_回收低品位工业余热用于城镇集中供热——赤峰案例介绍

1背景随着我国城镇居民生活水平的快速提高以及城镇化进程的高速推进，我国北方地区的供热需求呈现“火箭式”增长［1］。

北京［2］、晋城［3］、赤峰［1］等北方诸多大中型城市供热能力目前均已达到满负荷，很难再适应“井喷式”的供热面积增长现状。

另一方面，工业能源利用的热效率低下［4］，低品位工业余热一般受到技术及经济等因素限制而不能用于动力回收，而用于供热则是一条可行而高效的途径［1］。

对于低品位工业余热供热的工程实践，已有文献大多介绍余热回收后用于本厂厂区供热或者小片住宅区域供热，供热规模有限或者供热质量不高。

鲜见区域规模的城镇集中供热案例。

例如，宣钢［5］利用高炉冲渣水为厂区办公楼及职工宿舍楼供热，至今已有10余年历史，供回水参数为55℃/40℃；大庆油田某处采油厂［6］利用电热泵系统回收含油污水内的低温余热，供热量约500kW，冷凝器侧的供回水参数为55℃/45℃。

2012年起在内蒙古赤峰市进行的一个全尺度工业化实验于2013年1月15日正式完工并向赤峰市城镇集中热网供热。

项目回收了一家铜冶炼厂浓硫酸生产过程中排放的余热，在保证不影响铜厂原有生产工艺的前提下，借助集中供热热网，为二次网散热器用户供热。

项目总体取得了成功。

本文将就此案例做详细介绍，并针对项目运行过程中出现的有待优化的问题进行阐述和讨论。

回收低品位工业余热用于城镇集中供热———赤峰案例介绍清华大学建筑节能研究中心方豪夏建军赤峰市和然节能服务有限公司宿颖波于峰【摘要】我国北方城镇集中供热正面临严峻的热源紧缺问题。

另一方面，大量高耗能工业企业（冶金、石化等部门）在生产过程中有大量余热白白排走。

这些低品位余热不能被工艺本身使用，却是区域供热的一种潜在热源。

本文介绍了赤峰市一个利用工业余热供热的案例。

第一阶段工程在2012~2013年供暖季内完成，通过对一家铜冶炼厂的浓硫酸生产工艺进行优化设计和施工改造，回收制酸过程中排放的低品位余热，并借助集中供热热网为27万平方米用户供热。

运行数据表明余热供热项目总体取得了成功，项目运行的三个月内供热83，000GJ，节约标煤2，800余吨。

该项目对铜厂原有生产不造成任何影响，可以满足铜厂生产工艺的需求；除极少数处于不利环路且位于非保温建筑内的用户外，末端室温可以满足舒适性要求。

最后，本文还讨论并提出工业余热供热的几个有待优化的问题。

【关键词】低品位工业余热集中供热案例介绍图1铜冶炼厂低品位工业余热温度与热量分布图图2铜厂制酸工艺2案例介绍赤峰市城区南部有一家年产铜量约10万吨的铜冶炼厂，该厂主要产品为电解铜与质量分数为98%的浓硫酸。

经过前期调研，该铜厂在电解铜与浓硫酸的生产过程中均排放大量低品位余热［7］。

各余热热源的温度与热量分布特征如图1所示。

图中横坐标表示的是余热热源的温度区间，纵坐标表示的是余热热源的热流密度（单位时间内单位温降下放出的热量）。

每一个矩形表示一种恒定热流型（简称“恒流型”）热源，绝大部分物性参数在某一温度区间内基本稳定的余热热源均近似属于恒流型；而恒定温度型（简称“恒温型”）热源在图中表示为一条无穷长的射线（为了表示方便，以有限长度示意并标出热功率数值），例如蒸汽型热源。

最终的余热利用方案基本将不同品位的余热悉数回收，总热量高达90MW 。

项目将回收来的余热作为供热基础负荷，用于铜厂周边的一片新规划居民小区的供热。

该居民小区与铜厂最近距离约3km ，总居住面积接近300万平方米。

实际工程分为若干期。

第一期对98%浓硫酸生产工艺中产生的余热进行回收。

该部分余热的温度范围为80~100℃，总热量设计最大值为33MW 。

由于2012~2013年度供暖季内该居民小区尚无新增面积，故将回收得到的所有余热长距离输送至11公里以外的几处已建成的居民小区。

2.1铜厂制酸工艺概况为了更好地说明铜厂低品位余热利用项目的原理与设计方法，有必要对其制酸工艺做一个介绍。

铜厂制酸工艺如图2所示。

铜矿石在冶炼炉中经过冶炼形成冰铜，冰铜再经过多道加工工序后最终成为电解铜；冶炼过程的副产物是二氧化硫（SO 2），SO 2是制酸工艺的原料。

从冶炼炉排出的高温SO 2气体先在余热锅炉中经过一次余热利用，降温后进入净化装置。

经过净化，去除其他杂质后形成SO 2与水蒸气的混合气体。

混合气体进入干燥塔内被干燥，在SO 3发生器内与O 2反应形成SO 3。

SO 3在吸收塔内完成吸收过图4酸-软水-热网水两级换热示意图图3铜厂余热利用工艺流程程，形成产品浓硫酸。

值得注意的是，干燥过程和吸收过程均为放热过程。

干燥过程中，质量分数约为93%的浓硫酸在管壳式冷却器内与冷却水进行换热，冷却水则通过冷却塔进行散热。

吸收过程中，质量分数约为98%的浓硫酸在管壳式冷却器内与冷却水进行换热，冷却水同样通过冷却塔进行散热。

对于吸收过程，余热热量大，且由于余热热源本身的温度较高。

因此在项目的第一期中，对吸收过程的余热进行了回收及利用。

2.2余热利用设计与改造对铜厂制酸工艺吸收过程产生的余热进行回收，其本质就是将原本在管壳式冷却器内与浓硫酸换热的冷却水替换为热网的循环水，将管壳式冷却器的低温侧（冷却介质侧）由开式改造为闭式。

最终，冬季工业余热的“消耗者”或“用户”由低温环境转变为具有热需求的居民，实现变废为宝。

本余热利用工程的工艺流程及设计工况如图3所示。

由于热用户为传统二次网散热器末端，故进入铜厂的水温设计值为50℃。

铜厂制酸工艺共分三个系统（工艺参数基本相同），因而热网回水分为三股，流量基本按照三个系统余热产生量的比例进行分配，以并联的方式、相对独立地回收三个系统吸收工段的余热。

余热回收后，热网水的水温可上升至67.5℃，必要时利用厂内蒸汽可以使供水温度（铜厂出口水温）达到约70℃。

在所有环节中，核心设备是浓硫酸与水进行换热的管壳式换热器。

改造前，水侧平均温度低于30℃，而改造后的水侧平均温度接近60℃。

水侧平均温度的大幅升高导致浓硫酸与水的换热温差大幅减小，在此情况下要冷却同等热量的酸侧余热，则必须增大换热面积或增强换热效果。

一般情况下，余热回收工况下水侧流量小于原有冷却工况（供热实践中一般需要较大的供回水温差以降低输配能耗）。

管壳式冷却器的换热系数随管程、壳程内介质流量的减小而降低。

因此，增大管壳式冷却器的有效换热面积是该工程乃至此类余热利用项目的必要环节。

本项目改造的关键即为设计新工况下的管壳式冷却器需增加的面积。

需要补充说明的是，管壳式冷却器内可能发生管壁破损的故障，导致壳程内的浓硫酸进入管程从而造成冷却水短时间内呈现较强酸性。

为了供热热网及热用户的安全，设计中采用两级换热的方式，如图4所示。

在浓酸循环与热网水循环之间增加一个软水循环，一方面可以避免管壳式冷却器内漏酸对热网及热用户的危害，另一方面可以避免可能含有钙镁离子的热网水在高温下造成管壳式冷却器管程堵塞。

但是必须指出的是，多一级换热会造成热量在品质（即温度）上的损失。

为了监控本余热利用系统的运行状态，高效而准确地获得并记录随时间变化的余热回收量，项目在设计、施工时，在系统关键位置处布置了具有远传功能的温度、压力、流量传感器，并将实时数据远传至中控室，自动记录并存储。

主要传感器位置及相关参数如表1所示。

2.3项目运行情况分析本余热利用工程项目从2012年7月开始施工，至2013年1月初正式完工。

在经历大约一周左右的初调节阶段后，1月15日开始供热。

供热开始时正处于赤峰当地冬季最寒冷时期，即严寒期。

需要指出的是，铜厂生产由于受到原材料短缺、原有设备老化等诸多因素的影响，实际余热回收量相比调研设计阶段有了明显下降。

在初调节过程中，借助远传系统及现场实表1余热利用系统主要传感器位置及相关参数监测点位置测量范围精度介质一/二/三系统98%酸水-水板式换热器热网水进口温度0~100℃±0.3℃水一/二/三系统98%酸水-水板式换热器热网水出口温度0~100℃±0.3℃水一/二/三系统98%酸酸-水管壳式冷却器软水进口温度0~100℃±0.3℃水一/二/三系统98%酸酸-水管壳式冷却器软水出口温度0~100℃±0.3℃水一/二/三系统98%酸吸收塔入口温度0~100℃±0.3℃酸一/二/三系统98%酸水-水板式换热器热网水进口压力0~1.6MPa 1.6级水一/二/三系统98%酸水-水板式换热器热网水出口压力0~1.6MPa 1.6级水一/二/三系统98%酸酸-水管壳式冷却器软水进口压力0~1.6MPa 1.6级水一/二/三系统98%酸酸-水管壳式冷却器软水出口压力0~1.6MPa 1.6级水一/二/三系统98%酸热网水总流量0~1800m3/h±1%水际测试，确定平均余热回收量13MW，经与当地热力公司协商，在其配合下，严寒期阶段（1月15日—3月14日）为27万平方米用户供热。

末寒期阶段（3月15日—4月15日），调整为57万平方米用户供热。

2.3.1余热供热量及供回水温度图5所示为本项目运行阶段铜厂的供回水温度曲线，忽略管网热水流动及沿途损失等因素后，基本可以反映热网的供回水温度。

从整体运行工况来看，供回水温度呈现较大幅度的波动。

严寒期阶段（1月15日—3月14日），利用厂内蒸汽的情况下，铜厂出口水温最高可达70℃。

但最低时仅有40℃，与回水温度相同。

出现这一现象的本质原因是铜厂产量的不稳定以及生产过程的间断。

总的来看，铜厂在采暖季内若干次停产检修，在停产期间无余热可取，供回水温度几乎相等。

受到热网及末端用户的热惯性影响，回水温度虽然也有波动，但其幅度明显小于供水温度的波动。

在铜厂生产相对稳定和正常时，回水温度一般接近并基本稳定在50℃。

末寒期阶段（3月15日—4月15日），由于热网进行了调节，供回水温度整体较严寒期都有了明显降低。

铜厂生产依然不稳定，数次停产或大规模减产。

如前所述，供水温度频繁波动的根源在于铜厂生产的不稳定与间断，这一现象可以图6余热回收典型工况图5项目运行阶段热网供回水温度由制酸工艺余热量的频繁波动一目了然地看出。

图6所示为一段时间内的典型情况。

从图中可以看出，4月3日开始，铜厂生产正从停产逐渐恢复正常，余热量随之迅速增加。

至当天早晨6:00，已经达到正常生产的水平。

但仅过了12个小时，当天下午6:00，由于原有管壳式冷却器内管程出现漏点，又一次停产检修，余热量随之骤然降低，直至几乎为零。

检修不到4月4日凌晨即告完成，余热量又一次迅速增长至正常水平。

需要指出的是，即便在铜厂正常生产过程中，由于其自身生产规律与设备的轮换作息安排，余热回收量也并不稳定。

这一结论也可由图6清晰看出，余热量呈现波峰-波谷-波峰的形态。

图中虚线圆圈标出的是4月4日正常生产期间每一个余热产生的波峰，可图7供回水温度典型工况以看出平均4~6个小时产生一次波峰（或波谷），意味着铜厂规律性的生产以4~6小时为周期，这一结论也由现场观察得到印证。