低品位余热用于城镇集中供热的余热利用方式探讨

2020-03-20 admin

节能与环保2014年06期

中节能科技投资有限公司 兰文龙

山东清大汇中清洁能源科技有限公司  张茂勇

 

摘要: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,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是具有循环经济属性的供热新模式,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,并以济钢为例对将厂内低品位余热进行回收并用于城镇集中供热的方式方法进行了技术设计和经济性评估,指出钢铁厂等高耗能企业通过低品位余热供热可为解决我国北方地区城镇集中供热提供一种可持续发展性质的新型供热方式,并具有重要的节能减排、降耗增效的意义。

关键词:低品位余热 钢铁厂 城镇集中供热 余热回收 吸收式换热

问题的提出

1.1 低品位工业余热资源及其回收利用问题

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36.7亿吨标准煤,位居世界第一位。中国近年来终端能源消费结构中,工业生产及运输占据约65%~70%的份额。而在工业能耗中,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中国总能耗接近50%,其中中钢协数据显示粗钢产量2010年达到6.27亿吨,钢铁工业总能耗占全国总能耗的16.3%,而2013年我国粗钢产量达到7.82亿吨,估算钢铁产业能耗总量可达5亿吨标准煤左右。而高能耗伴生的大量低品位余热资源被散失掉,能源成本支出在整个工业产品成本构成中持续占据重要份额。中国能源资源结构、能源供应结构、能源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途径始终是实现社会可持续发展的重要组成部分和基本前提

从工业余热的总量看,约达25亿吨标准煤投入到工业生产中,基于能量守恒的观点,在工业生产中的转换途径,除了用于做功转化为机械能及电力、化学能等高品位能量并加以利用以外,大部分均以各种形态散失掉了。其中部分高品位余热已开始逐步回收通过余热、余压、余气发电,或生产蒸汽、供热等形式进行再利用了,但是占据主要部分的往往属于较低温度水平的低品位余热能,经常以中低温排烟排气、低温水或中低温固态废弃物等方式存在而白白放弃掉,其中关键问题即在于,这类余热资源因其能量品位不匹配,缺乏用热出口或合适的回收利用技术等而得不到有效利用。

可合理估计在现有合理的技术经济条件下能够回收的工业企业及民用建筑等的余热资源总量将可达15~20亿吨标准煤以上,但需考虑余热利用的下游热用户问题。而回收再利用余热资源的增量污染排放几乎等价于0,在此意义上可以说余热利用属于真正的绿色能源资源开发利用。虽然余热利用受限于余热介质条件、运输及使用对象等限制条件做不到完全利用,但从总体上讲,对解决工艺余热利用、城镇供热利用等问题而言,余热回收技术及其实施的难度与经济代价并不比耗费巨大的人财物资源挖掘化石能源、核能及采集其它型式的能源资源更为高昂。因此,应该象开采化石能源那样大规模开采工业生产低品位余热资源用于承担城市集中供热等低温用能领域。

因此,经报请国家主管部门同意,决定由中国循环经济协会电力分会、中国标准化研究院资源环境分院共同成立《工业余热余压梯级综合利用导则》起草工作组,于2014年4月启动《工业余热余压梯级综合利用导则》国家标准的制定工作,正是考虑到充分利用工业余热资源、实现节能减排效益。

1.2 钢铁厂等工业低品位余热的综合梯级利用新方式:大规模承担城镇集中供热

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2亿吨标准煤,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2~3亿吨标准煤以上。集中供热终端用户所需供水温度往往只需要50~60℃左右,现状集中供热热源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,存在着作功能力的巨大浪费,但集中供热温度水平需求恰恰与工业企业的大量低品位余热资源的能量品位相当,这为大规模采用包括钢铁厂在内的“三高”企业的工业生产低品位余热承担城市集中供热提供了技术前提。这种低品位余热供热方式属于利用工业生产中的“废热”资源进行循环经济再利用,是一种具有循环经济属性的可持续发展的供热新模式。

关于工业低品位余热用于城镇集中供热的方式方法近年来已经取得了显著进步,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,其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降低到20~30℃,这为大规模开发包括热电厂、钢铁厂在内的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。由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大量工业企业自备电厂或独立热电厂承担解决中小城镇集中供热问题提供了新的技术解决思路。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。

因此,充分回收利用包括钢铁厂在内的工业生产低品位余热资源承担城市集中供热,即为大规模解决迅速扩大中的北方地区乃至华中地区城镇集中供热问题提供了一种可持续发展的基本途径,也为高耗能企业实现大幅度节能减排、降耗增效提供了新的手段。

钢铁厂低品位余热资源规模分析

2.1 钢铁厂可用于城市供热的余热资源种类

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、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由于工艺操作、能量品位等原因,尚未很好的回收利用。

2.2 钢铁厂低品位余热资源规模估算:以济钢低品位余热规模为例

钢铁厂低品位余热资源规模巨大,如采用基于吸收式换热的余热回收集中供热技术等低品位余热综合利用技术,提取上述钢铁生产工艺的余热用于城市供热,则可解决城市集中供热热源高能耗、高排放、缺口大的问题,但需根据各类余热资源特点采取针对性的节能措施予以回收利用。

这里将就济钢厂内的多项主要低品位余热资源利用环节的节能回收措施及其规模进行简要分析与估算。笔者经现场调研后提出了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方式,属于典型的工业余热综合梯级利用利用的技术集成系统,其中对济钢厂内的可用于城市集中供热的余热资源规模进行了估算。

济钢目前主要装备有: 3×1750m31×3200m3高炉共4座,4×45t3×120t1×210t转炉共8座,54米焦炉和46米焦炉等,2011年生产钢834万吨、铁877万吨、钢材862万吨。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40m3/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89.45万吨/年,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下表,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㎡的惊人规模。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5060%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。

序号

余热类别

余热来源

余热介质及参数

余热规模最大值MW

余热规模平均值MW

(1) 

低温工艺冷却水

高炉及洗涤塔、风机、TRT机组、连铸连轧、冷轧等工艺冷却设备

28~45℃

700

420

(2) 

中温工艺冷却水

冲渣水高温段

平均进出水75/55℃

200

100

(3) 

能源动力厂浊环水

平均出水50℃

232

140

(4) 

焦化厂初冷器

平均出水40~55℃

102

60

(5) 

电厂排汽余热

采用汽轮机的发电机组

平均出水温度25~35℃

234

140

(6) 

中温排烟

中温段排烟

排烟温度高于150℃

73

50

(7) 

低温段排烟

排烟温度150/40℃

170

0

(8) 

济钢余热规模合计(MW)

1711

850

(9) 

济钢余热供热能力合计(万㎡)

3422

1700

 

2.3 全国钢铁厂低品位余热资源估算

根据对济钢低品位余热资源规模的估算,济钢钢产量约占全国的1%强,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具备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,折合减排二氧化碳规模可达8300多万t。而至2011年我国北方供热采暖面积在90亿平方米左右,其中集中供热面积为46亿平方米,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现状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。

以济钢为例分析钢铁厂低品位余热回收用于城市集中供热的方式方法

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。其中规划中的济钢余热供热范围:王舍人片区、郭店片区(虞山以西)、鲍山片区,现状供热需求383.5万㎡,远期总供热需求2015.08万㎡,规划总管网长度约33.3公里,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。将钢厂内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。由此可:通过直接换热回收高炉冲渣水、焦化厂初冷器、冷却水站余热、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。

1.jpg 

1:方案一系统原理图

 

2.jpg 

2:方案二系统原理图

 

3.3 投资效益分析

上述余热供热方案设计及其节能性、经济性分析汇总如下表所示。

(1) 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。

(2) 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。

(3) 方案比选:设计供热面积达到2015.08㎡的条件下,前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。

序号

项目

方案一

方案二

方案比较

(1) 

供热面积(按实供面积) 万㎡

2015.08

2015.08

0

(2) 

设计热负荷 MW

943

943

0

(3) 

水站余热资源利用规模 MW

35+140

50+35+85

-5

(4) 

能源动力厂浊环水余热资源利用规模MW

140

140

(5) 

高炉冲渣水余热资源利用规模 MW

100

100

0

(6) 

焦化厂初冷器余热资源利用规模 MW

60

60

(7) 

自备电厂乏汽余热资源利用规模 MW

140

140

0

(8) 

中温烟气余热 MW

50

50

0

(9) 

厂内余热资源利用规模合计 MW

465

660

195

(10) 

需要蒸汽耗量(t/h)

683

404

-279

(11) 

厂内余热回收量可承担供热面积 万㎡

1010

1833

823

(12) 

初投资 万元

44000

50500

6500

(13) 

采暖期供热量合计 万GJ

831

831

0

(14) 

其中:余热供热量合计 万GJ

458

616

158

(15) 

采暖期热电厂供热收入合计 万元

40470

40470

0

(16) 

扣除运行费用的节能净收益合计 万元

4590

17874

13284

(17) 

钢铁厂内和热网投资合计(万元)

44000

50500

6500

(18) 

余热供热改造投资回收期(年)

9.6

2.8

-6.8

 

钢铁厂低品位余热用于承担城镇集中供热的小结与建议

钢铁厂低品位余热是一种宝贵的触手可及的能源资源,只要生产和再生产不停止,其余热资源就会源源不断的被再生产出来,因此钢铁厂等工业余热具有可再生能源的性质,并且鉴于余热利用基本不增加钢铁厂的污染排放,又具有绿色能源性质。因此,以济钢为例所做的低品位余热供热的技术论证表明,敢于、善于和长于利用这一可再生能源资源用于城镇集中供热,对于解决毗邻钢铁厂等高耗能企业的城镇集中供热及其巨大的能源问题,乃至当地城市的可持续发展问题至关重要,而且势在必行。

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很大,而实践的需要也为新型节能技术、节能产品、节能业务的发展提供了广阔的空间,因此本次启动编制《工业余热余压梯级综合利用导则》国家标准很为必要、恰逢其时。但其真正落实则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,创建具有循环经济属性的可持续发展的新型供热方式。


①城市发展的能源效率政策 ——建筑和交通部门,国合会政策研究报告2009,中国环境与发展国际合作委员会,2009年年会,2009.11.11-13.

②钢铁工业能耗现状和节能潜力分析,王维兴,《中国钢铁业》 201104期。

③崔民选主编,2006中国能源发展报告,中国社会科学院,社会科学文献出版社,20064月出版

④一种热泵型换热机组,付 林、江 亿、张世钢、肖常磊等,专利号:ZL 200810101064.5

⑤一种降低供热管路回水温度的方法,付 林、孙方田、张世钢、江 亿等,专利号:ZL 200910091337.7

⑥一种低真空吸收式复合的余热回收超大温差热网供热系统,张茂勇,专利号:ZL 201320314042.3

⑦钢铁工业二次能源产生量分析,陈丽云、张春霞、许海川、胡长庆、张旭孝,《过程工程学报》 2006S1期。