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摘要：近年来，工业生产过程中产生的低品位余热的有效利用问题越来越为能源部门、能源企业及社会大众所关注。鉴于能源供需紧张及现阶段我国工业部门能源热效率低的现状，有些学者指出有效利用工业余热已经成为实现可持续发展战略的重要途径。本文阐述了工业余热供热的技术难点，提出了工业余热供热的技术难点解决途径。
关键词：低品位工业余热；集中供热；技术难点
工业余热是工业企业在生产过程中热能转换设备及用能设备内未被利用的能量。随着生活水平的提高，我国城镇居民对冬季室内采暖水平的要求不断提高；而城镇化进程的推进又产生大量的新增集中供热面积。结合北方供热热源紧张的现实，考虑到低品位工业余热从能源总量与温度参数与供热需求的匹配性，已有文献指出低品位工业余热应用于城镇集中供热不失为北方地区一种新的采暖方式。通过“热电类比”的方式，给出了一种可以有效克服上述技术难点的低品位工业余热供热的系统形式。
一、低品位工业余热在供热系统
1、提供基础负荷。工业生产具有波动性的特点，工业生产期间的余热总量随着产量的波动而变化，且这种变化受室外气象条件影响不大，而末端负荷与室外气象变化强烈相关，由此产生矛盾。即便对于某些生产稳定的工业企业，生产期间余热总量可能比较稳定，但仍然无法满足末端实际负荷随气象参数变化这个客观需求。因此，低品位工业余热在供热系统中只能起到提供基础负荷的作用，在实际供热过程中需要配备调峰热源以满足实际末端负荷。
2、供热补充热源。工业生产同时具有间断性的特点，与采暖季供热需求的连续性产生矛盾。因此为了保证供热安全，低品位工业余热不可能作为独立热源进行供热。此外，目前对低品位工业余热的回收利用处于起步阶段，仍无法满足迅猛增长的北方城镇供热需求。再考虑到其只能提供基础负荷，低品位工业余热应作为一种重要的“免费”补充热源并入城镇热网系统，与热电联产、区域锅炉房以及其他低品位余热共同供热。可供选择的热源增多，将大大提升热网的供热安全性及稳定性。
二、工业余热供热的技术难点
工业余热应用于城市集中供热在原理上具备可行性，但仍有诸多技术难点需要解决。结合已有实践归纳技术难点，解决难题推广工业余热应用于城市集中供热的技术保证。
1、余热热源的波动性与不稳定性。工业余热是工业生产过程的产物。工业生产活动受到原料供给、市场需求、设备故障等外部不可控因素的影响而不稳定；同时，某些工业部门或企业由于其自身生产规律与设备的轮换作息安排，生产过程呈现波动性。
该厂制酸余热利用项目由于设备老化原因，在供暖季期间数次停产检修，临时检修期从数小时至几天不等。此外，该厂的设备轮换作息安排制度使其浓硫酸的产量呈现波动性，余热量也因此呈现“波峰-波谷-波峰”型的变化规律。浓硫酸生产的关键原料是SO2，其来源是铜矿石。由于热网及末端用户较大的热惯性，短时间停产及产量规律性波动导致的余热量减少一般对用户室温影响不大。但长时间停产导致的停热势必对室温产生不可忽视的影响。此外，在一次网定流量的情形下，产量规律性波动以及停产与恢复生产的过程将导致供水管在供水温度波动下频繁伸缩，由此产生的热应力可能显著缩短管网寿命，对管网的安全性造成不利后果。
2、调峰问题。工业余热系统的复杂性要求调峰过程尽可能采用定流量质调节的方式。质调节的过程，既是调节供热热量，又是调节供热温度。工业余热热源本身的性质与质调节原理是不相符合的。对于生产不稳定的工业企业，余热总量受到随机因素影响较大；而生产稳定的工业企业，余热总量较稳定，却无法满足末端实际负荷随气象参数变化的客观需求。因此，单一工业余热热源是无法满足高质量供热的要求的，工业余热热源需要匹配调峰热源。
三、工业余热供热的技术难点解决途径
1、供水侧调峰兼备用热源。在供水侧出口设置常规热源，一方面作为调峰热源，另一方面兼作备用热源。在工厂出现停产或大规模减产时，开启此热源可以很大程度地保证供热安全，还能有效削弱供水温度剧烈变化对供水管产生的不利影响。一般来说，有条件的地域可以设置燃气热水锅炉，其调节性能强，便于供水温度的精确控制，特别适合与工业余热热源配合使用。作为调峰及备用热源，一方面出于安全性考虑，容量设置应足够大；另一方面，由于使用率相对较低，因此出于经济性的考虑，容量设置不宜过大。因此，该热源容量存在优化值，假设工厂满负荷生产时，余热总量最大值为Q；由于自身生产规律与设备的轮换作息安排，其余热量存在波动，正常生产时的余热总量最小值为Q/2。在设计中，规划工业余热热源供热的末端面积S 时，可按照下式计算：
调峰兼备用热源的容量按照工业余热总量的最大值等量设计，因此设计为Q。经验证，工厂不出现停产及异常大规模停产时，理论上该热源可以满足调峰要求且消除工业生产波动导致的供水温度波动。在严寒期时，即便工厂出现长时间停产，也可以通过完全投入该备用热源，为末端提供实际热需求67%的热量，保证供热安全。
2、适度降低回水温度。降低回水温度，体现的是“低温供热”的思想，这可以带来两方面的收益。一是拉大供回水温差，提高工业余热长距离输送的经济性，即节约输配电耗。二是提高了工业余热的利用率，低温的回水可以更高效地回收低品位余热，甚至有可能直接换热就可将某些低品位余热回收，从而更大程度地节省供热燃煤消耗。但是降低回水温度也需要付出“代价”，即增加了投资。一方面是由于设备投资增加，另一方面额外产生了更多的设备运行能耗。
如图所示，在回水温度较高时，回水温度每降低1℃，带来的收益较大，需要的投资较小；而在回水温度较低时，由于已经可以有效回收较低温度的余热，继续降低回水温度几乎不能带来更多收益，反而会大幅度增加投资，甚至可能出现投资大于收益而导致经济利益受损。从经济角度来看，收益与投资之差最大时的回水温度即为最优值。对于不同的余热热源-热网-末端系统，以及不同的地域，回水温度最优值应有所差别，一般在10-20℃左右。
对于有条件的地域，末端形式可以大致统一为低温辐射末端，这类末端回水温度一般为30-35℃，即使不再降温，也可直接用于回收大部分的工业余热，与室温也更接近，是一种能源利用效率更高的方式。若进一步在此基础上设置热泵设备，能以更低的投资获得一次侧的低温回水。
3、热电类比—种可行的工业余热供热系统。在供电系统中，为了减少沿途输配过程中电流产生的热损耗，常采取高压输电的方法，即用变压器将发电机输出的电压升压后传输，到达末端用户处再用变压器将电压恢复到正常使用值，在回收工业余热用于城市集中供热的系统中，也可以在余热热源处使用“变温器”将温差升高后传输，到达末端用户处再使用“变温器”将温差缩小到所需即可。在余热热源处，需要将具有不同温差的余热变温整合至大温差，第二类吸收式热泵可以实现这一功能。在靠近末端用户处，需要将大温差变温至小温差，第一类吸收式热泵可以实现这一功能；必要时可以同时使用电热泵。
低品位工业余热应用于城市集中供热可以有效应对我国北方地区供热能源供需紧张的局面。本文从效率角度重新审视了工业余热供热的必要性。结合已有的工业余热供热的工程实践，总结提出了工业余热供热系统的技术难点。
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论文作者:张丽君
论文发表刊物:《基层建设》2018年第19期
论文发表时间:2018/8/15
标签：余热论文; 热源论文; 工业论文; 回水论文; 温度论文; 集中供热论文; 品位论文; 《基层建设》2018年第19期论文;