我國(guó)工業(yè)余熱利用現(xiàn)狀分析

工業(yè)發(fā)展帶來(lái)了巨大的污染，工業(yè)余熱的利用是節(jié)能減排的重要環(huán)節(jié)。本文主要介紹了工業(yè)余熱的資源特點(diǎn)，概述了工業(yè)余熱的利用方式，中國(guó)目前低溫工業(yè)余熱技術(shù)，以及分析了工業(yè)余熱利用中存在的問(wèn)題?？偨Y(jié)出目前應(yīng)該大力發(fā)展利用低溫余熱技術(shù)。

1.工業(yè)余熱資源特點(diǎn)

工業(yè)消耗的能源部門(mén)品種包括原煤、洗煤、焦炭、油品、天然氣、熱力、電力等。工業(yè)余熱資源特點(diǎn)主要有：多形態(tài)、分散性、行業(yè)分布不均、資源品質(zhì)較大差異等特點(diǎn)。

對(duì)鋼鐵、水泥、玻璃、合成氨、燒堿、電石、硫酸行業(yè)余熱資源的調(diào)查分析結(jié)果顯示，上述工業(yè)行業(yè)余熱資源量豐富，約占這7個(gè)工業(yè)行業(yè)能源消費(fèi)總量的1/3。綜合考慮行業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，這7個(gè)工業(yè)行業(yè)余熱資源總量高達(dá)3.4億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

余熱資源開(kāi)發(fā)利用量超過(guò)1000萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤的有鋼鐵、合成氨、硫酸、水泥4個(gè)行業(yè)，分別為3560萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤、2450萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤、1244萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤、1124萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

從余熱資源的行業(yè)分布來(lái)看，上述7個(gè)工業(yè)行業(yè)中，鋼鐵、水泥、合成氨行業(yè)的余熱資源量位居前三，分別為1.71億噸標(biāo)準(zhǔn)煤、9300萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤、3454萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占這7個(gè)工業(yè)行業(yè)余熱資源總量的比重分別為50.3%、27.3%、10.2%；硫酸、電石、燒堿、玻璃余熱資源總量則較少，分別為1940萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤、1408萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤、495萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤、311萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤，合計(jì)占7個(gè)工業(yè)行業(yè)余熱資源總量的122%。

從工業(yè)余熱資源的地區(qū)分布來(lái)看，上述7個(gè)工業(yè)行業(yè)余熱資源可開(kāi)發(fā)利用潛力居前六位的地區(qū)是河北、江蘇、山東、遼寧、山西、河南，分別為1507萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤、680萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤、664萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤、530萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤、419萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤、361萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

從余熱資源的來(lái)源來(lái)看，可分為高溫?zé)煔夂屠鋮s介質(zhì)等六類(lèi)，其中高溫?zé)煔庥酂岷屠鋮s介質(zhì)余熱占比最高，分別占50%和20%，而其他來(lái)源分別是廢水、廢氣余熱占11%，化學(xué)反應(yīng)余熱8%，可燃廢氣、廢液和廢料余熱7%，高溫產(chǎn)品和爐渣的余熱4%。

從余熱資源品位來(lái)看，約46%為400℃及以上的高品質(zhì)余熱資源，其余約54%則為400℃以下的中低品質(zhì)余熱資源。

從余熱量占各行業(yè)燃耗量的比例來(lái)看，建材行業(yè)的余熱占燃耗量的比例最大，約占40%，其他各行業(yè)的余熱資源也豐富。各行業(yè)余熱資源在該行業(yè)的燃耗量的比例如下表1-1：

2.工業(yè)余熱利用技術(shù)

工業(yè)余熱資源來(lái)源于工業(yè)生產(chǎn)中各種爐窖、余熱利用裝置和化工過(guò)程中的反應(yīng)等。這些余熱能源經(jīng)過(guò)一定的技術(shù)手段加以利用，可進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成其他機(jī)械能、電能、熱能或冷能等。利用不同的余熱回收技術(shù)回收不同溫度品位的余熱資源對(duì)降低企業(yè)能耗,實(shí)現(xiàn)我國(guó)節(jié)能減排、環(huán)保發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

余熱溫度范圍廣、能量載體的形式多樣，又由于所處環(huán)境和工藝流程不同及場(chǎng)地的固有條件的限制，生產(chǎn)生活的需求，設(shè)備型式多樣，如有空氣預(yù)熱器，窯爐蓄熱室，余熱鍋爐，低溫汽輪機(jī)等。根據(jù)余熱的溫度范圍，可以將目前的工業(yè)余熱技術(shù)分為中高溫余熱回收技術(shù)和低溫回收技術(shù)。中高溫回收技術(shù)主要有三種技術(shù)：余熱鍋爐、燃?xì)廨啓C(jī)、高溫空氣燃燒技術(shù)。低溫回收技術(shù)主要有有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電、熱泵技術(shù)、熱管技術(shù)、溫差發(fā)電技術(shù)、熱聲技術(shù)。

從目前工業(yè)余熱現(xiàn)狀來(lái)看，高溫余熱回收技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)的鋼鐵、水泥、冶金等行業(yè)廣泛應(yīng)用。但除了高溫余熱外，還有大量的低溫工業(yè)余熱未得到利用，我國(guó)我國(guó)對(duì)于低溫余熱的利用還處于嘗試和發(fā)展階段,低溫余熱回收技術(shù)不成熟,導(dǎo)致這部分余熱多直接排向環(huán)境，造成了巨大的能源浪費(fèi)。因此，本文著重概述低溫余熱回收技術(shù)。

3.有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)

3.1有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的原理

有機(jī)朗肯循環(huán)是將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的系統(tǒng)，與常規(guī)的蒸汽發(fā)電裝置的熱力循環(huán)原理相似，但有機(jī)工質(zhì)低溫余熱發(fā)電不是用水作工質(zhì)，而是用有機(jī)物為工質(zhì)的朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng), 其工作原理如圖4-1所示。系統(tǒng)由蒸發(fā)器、透平、冷凝器和工質(zhì)泵四大部分組成, 有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器中從低溫?zé)崃髦形諢崃? 生成具一定壓力和溫度的蒸汽, 蒸汽推動(dòng)透平機(jī)械做功, 從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)或拖動(dòng)其它動(dòng)力機(jī)械。從透平機(jī)排出的有機(jī)蒸汽在冷凝器中向冷卻水放熱, 凝結(jié)成液態(tài), 最后借助工質(zhì)泵重新回到蒸發(fā)器, 如此不斷地循環(huán)下去。

圖3-1 有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電原理圖

有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)采用有機(jī)工質(zhì)（如R123、R245fa、R152a、氯乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷等）作為循環(huán)工質(zhì)的發(fā)電系統(tǒng)，由于有機(jī)工質(zhì)在較低的溫度下就能氣化產(chǎn)生較高的壓力，推動(dòng)渦輪機(jī)（透平機(jī)）做功，故有機(jī)工質(zhì)循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)可以在煙氣溫度200℃左右，水溫在80℃左右實(shí)現(xiàn)有利用價(jià)值的發(fā)電。

目前，對(duì)低溫?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：工質(zhì)的熱力學(xué)特性和環(huán)保性能；混合工質(zhì)的應(yīng)用；熱力循環(huán)的優(yōu)化等。國(guó)外有機(jī)朗肯循環(huán)低溫?zé)岚l(fā)電技術(shù)主要應(yīng)用于地?zé)岚l(fā)電，但未來(lái)可能應(yīng)用于太陽(yáng)能熱電、工業(yè)余熱、生物質(zhì)能和海洋溫差能等。

目前美國(guó)、法國(guó)等國(guó)的余熱發(fā)電技術(shù)的最低溫度是80℃，我國(guó)自主研發(fā)的低溫發(fā)電機(jī)組，通過(guò)提升熱電轉(zhuǎn)換介質(zhì)的性能，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了最低發(fā)電溫度為60℃能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)電。

3.2有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

例如某水泥廠余熱發(fā)電站，一條3000噸/天的新型干法水泥生產(chǎn)線，窯頭與窯尾配備有余熱鍋爐，用的是凝汽式汽輪機(jī)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)出來(lái)效果為每小時(shí)的平均發(fā)電總量為3500kW，參照發(fā)電機(jī)組的真實(shí)規(guī)格，必須用3000kW的汽輪機(jī)組。某項(xiàng)目的總投資數(shù)額高達(dá)60萬(wàn)元，一年平均運(yùn)轉(zhuǎn)300多天，則1年的發(fā)電總量可達(dá)到2270萬(wàn)kWh。這種情況下和采用標(biāo)準(zhǔn)煤生產(chǎn)相比，能夠節(jié)約1.3萬(wàn)噸的煤，減少約2.2萬(wàn)噸二氧化碳的排放量，然后除掉系統(tǒng)自身耗費(fèi)電量的10%，則每年供電量能夠達(dá)到1905萬(wàn)kWh，而1噸熟料的發(fā)電能力能夠達(dá)到26.5kWh。相比之下，應(yīng)用純低溫余熱發(fā)電技術(shù)來(lái)發(fā)電，整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)一共投資1962萬(wàn)元，外界購(gòu)電價(jià)格按照0.5元/kWh進(jìn)行計(jì)算，除去余熱電站供電所花費(fèi)的成本，則每噸熟料的成本大約能下降11.5元，進(jìn)一步降低了水泥工業(yè)生產(chǎn)成本，提升企業(yè)在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。

以某冷卻塔低溫余熱利用系統(tǒng)用于發(fā)電為例，扣除泵的耗功后，1t熱水的發(fā)電量為1kW.h，每年按照7000h計(jì)算，則年發(fā)電量為70000kW.h，電價(jià)按0.5元計(jì)算，年經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)35萬(wàn)元，相當(dāng)于減少CO2排放量650t，經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益顯著。

結(jié)論：固然純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的投資非常高，但在短短幾年中基本上可收回成本，可以說(shuō)構(gòu)建出低溫余熱電站，既能變廢為寶，充分利用能源，降低對(duì)環(huán)境的污染，又能增加企業(yè)收益，可謂一舉兩得。

4.熱泵技術(shù)

4.1熱泵技術(shù)的原理

熱泵就是在兩個(gè)熱源之間工作，消耗一定的功（W），使低溫?zé)嵩垂┙o熱量（Q1），在高溫?zé)嵩刺帿@得熱量（Q2），亦即以消耗少量高質(zhì)能為代價(jià),達(dá)到提高溫位以利于利用。

熱泵大概分兩類(lèi)：一是蒸汽壓縮式；二是吸收式，后者是熱泵的主流。

壓縮式熱泵由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)、節(jié)流裝置及水源、熱水側(cè)管路等部分組成。壓縮式熱泵由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)、節(jié)流裝置及水源、熱水側(cè)管路等部分組成。機(jī)械壓縮式熱泵系統(tǒng)的工作過(guò)程如下：低沸點(diǎn)工質(zhì)流經(jīng)蒸發(fā)器時(shí)蒸發(fā)成蒸汽，此時(shí)從低溫位處吸收熱量，來(lái)自蒸發(fā)器的低溫低壓蒸汽，經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮后升溫升壓，達(dá)到所需溫度和壓力的蒸汽流經(jīng)冷凝器，在冷凝器中，將從蒸發(fā)器中吸取的熱量和壓縮機(jī)耗功所相當(dāng)?shù)哪遣糠譄崃颗懦?。放出的熱量就傳遞給高溫?zé)嵩?，使其溫位提高。蒸汽冷凝降溫后變成液相，流?jīng)節(jié)流閥膨脹后，壓力繼續(xù)下降，低壓液相工質(zhì)流入蒸發(fā)器，由于沸點(diǎn)低，因而很容易從周?chē)h(huán)境吸收熱量而再蒸發(fā)，又形成低溫低壓蒸汽，依此不斷地進(jìn)行重復(fù)循環(huán)。

吸收式熱泵是利用工質(zhì)的吸收循環(huán)實(shí)現(xiàn)熱泵功能的一類(lèi)裝置，它采用熱能直接驅(qū)動(dòng)，而不是依靠電能、機(jī)械能等其他資源。溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組回收利用低溫?zé)嵩?如廢熱水)的熱能，制取所需的工藝或采暖用高溫?zé)崦剑瑢?shí)現(xiàn)從低溫向高溫輸送熱能的設(shè)備，它以低溫?zé)嵩礊轵?qū)動(dòng)熱源，在采用低溫冷卻水的條件下，制取比低溫?zé)嵩礈囟雀叩臒崦?。它與第一類(lèi)溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組的區(qū)別在于，它不需要更高溫度的熱源來(lái)驅(qū)動(dòng)。但需要較低溫度的冷卻水。

4.2熱泵技術(shù)的特點(diǎn)

我國(guó)許多行業(yè)對(duì)熱源的需求溫度多集中在75~200℃之間，且存在著低溫余熱大量浪費(fèi)的情況，可以把熱能由低溫位熱源轉(zhuǎn)移到高溫位熱源的中高溫?zé)岜眉夹g(shù)有著巨大的應(yīng)用空間。對(duì)高溫?zé)岜玫难芯慷嗉性谶m宜工質(zhì)的選擇和制熱效率提高這兩個(gè)方面。對(duì)高溫?zé)岜玫难芯慷嗉性谶m宜工質(zhì)的選擇和制熱效率提高這兩個(gè)方面。

全世界有超過(guò)1.3億臺(tái)熱泵機(jī)組在正常運(yùn)行,總供熱量超過(guò)了 4.7E+10GJ/年, 目前,工業(yè)熱泵主要應(yīng)用在釀造、紡織、木材、食品加工、石油化工、海水淡化、熱電以及冶金等領(lǐng)域。在國(guó)外,利用吸收式熱泵系統(tǒng)回收余熱技術(shù)的研究已有多年的發(fā)展。在溴化鋰吸收式制冷技術(shù)上我國(guó)已經(jīng)積累了雄厚的技術(shù)基礎(chǔ),但在吸收式熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)上還比較落后。

5.熱管技術(shù)

5.1熱管技術(shù)的原理

以熱管作為傳熱元件的廢熱鍋爐稱為熱管式廢熱鍋爐，由外筒體、內(nèi)筒體、飽和汽包、熱管四部分組成。工作時(shí)廢氣（或工藝氣）由上部進(jìn)入，經(jīng)外筒體和內(nèi)筒體環(huán)隙流動(dòng)，經(jīng)熱管換熱后氣體由下部流出；水由內(nèi)筒體下部進(jìn)入，經(jīng)熱管加熱后，進(jìn)汽包，汽水分離后，產(chǎn)生飽和蒸汽，并網(wǎng)或直接使用。

5.2熱管技術(shù)的特點(diǎn)

熱管的二次間壁換熱特性是實(shí)現(xiàn)安全、可靠及長(zhǎng)周期運(yùn)行的重要保證。熱管的熱流變換及自吹灰特性是防止工業(yè)上換熱設(shè)備露點(diǎn)腐蝕及灰塵堵塞的重要技術(shù)保證。熱管的均溫?zé)崞帘渭胺蛛x式熱管技術(shù)的完善, 將可能解決化學(xué)反應(yīng)器中溫度分布不均勻、反應(yīng)過(guò)程偏離最佳反應(yīng)溫度的缺陷、石油裂解中由于管壁溫度不均勻而出現(xiàn)的過(guò)熱分解以及核反應(yīng)堆安全殼體的散熱等等問(wèn)題。液態(tài)金屬熱管的出現(xiàn)及材料價(jià)格的下降, 可實(shí)現(xiàn)在超高溫反應(yīng)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)連續(xù)取熱。

5.3熱管技術(shù)的國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

早在 1942 年，Gauler 就曾提出熱管的原理。 1962 年，L. Trefethen 再次提出類(lèi)似于Gauler 的傳 熱元件，但因故未能實(shí)施。直到1964 年，Grover等人獨(dú)立地提出了類(lèi)似于Gauler 的傳熱元件， 并且取名熱管，此后吸引了很多的科學(xué)技術(shù)工作者從事熱管研究，使熱管得到了很快的發(fā)展。熱管自1964 年正式在美國(guó)發(fā)明問(wèn)世, 至今已有50年的歷史, 常作為一種傳熱元件, 但作為一項(xiàng)傳熱技術(shù), 則仍處于發(fā)展階段。

我國(guó)的熱管技術(shù)開(kāi)發(fā)研究一開(kāi)始有明確為工業(yè)化服務(wù)的目標(biāo), 因此重點(diǎn)在于開(kāi)發(fā)碳鋼-水熱管換熱器。經(jīng)過(guò)多年的努力, 我國(guó)的熱管技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用已處于國(guó)際先進(jìn)水平。目前, 氣-氣熱管換熱器、熱管蒸汽發(fā)生器等熱管節(jié)能產(chǎn)品已廣泛用于冶金、石油、化工、動(dòng)力及陶瓷等工業(yè)領(lǐng)域。

6.其他

6.1 斯特林熱氣機(jī)循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)

斯特林熱氣機(jī)循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)是利用低溫余熱發(fā)電的廢熱回收裝置，可回收100℃至300℃的廢熱，能達(dá)到20%的發(fā)電效率。從數(shù)據(jù)來(lái)看，其發(fā)電效率優(yōu)于目前市場(chǎng)的低溫蒸汽循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)和有機(jī)工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率，該裝置在100℃的廢熱條件下發(fā)電效率達(dá)7.3%，150℃的條件下發(fā)電效率達(dá)13.7%，200℃的條件下發(fā)電效率達(dá)18.4%，250℃的條件下發(fā)電效率達(dá)22.1%，300℃的條件下發(fā)電效率達(dá)25.0%。

6.2超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)

超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)是超臨界二氧化碳液體為郎肯循環(huán)系統(tǒng)的工質(zhì)，以二氧化碳透平專用渦輪機(jī)為核心技術(shù)的最新余熱發(fā)電技術(shù)。此發(fā)電系統(tǒng)在余熱發(fā)電方面有較寬泛的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都優(yōu)于在用的水蒸汽浪肯循環(huán)系統(tǒng)和當(dāng)前最先進(jìn)的有機(jī)浪肯循環(huán)系統(tǒng)，特別是在發(fā)電效率和設(shè)備體積方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)。超臨界二氧化碳熱機(jī)是一種平臺(tái)技術(shù)，目前可提供的功率范圍為250Kwe至50Mwe的設(shè)計(jì)，效率可達(dá)30%。應(yīng)用范圍包括燃?xì)廨啓C(jī)、固定式動(dòng)力發(fā)電機(jī)組、工業(yè)廢熱回收、太陽(yáng)能熱量、地?zé)?、混合?nèi)燃機(jī)等的循環(huán)熱能。

7.工業(yè)余熱利用存在的問(wèn)題

從技術(shù)發(fā)展看，低溫有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)是利用低溫工業(yè)余熱、地?zé)?、太?yáng)能的經(jīng)濟(jì)有效方案，但國(guó)內(nèi)未掌握該技術(shù)。我國(guó)許多行業(yè)對(duì)熱源的需求溫度多集中在70~250℃之間,且存在著低溫余熱大量浪費(fèi)的情況,可以把熱能由低品位熱源轉(zhuǎn)移到高品位熱源的中高溫?zé)岜眉夹g(shù)有著巨大的應(yīng)用空間。由于在工業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生余熱的熱源一般水質(zhì)都比較差)如油田含油污水（其中除了含有石油類(lèi)物質(zhì),還有硫化氫、鹽類(lèi)等）對(duì)普通的熱泵換熱器會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕，必須采用特制的鈦管換熱管或者其他抗腐蝕材料，并通過(guò)清水與含油污水換熱后再進(jìn)入熱泵機(jī)組。一批高性能的熱電轉(zhuǎn)換材料出現(xiàn)，溫差發(fā)電技術(shù)的性價(jià)比相對(duì)提高，使溫差發(fā)電技術(shù)在工業(yè)和民用產(chǎn)業(yè)中推廣應(yīng)用成為可能。

8.結(jié)論

當(dāng)前中高溫余熱利用技術(shù)普及率不高，低溫余熱未被利用是我國(guó)余熱利用率低的原因之一。將原被遺棄的工業(yè)余熱應(yīng)用于溴化鋰吸收式制冷,滿足生產(chǎn)或生活的需要,這無(wú)疑是提高能源利用率的一個(gè)有力措施，尤其是在不同季節(jié)交替需要供暖與制冷負(fù)荷的企業(yè),應(yīng)優(yōu)先考慮采用溴化鋰吸收式制冷。在中高溫?zé)岜眉夹g(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，要結(jié)合余熱源的具體情況采取相應(yīng)措施，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題。