水泥廠循環(huán)冷卻水余熱回收的應用與探討

陳海兵

摘要：水泥廠內(nèi)大部分的低溫余熱則沒有得到很好的利用，且這部分的熱量相當可觀，足以滿足水泥廠內(nèi)建筑物自身制冷供熱對能源的需求，有條件還可以對外輸送冷熱量。為了進一步節(jié)約能源，充分利用工業(yè)余熱、廢熱，有效的將其轉(zhuǎn)化到生產(chǎn)和生活當中，本文先探討利用水泥工業(yè)的循環(huán)冷卻水，通過分散式水源余熱利用系統(tǒng)，有效的利用了這部分余熱，減少了溫室氣體的排放，是一種節(jié)能又環(huán)保的余熱利用系統(tǒng)。對水泥廠冷卻水余熱利用系統(tǒng)進行了經(jīng)濟社會效益的對比，提出了冷卻水余熱利用系統(tǒng)的優(yōu)勢，對水泥廠節(jié)能減排具有重要意義。

關鍵詞：循環(huán)冷卻水 余熱利用 分散式 水源熱泵 節(jié)能減排

在水泥企業(yè)，早期廠區(qū)輔助建筑的制冷一般采用風冷機組，采暖采用鍋爐系統(tǒng)，相當于兩套獨立的冷熱源供給系統(tǒng)。眾所周知風冷空調(diào)機組的制熱隨著室外氣溫降低能效比下降，制冷隨室外氣溫的升高能效比下降，此時會付出更多的電能，如果冬季采用鍋爐系統(tǒng)，夏季采用風冷機組，不僅增加了系統(tǒng)的投資，也增加了后期的運營維護成本。近年來，一些新的空調(diào)技術(shù)如地源熱泵、水源熱泵等不斷被應用。因此，用水源熱泵系統(tǒng)替代風冷熱泵和鍋爐系統(tǒng)是一個很好的選擇，在夏季水源熱泵系統(tǒng)在冷卻塔工況下運行，在冬季作為熱回收機組進行采暖，全年都可以提供生活熱水，真正的做到一機三用。采用此套系統(tǒng)不僅節(jié)省了能源消耗，而且利用了低溫余熱，減少了溫室氣體的排放。

一、冷卻水余熱利用的方法

（一）分散式余熱利用系統(tǒng)的應用

分散式余熱系統(tǒng)主要由工藝散熱設備、冷卻塔、水泵、水池、水處理設備、分散式水源熱泵機組，冷卻水管網(wǎng)、控制系統(tǒng)等組成，見下圖。

該套系統(tǒng)工藝設備運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生了大量的低溫余熱，余熱回收設備及水源熱泵機組的加入，制冷時機組和工藝設備一樣需要向冷卻水中散熱，制熱時機組需要從冷卻水中吸熱，此時相當于為冷卻水冷卻。

由于冷卻水管網(wǎng)敷設于水泥廠的主要車間，管網(wǎng)途經(jīng)各個主要輔助建筑物，采用統(tǒng)一的管網(wǎng)，替代兩個獨立的管網(wǎng)系統(tǒng)，使材料費用和安裝費顯著減少，而且避免了冷卻循環(huán)水側(cè)的水泵、冷卻塔、水處理等設備的重復投資，只需要放大設備或管道的規(guī)格就可以滿足了。

在保加利亞2500TPD水泥廠中的輔助建筑中，分散式余熱系統(tǒng)采用獨立的小功率水源熱泵系統(tǒng)，對單體建筑面積不大的電氣室，我們采用20臺水/風整體式水源熱泵機組，單臺制冷量不超過36kW，其中制冷量25kW的1臺，30kW的2臺，36kW的10臺；對舒適性要求高的辦公樓行政樓，采用6臺水/水和水/風整體式水源熱泵機組，其中制冷量46.7kW的2臺，50.4kW的4臺，對于更衣樓的浴室來說，要求出水溫度能達到60℃，采用5臺水/水式水源熱泵機組共制熱量63.8kW。該套系統(tǒng)將小型的熱泵機組分別安裝在不同的建筑物內(nèi)，與集中式和分散式系統(tǒng)對建筑物供冷和供熱相比，分散式系統(tǒng)節(jié)約了大量的投資。

（二）低溫補熱溫度控制技術(shù)

由于冷卻水的溫度不僅跟環(huán)境溫度有著緊密的關系，同時也跟設備運行狀況有著直接的聯(lián)系。當環(huán)境溫度出現(xiàn)極值或者水泥廠某些設備檢修時，冷卻水水溫就會出現(xiàn)變化。為了保證水源熱泵機組的正常工作和合理的能效比，需要處理冷卻水低溫時應急情況。

針對這種情況，采用了低溫補熱溫度控制技術(shù)，其示意圖見下圖：

在系統(tǒng)中主要設置了2個電動三通閥，一個溫度傳感器，一個止回閥，一個過濾器、一組水泵，一套加熱設備和一路旁通，以及若干截斷閥。當供水水溫低于設定值時，循環(huán)泵啟動、輔助加熱器啟動，此時熱回收系統(tǒng)與冷卻水系統(tǒng)各自獨立循環(huán)，當供水水溫高于設定值時，循環(huán)泵關閉、輔助電加熱器關閉，熱回收系統(tǒng)與冷卻水系統(tǒng)并聯(lián)運行；當熱回收系統(tǒng)的主機待機或停機時，支管的冷卻水供水和回水與冷卻水管網(wǎng)斷開。

在低溫時此套單元不僅可以通過輔助的加熱源進行補充熱量，并把水源水溫度控制在一個適合的范圍，而且可以通過循環(huán)冷卻水對水源水系統(tǒng)進行定壓，具有穩(wěn)定壓力，和排除系統(tǒng)空氣的功能，使得系統(tǒng)能夠在極端嚴寒情況或者檢修出現(xiàn)冷卻水水溫過低情況下，保證系統(tǒng)正常運行。

二、冷卻水余熱利用系統(tǒng)效益對比

（一）經(jīng)濟效益

與水泥廠常規(guī)設計相比較，分散式水源熱泵系統(tǒng)在水泥廠工程造價與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)減少了，主要在管網(wǎng)及設備投資。采用分散式水源熱泵系統(tǒng)在水泥廠內(nèi)的應用與常規(guī)的中央空調(diào)相比，可節(jié)省投資182萬元，為公司大大降低了投資成本，經(jīng)濟效益顯著。

（二）社會效益

使用冷卻水余熱利用技術(shù)運行費用顯著下降，可為用戶帶來可觀的經(jīng)濟效益和節(jié)能減排成果。保加利亞的項目，該系統(tǒng)主要技術(shù)指標與同類技術(shù)的有著不可比擬的優(yōu)勢。該系統(tǒng)至今運行良好，改善了水泥廠內(nèi)的辦公及生活區(qū)的生活條件，室內(nèi)溫度均能滿足設計要求，浴室加熱系統(tǒng)運行可靠，經(jīng)統(tǒng)計，全年節(jié)省用電708718 kW*h，節(jié)省用氣178062.8 Nm3，共節(jié)省運行費用80萬元，可節(jié)約標準煤549.3噸，減排CO2 1439.2噸。

三、冷卻水余熱利用系統(tǒng)的優(yōu)勢

（一）分散式余熱利用系統(tǒng)

利用冷卻水低溫余熱，采用分散式余熱利用系統(tǒng)，整合冷卻水管網(wǎng)資源，通過水/風整體式水源熱泵機組對電氣室、更衣樓、辦公樓進行制冷和采暖，能效比遠高于中央空調(diào)，減少了空調(diào)二次管網(wǎng)、站房內(nèi)輔助設備的投資以及站房的土建投資。

（二）低溫補熱溫度控制技術(shù)

采用低溫補熱溫度控制技術(shù)，當系統(tǒng)出現(xiàn)冷卻水溫度過低時，自動監(jiān)測和啟動，保證了整套系統(tǒng)在水溫異常時仍穩(wěn)定可靠的運行，同時能夠?qū)ο到y(tǒng)進行穩(wěn)壓作用，解決了不穩(wěn)定熱源情況下水源熱泵應用難題。

結(jié)束語：

隨著能源匱乏和環(huán)境保護意思增強，水源熱泵在工業(yè)方面的低溫余熱利用近幾年也在興起。冷卻水余熱系統(tǒng)的使用降低了水泥廠在空調(diào)系統(tǒng)的投資，降低了運行成本，節(jié)約了能源，減少了排放，分散式水源熱泵系統(tǒng)的應用，回收了能源，提高了水泥廠能源的綜合利用率。為推廣水泥廠循環(huán)冷卻水余熱回收的利用具有現(xiàn)實的意義。

參考文獻：

[1]聞訊.水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)余熱回收分析與實施[D].山東大學，2014.

[2]楊琦.循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的余熱利用探討[J]. 給水排水，2009，02：80-82.