胡细来

（北京建都设计研究院有限责任公司，北京 100123）

1 引言

1.1 岩棉工业余热利用现状

岩棉是良好的保温隔热材料，由于具有良好的环保性能，在建筑与工业保温隔热中应用非常广泛。目前，岩棉生产中较先的工艺是电炉熔制法工艺，这种工艺的核心设备是电炉，在生产岩棉过程中电炉及其附属设备会形成高温环境。为保证设备安全，需要对电炉及其附属设备进行冷却，一般是利用循环水进行冷却，通常是利用循环冷却水泵将冷却水通过冷却塔把电炉产生的热量排放到大气中。这不仅使得这部分热量白白损失，而且对环境造成不利影响。在夏季，还需要制冷机组制取低温水供电炉及其附属设备进行降温用。岩棉生产是常年运行的，即使是冬季，电炉冷却水出水温度也能到30～35℃，产生大量余热。如果利用热泵工艺将岩棉生产过程中这部分余热进行回收利用，不仅有经济价值，而且对节能减排有重要意义。

1.2 热泵工艺可行性

本文以北方某岩棉工厂为例进行分析。该厂就是采用电炉熔制法工艺技术进行岩棉生产。为了岩棉厂房与办公楼和职工宿舍采暖，厂区建立了专门燃气锅炉房，每年消耗大量天然气。天然气是清洁能源，但也释放二氧化碳等温室气体，对环境产生较大危害。在研究岩棉生产工艺的过程中发现，该厂不仅为冷却水配置多台冷却塔，为进一步降低电炉冷却水温，还配置了两台制冷机组。

经过分析研究，在不影响工艺要求的情况下，将两台制冷机组改为热泵运行模式，降低电炉冷却水温的同时，为厂房与生活区提供采暖及热水等，同时取消采暖用锅炉房。冬季利用岩棉生产过程中电炉冷却产生的余热，通过热泵提升完全可以满足冬季厂房与生活区采暖要求。

2 热泵工艺技术流程

2.1 热泵工艺在岩棉生产工业中应用的便利性

岩棉工业生产过程中，电炉产生大量的热量，若热量不能散发出去电炉难以连续正常工作。目前，岩棉生产工艺中是利用冷却塔加制冷机组对电炉冷却水进行降温散热，仅仅利用冷却塔难以保证电炉冷却水降到需要的水温，所以岩棉工业生产中往往配置制冷机组来协助降低电炉冷却水温。将制冷机组改为热泵冷水机组使用，不需要增加设备投资，可节约经济投资，技术上将原有制冷工艺流程改为热泵制冷工艺流程就可以。实际工程应用中，可以将相关管路系统进行改造形成热泵制冷工艺，既保证岩棉生产工艺电炉冷却需要，又可以提供冬季采暖需要，一举两得。由此可见，改造工艺与施工并不复杂。同时，可以取消原有锅炉房，节省天然气的使用，具有较大的经济效益，可为项目整改顺利进行提供有力保障。

2.2 岩棉生产余热利用热泵工艺简述

在冬季，利用热泵工艺，电炉出来的较热冷却水经过热泵机组蒸发器侧将冷却水温度从30～35℃降至较低温度（约20℃），然后将较低温度的冷水再返回给电炉进行降温，冷却水水温升高，如此循环。同时经过热泵冷凝器侧，可以提供厂区与生活区60℃/50℃供回水进行采暖，也可以通过板式换热器提供洗浴用生活热水。在夏季，对电炉降温的同时，一部分余热通过热泵制冷机组可以提供生活热水，其他冷却水通过冷却塔，经过制冷机组，完成制冷过程。在提供采暖与生活热水的同时，不影响岩棉生产工艺制冷需要。

2.3 岩棉余热利用热泵工艺流程

余热利用热泵工艺系统流程原理简图见图1。

图1 余热利用热泵工艺系统流程原理简图

从图1可以看出，岩棉工艺电炉用冷却水通过电炉、工艺端循环泵、热泵机组蒸发器进行循环，冬季采暖通过采暖末端设备、采暖循环泵、热泵机组冷凝器侧进行循环，完成供热制冷过程。夏季可切换控制阀，通过冷却塔、循环泵、热泵机组冷凝器进行循环，完成冷却制冷工艺过程。图1流程，也可理解为采暖用户端热工质循环代替部分冷却塔循环，制冷机组冷却塔散热改为采暖用户端使用热。实际流程图相对复杂些，主要是要考虑系统控制问题，工艺流程适应采暖等负荷变化的因素等问题，但这不影响本文的主旨。在实际工程中，相关项目改造取得了很好的效果。

3 热泵与燃气锅炉能耗比较

3.1 基本原理

某岩棉工厂位于我国华北某地，其规模为300 000 t/a，目前为锅炉采暖，后期将进行技术改造，利用热泵工艺技术代替燃气锅炉。燃气锅炉采暖能耗包括燃气消耗部分与泵等能源输送部分，而利用岩棉电炉冷却余热采用热泵工艺进行采暖，没有燃气消耗，水系统循环泵等能源输送部分与使用燃气锅炉情况相差不大，本文对这部分能耗差别做忽略处理。热泵本身需要的电能，由于其有冷却岩棉电炉的工艺需要，说以热泵本身消耗电能基本不变，其他水处理等能耗基本一致。热泵与燃气锅炉能耗比较，基本上热泵工艺技术应用就节省了燃气锅炉所耗费的燃气。

3.2 能耗比较

某岩棉工厂主要建筑有职工宿舍及食堂、办公楼、厂房，采暖建筑面积分别约为3 000 m2、2 000 m2、20 000 m2，均设采暖，职工宿舍及食堂与办公楼主要功能房间采暖设计温度为18℃，厂房采暖设计温度为5℃。厂区设置独立锅炉房，容量为2台0.7 MW，设计供回水温度为95℃/70℃，燃料为天然气。

现对原有锅炉采暖系统进行技术改造。首先，取消锅炉房作为采暖热源，将两台工艺用制冷机改为热泵机组作为热源，冬季提供电炉冷水的同时又提供采暖热水。原有两台制冷机组，每台制冷量为800 kW，现改为热泵形式，两台共提供热量可达1.5 MW（2×750 kW），完全满足冬季生活用热需求。由于岩棉生产工艺需要，制冷机组基本常年运行，所以制冷机组改为热泵形式后机组运行能耗变化不大，这部分影响可以忽略。原有采暖系统管线稍加改造可以利用，工程改造成本很低。同时，应用热泵机组后基本上节约了锅炉这部分所消耗的燃气能耗，平时运行费用也大大降低，经济效益显著。锅炉采暖有能量输送的采暖循环泵等，这部分与使用热泵系统相差不大，对于采暖用耗电量未做统计数据，主要是统计天然气耗量。2020—2021年度采暖季锅炉使用的天然气消耗量见表1。

表1 某岩棉工厂采暖用燃气消耗量

从表1可知，某岩棉工厂采暖季共消耗天然气71 000 m3，可转化热量为2.77TJ。经济效益上，按2.5元/m3价格计算，每年可节省17.75万元。

4 应用热泵技术对碳排放影响

采暖季，岩棉工厂采暖锅炉燃烧燃气排放二氧化碳。故工程边界内二氧化碳直接排放量为采暖季采暖锅炉燃烧天然气所产生的二氧化碳排放量，计算公式如式（1）：

式中，E燃烧为化石燃料燃烧活动产生的二氧化碳排放量，t；Ai为设备所燃烧的第i种化石燃料的热量，TJ；Fi为第i种化石燃料的二氧化碳排放因子，t/TJ。

式中，RLi为第i种化石燃料的消费量，本工程为天然气，万m3；RZi为第i种化石燃料的平均低位发热量，本工程为天然气，取38.931 MJ/m3。式中，所有气体体积均为标准大气压下所测体积。

式中，Ci为燃料i的单位热值含碳量，天然气含二氧化碳取15.3 t/TJ；αi为燃料i的碳氧化率，天然气取99%；ρ为二氧化碳与碳的分子量之比，44/12。

本工程主生产线也有天然气用量，这里不作生产用天然气耗量统计，也不计算这部分碳排放计算。本工程燃气锅炉采暖季天然气用量按月统计，得出年采暖天然气用量为71 000 m3（标准大气压下）。采暖季各月天然气用量与二氧化碳直接排放量及年天然气用量与二氧化碳排放量汇总详见表2。

由表2可知，某岩棉工厂冬季利用燃气锅炉采暖，在一个采暖季所产生的二氧化碳排放量为154.14 t。如果使用热泵技术工艺，利用岩棉电炉余热满足冬季采暖需求，则每年基本上可减少二氧化碳排放154 t左右。所以在岩棉生产工业中，利用热泵技术工艺，因为节约采暖用燃气，二氧化碳排放大幅降低，不但经济效益得到提升，而且还能减少环境污染，从而有利于行业可持续发展。

表2 某岩棉工厂利用燃气采暖碳排放量

5 结语

岩棉生产过程中产生的余热较多，通常可供利用的冷却水温度为30～35℃，利用热泵技术可以利用这些热能，供生活采暖或热水使用。这种热泵工艺改造减少了能源浪费，节省相应锅炉房建设投资，经济效益也很显著。同时，还能减少燃气的使用。通过热泵技术利用在岩棉工业生产中产生的余热中，无论是对工业节能降耗，还是对降低碳排放均有重要意义，也是对我国现阶段“碳达峰、碳中和”目标的实现进行的有益探索。