低品位余热用于城镇集中供热方式的探讨

兰文龙 中节能科技投资有限公司 张茂勇 山东迪尔节能科技有限公司

低品位余热用于城镇集中供热方式的探讨

兰文龙 中节能科技投资有限公司 张茂勇 山东迪尔节能科技有限公司

本文以钢铁厂低品位余热综合利用为例,探讨了工业生产伴生余热梯级综合利用方式问题，以济钢为例提出了我国工业低品位余热资源回收，并用于城市集中供热的新模式，并对钢铁厂内低品位余热资源的种类与规模进行了初步评估。

1 问题的提出

1.1 低品位工业余热资源及其回收利用

中国能源消费总量巨大、增量持续强劲，2013年中国能源消费总量36.7亿t标准煤，位居世界第一。近年来，终端能源消费结构中，工业生产及运输占65%～70%，其中钢铁、化工、建材、电力、石化、有色金属等6个高耗能产业合计占比50%。中钢协数据显示，钢铁工业粗钢产量2010年达6.27亿t，占全国总能耗的16.3%，2013粗钢产量达到7.82亿t，估算能耗总量可达5亿t标准煤，其伴生的大量低品位余热资源被浪费。中国的能源资源结构及消费结构的特点决定了中国能源形势必将长期紧张，寻找能源可持续发展始终是实现社会可持续发展的重要组成部分和基本前提。

在工业生产的转换过程中，能源以各种形态散失掉了。虽然经过长期努力，部分高品位余热已开始逐步被利用，但大量属于较低品位的余热，经常以烟气、低温水或中低温固态废弃物等形式弃掉。关键问题在于，这类余热资源因其能量品位不匹配，缺乏用相应的负荷或转化利用手段而不能得到有效利用。

虽然余热利用受限于余热介质条件、运输及使用对象等边界条件的影响，难以做到完全利用，但从总体上讲，对于工艺余热利用于城镇供热的问题，其实施难度与经济代价要比利用化石能源等一次能源更加容易和经济。因此，应该像利用化石能源那样大规模利用工业低品位余热资源，如在城市集中供热等低温用能领域加以利用。

1.2 城镇集中供热是余热的利用新方式

中国近十年来城镇能源消耗的年增长率一直高居于10%左右，其中北方地区集中供热能耗已超过2亿t标准煤，而随着中小城市的热化率迅速提高、特别是新型城镇化建设的提速发展，预计仅北方地区集中供热领域近几年就可能新增能耗2～3亿t标准煤以上。集中供热终端用户所需供水温度在50～60℃，目前集中供热大都采用燃煤锅炉或热电厂抽汽供暖，热源与用能需求之间的能量品位不匹配，存在着巨大浪费，但集中供热所需余热温度恰恰与工业大量低品位余热资源的品位相当，这为大规模利用包括钢铁厂在内的“三高”企业的低品位余热创造了条件。

工业低品位余热用于城镇集中供热的方式方法已经有了很好的应用和实践。例如由清华大学建筑节能研究中心研发推广的“基于吸收式换热的热电联产集中供热技术”，自2009年起已经在我国热电联产行业大规模推广应用，可实现在热电厂回收汽轮发电机组的低品位乏汽凝结热用于大幅增加供热能力，其中热网主干网回水温度最低可达20～30℃，这为大规模开发工业企业低品位余热资源用于城市集中供热提供了坚实的技术基础。山东迪尔节能科技有限公司开发的“低真空吸收式复合的余热回收超大温差热网供热系统技术”，则为拥有中小型汽轮发电系统的企业自备电厂或独立热电厂解决了中小城镇集中供热问题。另外，直接采用电驱动或蒸汽驱动的各类热泵装置、或其它表面式换热设备等提取工业生产低品位余热用于城镇集中供热也获得了更多的推广应用。

充分回收利用包括钢铁厂在内的高能耗企业的工业低品位余热用于城市集中供热，既可解决城镇集中供热问题，也可为企业节能减排、降耗增效。

2 钢铁厂低品位余热资源规模分析

2.1 余热资源种类

钢铁厂的整个生产流程包括选矿厂、烧结厂、焦化厂、炼铁厂、炼钢厂、铸造厂(铸造车间)、轧钢厂、制氧厂、自备电厂等生产厂区，钢铁厂的余热资源分布于钢铁生产工艺中的各个环节。在生产过程中，不同厂区会产生大量的余热及二次能源。各工序二次能源的理论生产量约为478.73kgce/t-s，如果充分利用现有技术，二次能源回收利用率可达约85.5%。二次能源中副产煤气占比例最大，约为74.6%，其中COG22.29%，BFG43.66%，LDG9.02%。若不含煤气和顶压的余热资源约为104 kgce/t-s。

目前，高炉渣、钢渣显热、高炉煤气显热、烧结和焦化烟气显热、厂区内各冷却水站的低品位余热等，尚未很好的回收利用。

表1 厂内可利用的低品位余热资源规模

2.2 余热资源规模估算

表2 余热供热方案设计及其节能性、经济性分析汇总

钢铁厂低品位余热资源规模巨大，结合笔者提出的一套全新的钢铁厂低品位余热全面开发用于城市集中供热技术，以及现场调研情况对济钢厂内的余热资源规模进行了估算。

济钢目前主要装备有：3×1750m3＋1×3200m3高炉共4座，4×45t＋3×120t＋1×210t转炉共8座，5座4m焦炉和4座6m焦炉等，2011年生产钢834万t、铁877万t、钢材862万t。其中，高炉煤气、转炉煤气主要用于热风炉、焦炉、轧钢加热炉等窑炉燃烧、发电气电转换。焦炉煤气除供炉窑设备燃烧使用外，少量用于冷轧制氢，大部分用于燃气发电。高炉煤气将大量过剩放散，济钢节余高炉煤气预计约为40万m3/h。根据现场调研数据和济钢提供的相关资料，计算出济钢现有各类余热资源折合标煤约89.45万t/a，主要分布在循环冷却水、余热蒸汽、工业炉窑烟气、冶金渣余热等，可通过技术改造，冬季提取余热余暖。

厂内可利用的低品位余热资源规模参见表1，可见设计条件下的余热资源规模超过1711MW，可新增城市集中供热面积超过3400万㎡。考虑到生产波动、现场安装空间等因素，估算实际可提取规模按50%～60%计算也可达到850MW，新增供热面积超过1700万㎡。另外余热回收部分还可在非采暖期提取余热加热锅炉给水及生活热水等。

2.3 全国钢铁厂低品位余热资源估算

济钢钢产量约占全国的1%，其低品位余热资源可达1700MW以上，则据此估算全国钢铁厂低品位余热资源可达15万MW以上。由于历史的原因，我国重点钢铁企业大都毗邻不同规模的城市，其中北方地区乃至华中地区的大中城市或中小城镇往往有大规模的集中供热需求。据此，如具备城镇集中供热条件的钢铁厂的比例按50%估算，估算其低品位余热资源的供热能力可达7.5万MW以上，合计可承担15亿㎡面积的城镇集中供热规模。如按1㎡采暖能耗0.5GJ计算，每年可回收余热供热量达7.5亿GJ，折合节约标准煤可达3200万t，折合减排二氧化碳8300多万t。而至2011年我国北方供热采暖面积在90亿m2左右，其中集中供热面积为46亿m2，因此钢铁厂低品位余热回收可承担的城镇集中供热面积可达当前北方地区采暖面积的1/6，规模极为可观，节能减排意义重大。

3 低品位余热用于城市集中供热案例

3.1 济钢余热供热规划要求

按照济南市政府的有关规划和要求，初步确定由济南热力有限公司与济钢合作开发济钢余热资源用于东部城区集中供热。当前供热需求383.5万㎡，远期总供热需求2015.08万㎡，规划总管网长度约33.3km，设计供回水温度120/50℃。考虑到新建节能建筑和既有非节能建筑能耗差异较大，综合采暖热指标取为50W/㎡。

3.2 济钢低品位余热利用技术方式及其比较

（1）方案一：钢铁厂内直接换热+吸收式热泵联合回收，热网采用常规温差方式。

将钢厂送出的热网供水温度设定为90℃，可通过直接换热回收高炉冲渣水、焦化厂初冷器、中温烟气等的高温余热，自备电厂循环水余热供热，然后设置吸收式热泵串联加热到供水温度。该方式需耗费大量蒸汽并降低发电量、汽轮机循环水供热也将降低发电量，但总体余热回收规模、供热量中余热所占比例、系统经济性均可达到较高水平。

（2）方案二：钢铁厂内直接换热+吸收式热泵联合回收，热网采用吸收式热泵降低回水温度拉大温差的运行模式。

市内热网热力站由吸收式换热机组代替板换，一次网供水温度设定在100～120℃，回水温度降低到30～35℃。热网回水送入到钢铁厂内进行直接余热回收并将热网水加热到60～65℃，然后送入吸收式热泵加热到80～90℃，再由蒸汽加热到所需温度后送入一次网供水管。

此模式可通过直接换热回收高炉冲渣水、焦化厂初冷器、冷却水站、浊环水余热，回收部分自备电厂循环水余热等；还可由吸收式热泵进一步回收部分低品位余热。该方式总体余热回收量、供热量中余热所占比例、系统经济性均可达到更佳效果，但是需对热网进行大幅改造，具有投资大、效益好的特点。

3.3 投资效益分析

余热供热方案设计及其节能性、经济性分析汇总如表2所示。

方案一预计投资约4.4亿元。投资回收期9.6年。节约标煤约19.5万t，减排CO2约51.1万t。

方案二预计投资约5.05亿元，其中钢厂内4.4亿元，热网部分1.65亿元。投资回收期2.8年。节约标煤约26.3万t，减排CO2约68.9万t。

方案比选：设计供热面积达到2015.08㎡的条件下，上述两种节能改造方案及其经济效果的比较汇总如表2所示。在达到同样的供热规模的条件下，方案二比方案一的余热回收量高42%，蒸汽耗量低41%，初投资高15%，利润高189%，投资回收期则由9.6年降低到2.8年。因此，方案二的经济性优于方案一。但是，方案一主要改造任务集中于钢铁厂内进行，热网方面只需在热力站内进行必要的降回水温度的改造即可；而方案二则需对热网进行大规模的超大温差供热技术改造，因此需要城市集中供热规划部门及热力公司给予全面配合、协调。

4 小结与建议

钢铁厂低品位余热是一种宝贵的资源。以济钢为例所做的低品位余热供热的技术论证表明，余热资源在城镇集中供热中的应用，对于解决钢铁厂周边城镇集中供热切实可行。

钢铁厂余热资源因其生产流程不同，其存在形式、温度水平、使用端需求等差异很大，因此其回收利用的技术形式、回收效率及其节能性经济性差异也很大，需要政府相关部门进行总体规划和政策引导，并由钢铁厂作为热源方，城镇供热公司及终端热用户作为用能方，和节能环保业界同行共同努力，方可充分利用钢铁厂的低品位余热资源，创建可持续发展的新型供热方式。