限的管网流量和有限的末端换热面积将热量从余热热源处输送至末端并满足其供暖需求的过程。减少输配过程的耗散可以通过降低一次网回水温度的方式实现。降低回水温度不仅可以降低水泵输配电耗，还可以显著提高低品位余热的回收率。 适用于低品位工业余热集中供暖系统的可以有效降低热网一次侧回水温度的技术方法主要包括以下几种：1）梯级供暖末端；2）热力站吸收式末端；3）楼宇多级立式吸收式热泵；4）热力站电热泵末端等，如图7所示。
图7 降低一次侧回水温度的技术与方法 梯级供暖末端由间连散热器末端、直连散热器末端与低温辐射末端（如辐射地板末端）依次串联组成，对一次侧热水的热量进行梯级利用，热水最终可以降至低温辐射末端的回水温度水平（30～35 ℃）。由于3种末端串联连接，假设不同末端的单位建筑面积耗热量相等，那么三者的供暖面积之比应该与其对应的供回水温差之比大致相等。为了满足热力调节的需要，在每一种末端的一次侧主供水管和主回水管之间都安装有旁通管和旁通阀。通过旁通阀的启闭和调节，以量调节的方式进行热力调节。此外，在安装直连散热器末端及地板辐射末端的楼栋入口都安装混水泵，以满足热力及水力调节的需要。 热力站吸收式末端的设备主体为安装于热力站内的吸收式热泵及附属板式换热器。一次侧高温供水作为吸收式热泵的驱动源，对一次侧回水进行降温，热水温度最终可以降至低于末端散热设备回水温度的水平。 多级立式吸收式热泵则是在上述吸收式热泵的基础上，通过改善流程内部不合理的“三角形”传热过程，从而消除不匹配传热，在相同制冷量下可以显著减小机组的传热面积，使机组结构更紧凑，占地面积更小，可灵活分散布置于居民小区的楼栋口。研究表明，在供暖系统中，多级立式吸收式热泵的一次侧回水温度最低可以降到20 ℃以下，较传统的吸收式热泵性能更优。 热力站电热泵末端主要应用于供水温度不够高，吸收式热泵无法将一次侧回水降至所需温度的场合，其设备主体为安装于热力站内的电热泵及附属板式换热器。电热泵与板式换热器串联连接，通过2台或多台电热泵串联的方式可以提高电热泵机组的平均蒸发温度，从而提升热泵性能系数。由于电热泵蒸发器与冷凝器压差较小，因此性能系数COP较高；特别是在供暖季的初、末寒期，二者压差更小，部分负荷性能系数IPLV很高，经济性较好。 4.2 系统运行调节 相比于锅炉、热电联产等常规供暖热源，工业余热稳定性差、调节性不佳。根据理论和工程经验分析，低品位工业余热在集中供暖系统中应承担末端基础负荷的供暖需求，即满足50％左右的末端负荷需求。采用多热源、热网互联的方式可以提高工业余热供暖的可靠性。可以将低品位工业余热直接并入城镇集中供暖热网，由分布式燃气锅炉承担调峰负荷；或者当城市周边有多家工厂时，可将其都纳入热网中，以消除余热热量的波动，提高整体的保障度。 作者： 同方股份有限公司 清华大学 方豪 清华大学 夏建军 李叶茂 迁西富龙热力有限责任公司 赵海峰 |
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