工业余热基本利用方式有哪些你知道吗？

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工业余热基本利用方式有哪些你知道吗？

工业余热包括:烟气余热,冷却介质余热,废汽废水余热,化学反应热,高温产品和炉渣余热,以及可燃废气、废料余热。从经济性出发,需要结合工艺生产进行系统整体的设计布置,综合利用能量,以提高余热利用系统设备的效率。
根据余热资源在利用过程中能量的传递或转换特点,可以将国内目前的工业余热利用技术分为热交换技术、热功转换技术、余热制冷制热技术。
一、热交换技术
热交换技术通过换热设备直接回收和利用余热能，这类技术不改变余热能的形式，是回收工业余热最为直接和经济的方法。热交换技术所利用的主要设备有各种传统的换热器，以及热管换热器和余热锅炉等。热交换技术通过换热器将余热转换为蒸汽或者热水、热风直接用于生产工艺中。
1．传统换热器
工业用的传统换热器主要有间壁式换热器、混合式换热器和蓄热式换热器等几种。
（1）间壁式换热器
间壁式换热器主要有管式、板式及同流换热器等几类。
管式换热器换热效率较低，平均在26%~30%，紧凑性不如板式换热器，金属材料消耗也大于其它类型换热器，但它具有结构坚固、适用性强和材料范围广的特点，是工业余热回收中应用最广泛的热交换设备。冶金企业40%的换热设备为管式换热器，该类换热器允许入口烟气温度达1000℃以上，出口烟温约600℃，平均温差约300℃。

板式换热器有翅片板式、螺旋板式、板壳式等，与管式换热器相比，其传热系数约为管壳式的二倍，传热效率高，结构紧凑，节省材料，冶金行业中的联合中小企业多采用板式换热器预热助燃空气，热回收率平均在28%~35%，入口烟气温度700℃左右，出口温度达360℃。但由于板式换热器对温度压力的耐受能力不如管式换热器大，应用范围受到一定的限制。

对于各种工业炉窑产生的高温烟气，还经常采用块孔式换热器、空气冷却器和同流热换热器等。其中同流换热器属于气－气热交换器，主要有辐射式和对流式两类，应用较为广泛，多用在均热炉、加热炉等设备上回收烟气余热，预热助燃空气或燃料，降低排烟量和烟气排放温度。常见的辐射型同流换热器入口烟气的温度可达1100℃以上，出口烟气温度亦高达600℃，可将助燃空气加热到400℃，助燃效果好；但热回收率较低，平均为26%~35%。
（2）蓄热式热交换器
蓄热式热交换设备是冷热流体间歇性地流过蓄热元件进行热量交换，属于间歇操作的换热设备，适宜回收间歇排放的余热资源，多用于高温气体介质间的热交换，如加热空气或物料等。

根据蓄热介质和热能储存形式的不同，蓄热式热交换系统可分为显热储能和相变潜热储能。显热储能系统在工业中应用已久，简单换热设备如常见的回转式换热器；复杂设备如炼铁高炉的蓄热式热风炉、玻璃熔炉的蓄热室等。由于显热储能热交换设备存在储能密度低、体积庞大、蓄热不能恒温等缺点，在工业余热回收中具有局限性。相变潜热储能换热设备利用蓄热材料固有热容和相变潜热储存和传递能量，具有高出显热储能设备至少一个数量级的储能密度，因此在储存相同热量的情况下，相变潜热储能换热设备比传统蓄热设备体积减少30%~50%。此外，热量输出稳定、换热介质温度恒定、换热系统运行状态稳定是相变潜热储能换热设备的另一优点。相变储能材料根据其相变温度大致分为高温相变材料和中低温相变材料，前者相变温度高、相变潜热大，主要是由一些无机盐及其混合物、金属及合金、氧化物等和陶瓷基体或金属基体复合制成，适合于450~1100℃及以上的高温余热回收，应用较为广泛；后者主要是结晶水合盐或有机物，适合用于低温余热回收。
（3）混合式换热器
混合式换热器依靠冷热流体直接接触或混合传递热量，如工业生产中的冷却塔、洗涤塔、气压冷凝器等。
2．热管换热器
热管是一种高效的导热元件。热管是一种全封闭的真空管，里面充注一定量的工质。热管一端受热后，里面的工质吸热蒸发，然后扩散至热管另一端凝结放热，将热量传递给与热管另一端相接触的物质。热管通过工质的蒸发和凝结两次相变过程和两次间壁换热来传递热量，属于将储热和换热装置合二为一的相变储能换热装置。
热管导热性优良，传热系数比传统金属换热器高近一个数量级，还具有良好的等温性好、温度可控、热量输送能力强、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、无需外加辅助动力设备等一系列优点。热管工作温度分为低温（-200~+ 50℃），常温（50~250℃），中温（250~600℃），高温（＞600℃），需要根据不同的使用温度选定相应的管材和工质。其中碳钢－水重力热管的结构简单、价格低廉、制造方便、易于推广，得到了广泛的应用。实际应用中，用于工业余热回收的热管使用温度一般在50~400℃之间。热管换热器可用于干燥炉、固化炉和烘炉等的热回收或废蒸汽的回收，以及锅炉或炉窑的空气预热等。
3．余热锅炉
采用蒸汽发生器，即余热锅炉回收余热是提高能源利用率的重要手段。余热锅炉可利用高温烟气余热、化学反应余热、可燃气体余热以及高温物料余热等，生产高压、中压、低压蒸汽或热水，用于工艺流程或进入热网供热。同时余热锅炉是低温汽轮机发电系统中的重要设备，可为汽轮机等动力机械提供做功用的蒸汽。余热锅炉中不发生燃烧过程，从本质上讲只是一个烟气气－水或烟气－蒸汽的换热器。实际应用中，利用350~ 1000℃高温烟气的余热锅炉居多，和燃煤锅炉的运行温度相比，属于低温炉，效率较低。冶金行业近80%的烟气余热是通过余热锅炉回收的。
由于余热烟气含尘量大，并含有较多腐蚀性物质，容易造成锅炉积灰、腐蚀、磨损等问题，因此防止积灰磨损和腐蚀是设计余热锅炉的关键。直通式炉型、大容积的空腔辐射冷却室、密封炉墙、除尘室、振打吹灰装置等都是为解决积灰磨损问题在余热锅炉结构上所作的考虑。另外由于受工艺生产场地的空间限制，余热锅炉一般把换热部件分散安装在工艺流程各个部位，而不一定像普通锅炉一样组装成一体。
近十年随着节能减排工作的推进，余热锅炉为适应工业领域产能调整和增加的变化，不断朝着大型化、高参数方向发展，如有色冶金行业蒸发量50t/h、工作压力4.2MPa的余热锅炉，或钢铁冶金行业蒸发量达100t/h、工作压力12.5MPa的干熄焦余热锅炉。此外，为进一步提高锅炉传热效果和热利用效率，减轻积灰、磨损和腐蚀，在锅炉循环方式、受热面结构、锅炉内烟气流道布置以及清灰方式等方面进行改进和创新将是余热锅炉技术研发的主要内容。
二、热功转换技术
利用热功转换技术可提高余热的品位,是回收工业余热的另一重要技术。
按照工质分类,热功转换技术可分为传统的以水为工质的蒸汽透平发电技术和以低沸点工质的有机工质发电技术。
目前主要的工业应用以水为工质,以余热锅炉+蒸汽透平或者膨胀机所组成的低温汽轮机发电系统。
（1）低温余热发电
纯低温余热回收发电技术与大中型的火力发电不同，低温余热发电技术是通过回收钢铁、水泥、石化等企业几乎每天都在持续不断的向大气环境中排放的温度低于300～400℃的中低温的废蒸汽、烟气所含的低品位的热量来发电，它将企业在生产环节产生的低品位的或废弃的热能转化为高级能源——电能，因此它是一项变废为宝的高效节能技术。这一技术的核心是在高效换热器和低温非标汽轮机方面的重大突破和进展，这些技术可以成功地直接将低品位的余热转换成电能，不仅建厂投资成本低，而且经济效益显著，为大型企业余热回收利用、节能降耗找到了一条行之有效的途径和方法。
这项节能技术能够充分利用钢铁企业生产环节(如:炼铁、炼钢、烧结、轧钢和冲渣)产生的大量低值或废弃的热能进行发电，给每个钢铁企业都带来巨大的经济效益和社会效益，粗略估计一个年产钢铁500万吨的企业全部可利用发电的余热，全年约可发电2亿度电，可为企业增收8000万元。纯低温余热发电技术是一项国家积极鼓励、大力推广的节能技术
电厂余热锅炉主要是利用燃气轮机烟气余热来加热水，成为高压高温的水蒸汽进入汽轮机做功，是一种联合发电机组。别的工业上也有很多，原理都是一样的，一句话利用余热，提高能源利用率。
（2）ORC（有机朗肯循环）发电
ORC是针对85-200℃的余热利用而设计生产的发电装置。
ORC发电装置的适用范围
1）200℃以下烟气余热发电；
2）0.1MPa以下，100-120℃饱和蒸汽、泛汽和各种工业气体发电；
3）85℃以上流体（如热水、化工行业的热物液等）发电。

ORC发电装置的工作原理
工作原理和汽轮机发电机组相同，只是常规的汽轮机发电机组使用的介质是水，而ORC发电机组使用的是有机物质。有机介质的选定是由余热的温度水平决定的，不同的温度选用不同的介质，常用的介质有R134、R245fa等。是目前国际通用的制冷剂，安全可靠、无毒不易燃，物理化学特性稳定。利用有机介质低沸点特性（35-65℃蒸发），当余热温度大于介质蒸发温度时，有机介质在蒸发器内汽化，相变为具有一定压力的气体，推动螺杆膨胀机做功，螺杆机拖动发电机发电。做功后气体的温度和压力降到效率最低点，为气液两相，经冷凝器冷凝为全液相，进入储液槽，工质泵将液态工质泵入蒸发器，完成一个做功循环。

ORC发电装置效率
ORC发电装置效率比中、高温水平的汽轮机发电要低很多，ORC发电效率一般在10-15％左右，目前世界各国的技术水平都是这样，这是ORC发电机组的自身特性决定的。ORC发电装置对环境温度敏感，相同的余热和机组，在不同的地区使用，因为环境温度的高低，决定了介质的冷凝温度。当冷凝温度降低10-15℃时，发电量成倍增长，南方和北方发电量相差近一倍。北方平均环境温度低，发电量大。南方则发电量明显减小。
（3）汽机拖动
在工业生产中，直接用汽轮机作为原动机来驱动一些大型的机械设备，如大型风机、给水泵压缩机等功率比较大的设备，这种用途的汽轮机叫工业汽轮机。驱动泵、鼓风机、压缩机等机械的汽轮机或与工业生产流程有密切联系的发电用汽轮机。

工业汽轮机既可使用燃料或利用各类工业生产流程中的余热在余热锅炉中产生蒸汽，也可利用生产流程中的余汽。在工业生产中，直接用汽轮机作为原动机来驱动一些大型的机械设备，如大型风机、给水泵压缩机等功率比较大的设备，这种用途的汽轮机叫工业汽轮机。
三、制冷制热技术
（1）余热制冷
余热制冷是利用生产过程中的气体或废气、废液，以及某些动力机械排出的热量作能源，驱动压缩式或吸收式制冷机制冷的技术。可回收余热，节约能耗，降低成本。

余热制冷是一种吸收式制冷．是靠消耗热能采作为补偿的．而这种热能主要是低位热能，例如0.8Pa压的蒸汽，或60℃以上的热水以及利用工业废气等。
a、吸收式制冷一般是指用溴化锂作为工质的吸收式制冷。溴化锂溶液只是吸收剂．其中水才是真正的制冷剂，利用水在高真空下低沸点汽化，吸收热量达到制冷目的。它只能制取O℃以上的冷媒，正适合制备空调所需冷冻水。来自发生器的高压水蒸气在冷凝器中被冷却为高压液态水．通过膨胀阀后成为低压水蒸气进入蒸发器。在蒸发器中，冷媒水与冷冻水进行热交换而发生汽化．带走冷冻水的热量后成为低压冷媒蒸汽进入吸收器．被吸收器中的溴化锂溶液(又称浓溶液)吸收，吸收的冷过程中产生的热量由送人吸收器中却水带走，、吸收后的溴化锂--水溶液(又称稀溶液)由溶液泵送至发生器．通过与送人发生器中的热源(热水或蒸汽)进行热交换而使其中的水发生汽化，重新产生高压蒸汽。同时，由于溴化锂的蒸发温度较高，稀溶液汽化后．吸收剂则成为浓溶液重新回到吸收器中。在这一过程中．实际上包括了两个循环．即制冷剂(水)的循环和吸收剂(溴化锂溶液)的循环，只有这两个循环同时工作．才能保证整个制冷系统的正常运行。溴化锂制冷机组的一个主要特点是节省电力。从其制冷循环中可以看出．它的用电设备主要是溶液泵．电量大约为5～10kW，这与压缩式冷水机组相比是微不足道的。在我国目前的情况下，许多城市都存在电力紧张的状况．为溴化锂冷水机组的广泛应用起到了一定的推进作用。
b、吸收式制冷装置由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、循环泵、节流阀等部件组成，工作介质包括制取冷量的制冷剂和吸收、解吸制冷剂的吸收剂，二者组成工质对。浓氨水溶液在发生器中被加热，分离出一定流量的冷剂蒸气进入冷凝器中，冷剂蒸气在冷凝器中被冷却，并凝结成液态；液态冷剂经过节流降压，进入蒸发器，在蒸发器内吸热蒸发，产生冷效应，冷剂由液态变为气态，再进入吸收器中；另外，从发生器流出的稀溶液经换热器和节流降压后进入吸收器，吸收来自蒸发器的冷剂蒸气，吸收过程产生的浓溶液由循环泵加压，经换热器吸热升温后，重新进入发生器，如此循环制冷。
目前，吸收式制冷正在向着小型化、高效化的方向发展，各国对吸收式技术的开发研究主要集中在联合循环、余热利用、吸收式热泵、吸收和发生过程的机理研究、换热结构和换热表面、界面活性剂及缓蚀剂、机组优化设计及经济性分析、系统的特性仿真等方面。吸收式制冷已经成为制冷技术的主要发展方向之一，有着非常广阔的前景。
（2）热泵

热泵以消耗一部分高质能(电能、机械能或高温热能)作为补偿,通过制冷机热力循环,把低温余热源的热量“泵送”到高温热媒,热泵技术常被用于回收略高于环境温度(30～60℃)的废热,达到节能降耗的目的。
四、小结
综上所述，工业余热量大面广，利用技术、设备方式众多，但都有一定的适用条件，应根据不同企业余热种类、温度、余热量，结合生产条件、工艺流程、内外能量需求，企业应选择合适的余热利用方式，实现降低能耗、提高效益的目的。

内容来源：烟气余热利用