我国工业余热利用现状分析

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我国工业余热利用现状分析

工业发展带来了巨大的污染，工业余热的利用是节能减排的重要环节。本文主要介绍了工业余热的资源特点，概述了工业余热的利用方式，中国目前低温工业余热技术，以及分析了工业余热利用中存在的问题。总结出目前应该大力发展利用低温余热技术。
1.工业余热资源特点
工业消耗的能源部门品种包括原煤、洗煤、焦炭、油品、天然气、热力、电力等。工业余热资源特点主要有：多形态、分散性、行业分布不均、资源品质较大差异等特点。
对钢铁、水泥、玻璃、合成氨、烧碱、电石、硫酸行业余热资源的调查分析结果显示，上述工业行业余热资源量丰富，约占这7个工业行业能源消费总量的1/3。综合考虑行业现状与发展趋势，这7个工业行业余热资源总量高达3.4亿吨标准煤。
余热资源开发利用量超过1000万吨标准煤的有钢铁、合成氨、硫酸、水泥4个行业，分别为3560万吨标准煤、2450万吨标准煤、1244万吨标准煤、1124万吨标准煤。
从余热资源的行业分布来看，上述7个工业行业中，钢铁、水泥、合成氨行业的余热资源量位居前三，分别为1.71亿吨标准煤、9300万吨标准煤、3454万吨标准煤，占这7个工业行业余热资源总量的比重分别为50.3%、27.3%、10.2%；硫酸、电石、烧碱、玻璃余热资源总量则较少，分别为1940万吨标准煤、1408万吨标准煤、495万吨标准煤、311万吨标准煤，合计占7个工业行业余热资源总量的122%。
从工业余热资源的地区分布来看，上述7个工业行业余热资源可开发利用潜力居前六位的地区是河北、江苏、山东、辽宁、山西、河南，分别为1507万吨标准煤、680万吨标准煤、664万吨标准煤、530万吨标准煤、419万吨标准煤、361万吨标准煤。
从余热资源的来源来看，可分为高温烟气和冷却介质等六类，其中高温烟气余热和冷却介质余热占比最高，分别占50%和20%，而其他来源分别是废水、废气余热占11%，化学反应余热8%，可燃废气、废液和废料余热7%，高温产品和炉渣的余热4%。
从余热资源品位来看，约46%为400℃及以上的高品质余热资源，其余约54%则为400℃以下的中低品质余热资源。
从余热量占各行业燃耗量的比例来看，建材行业的余热占燃耗量的比例最大，约占40%，其他各行业的余热资源也丰富。各行业余热资源在该行业的燃耗量的比例如下表1-1：

2.工业余热利用技术
工业余热资源来源于工业生产中各种炉窖、余热利用装置和化工过程中的反应等。这些余热能源经过一定的技术手段加以利用，可进一步转换成其他机械能、电能、热能或冷能等。利用不同的余热回收技术回收不同温度品位的余热资源对降低企业能耗,实现我国节能减排、环保发展战略目标具有重要的现实意义。
余热温度范围广、能量载体的形式多样，又由于所处环境和工艺流程不同及场地的固有条件的限制，生产生活的需求，设备型式多样，如有空气预热器，窑炉蓄热室，余热锅炉，低温汽轮机等。根据余热的温度范围，可以将目前的工业余热技术分为中高温余热回收技术和低温回收技术。中高温回收技术主要有三种技术：余热锅炉、燃气轮机、高温空气燃烧技术。低温回收技术主要有有机工质朗肯循环发电、热泵技术、热管技术、温差发电技术、热声技术。
从目前工业余热现状来看，高温余热回收技术已经在我国的钢铁、水泥、冶金等行业广泛应用。但除了高温余热外，还有大量的低温工业余热未得到利用，我国我国对于低温余热的利用还处于尝试和发展阶段,低温余热回收技术不成熟,导致这部分余热多直接排向环境，造成了巨大的能源浪费。因此，本文着重概述低温余热回收技术。
3.有机工质朗肯循环发电系统
3.1有机工质朗肯循环发电系统的原理
有机朗肯循环是将热能转换为机械能的系统，与常规的蒸汽发电装置的热力循环原理相似，但有机工质低温余热发电不是用水作工质，而是用有机物为工质的朗肯循环发电系统, 其工作原理如图4-1所示。系统由蒸发器、透平、冷凝器和工质泵四大部分组成, 有机工质在蒸发器中从低温热流中吸收热量, 生成具一定压力和温度的蒸汽, 蒸汽推动透平机械做功, 从而带动发电机或拖动其它动力机械。从透平机排出的有机蒸汽在冷凝器中向冷却水放热, 凝结成液态, 最后借助工质泵重新回到蒸发器, 如此不断地循环下去。

图3-1 有机工质朗肯循环发电原理图

有机工质朗肯循环采用有机工质（如R123、R245fa、R152a、氯乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷等）作为循环工质的发电系统，由于有机工质在较低的温度下就能气化产生较高的压力，推动涡轮机（透平机）做功，故有机工质循环发电系统可以在烟气温度200℃左右，水温在80℃左右实现有利用价值的发电。
目前，对低温热能发电技术的研究主要集中在以下几个方面：工质的热力学特性和环保性能；混合工质的应用；热力循环的优化等。国外有机朗肯循环低温热发电技术主要应用于地热发电，但未来可能应用于太阳能热电、工业余热、生物质能和海洋温差能等。
目前美国、法国等国的余热发电技术的最低温度是80℃，我国自主研发的低温发电机组，通过提升热电转换介质的性能，已经实现了最低发电温度为60℃能实现稳定发电。
3.2有机工质朗肯循环发电系统经济性分析
例如某水泥厂余热发电站，一条3000吨/天的新型干法水泥生产线，窑头与窑尾配备有余热锅炉，用的是凝汽式汽轮机，该系统设计出来效果为每小时的平均发电总量为3500kW，参照发电机组的真实规格，必须用3000kW的汽轮机组。某项目的总投资数额高达60万元，一年平均运转300多天，则1年的发电总量可达到2270万kWh。这种情况下和采用标准煤生产相比，能够节约1.3万吨的煤，减少约2.2万吨二氧化碳的排放量，然后除掉系统自身耗费电量的10%，则每年供电量能够达到1905万kWh，而1吨熟料的发电能力能够达到26.5kWh。相比之下，应用纯低温余热发电技术来发电，整个发电系统一共投资1962万元，外界购电价格按照0.5元/kWh进行计算，除去余热电站供电所花费的成本，则每吨熟料的成本大约能下降11.5元，进一步降低了水泥工业生产成本，提升企业在市场上的竞争力。
以某冷却塔低温余热利用系统用于发电为例，扣除泵的耗功后，1t热水的发电量为1kW.h，每年按照7000h计算，则年发电量为70000kW.h，电价按0.5元计算，年经济效益可达35万元，相当于减少CO2排放量650t，经济和环保效益显著。
结论：固然纯低温余热发电系统的投资非常高，但在短短几年中基本上可收回成本，可以说构建出低温余热电站，既能变废为宝，充分利用能源，降低对环境的污染，又能增加企业收益，可谓一举两得。
4.热泵技术
4.1热泵技术的原理
热泵就是在两个热源之间工作，消耗一定的功（W），使低温热源供给热量（Q1），在高温热源处获得热量（Q2），亦即以消耗少量高质能为代价,达到提高温位以利于利用。
热泵大概分两类：一是蒸汽压缩式；二是吸收式，后者是热泵的主流。
压缩式热泵由蒸发器、冷凝器、压缩机、节流装置及水源、热水侧管路等部分组成。压缩式热泵由蒸发器、冷凝器、压缩机、节流装置及水源、热水侧管路等部分组成。机械压缩式热泵系统的工作过程如下：低沸点工质流经蒸发器时蒸发成蒸汽，此时从低温位处吸收热量，来自蒸发器的低温低压蒸汽，经过压缩机压缩后升温升压，达到所需温度和压力的蒸汽流经冷凝器，在冷凝器中，将从蒸发器中吸取的热量和压缩机耗功所相当的那部分热量排出。放出的热量就传递给高温热源，使其温位提高。蒸汽冷凝降温后变成液相，流经节流阀膨胀后，压力继续下降，低压液相工质流入蒸发器，由于沸点低，因而很容易从周围环境吸收热量而再蒸发，又形成低温低压蒸汽，依此不断地进行重复循环。
吸收式热泵是利用工质的吸收循环实现热泵功能的一类装置，它采用热能直接驱动，而不是依靠电能、机械能等其他资源。溴化锂吸收式热泵机组回收利用低温热源(如废热水)的热能，制取所需的工艺或采暖用高温热媒，实现从低温向高温输送热能的设备，它以低温热源为驱动热源，在采用低温冷却水的条件下，制取比低温热源温度高的热媒。它与第一类溴化锂吸收式热泵机组的区别在于，它不需要更高温度的热源来驱动。但需要较低温度的冷却水。
4.2热泵技术的特点
我国许多行业对热源的需求温度多集中在75~200℃之间，且存在着低温余热大量浪费的情况，可以把热能由低温位热源转移到高温位热源的中高温热泵技术有着巨大的应用空间。对高温热泵的研究多集中在适宜工质的选择和制热效率提高这两个方面。对高温热泵的研究多集中在适宜工质的选择和制热效率提高这两个方面。
全世界有超过1.3亿台热泵机组在正常运行,总供热量超过了 4.7E+10GJ/年, 目前,工业热泵主要应用在酿造、纺织、木材、食品加工、石油化工、海水淡化、热电以及冶金等领域。在国外,利用吸收式热泵系统回收余热技术的研究已有多年的发展。在溴化锂吸收式制冷技术上我国已经积累了雄厚的技术基础,但在吸收式热泵系统的应用技术上还比较落后。
5.热管技术
5.1热管技术的原理
以热管作为传热元件的废热锅炉称为热管式废热锅炉，由外筒体、内筒体、饱和汽包、热管四部分组成。工作时废气（或工艺气）由上部进入，经外筒体和内筒体环隙流动，经热管换热后气体由下部流出；水由内筒体下部进入，经热管加热后，进汽包，汽水分离后，产生饱和蒸汽，并网或直接使用。
5.2热管技术的特点
热管的二次间壁换热特性是实现安全、可靠及长周期运行的重要保证。热管的热流变换及自吹灰特性是防止工业上换热设备露点腐蚀及灰尘堵塞的重要技术保证。热管的均温热屏蔽及分离式热管技术的完善, 将可能解决化学反应器中温度分布不均匀、反应过程偏离最佳反应温度的缺陷、石油裂解中由于管壁温度不均匀而出现的过热分解以及核反应堆安全壳体的散热等等问题。液态金属热管的出现及材料价格的下降, 可实现在超高温反应设备中实现连续取热。
5.3热管技术的国内外应用现状
早在 1942 年，Gauler 就曾提出热管的原理。 1962 年，L. Trefethen 再次提出类似于Gauler 的传 热元件，但因故未能实施。直到1964 年，Grover等人独立地提出了类似于Gauler 的传热元件， 并且取名热管，此后吸引了很多的科学技术工作者从事热管研究，使热管得到了很快的发展。热管自1964 年正式在美国发明问世, 至今已有50年的历史, 常作为一种传热元件, 但作为一项传热技术, 则仍处于发展阶段。
我国的热管技术开发研究一开始有明确为工业化服务的目标, 因此重点在于开发碳钢-水热管换热器。经过多年的努力, 我国的热管技术工业化应用已处于国际先进水平。目前, 气-气热管换热器、热管蒸汽发生器等热管节能产品已广泛用于冶金、石油、化工、动力及陶瓷等工业领域。
6.其他
6.1 斯特林热气机循环发电系统
斯特林热气机循环发电系统是利用低温余热发电的废热回收装置，可回收100℃至300℃的废热，能达到20%的发电效率。从数据来看，其发电效率优于目前市场的低温蒸汽循环发电系统和有机工质发电系统的发电效率，该装置在100℃的废热条件下发电效率达7.3%，150℃的条件下发电效率达13.7%，200℃的条件下发电效率达18.4%，250℃的条件下发电效率达22.1%，300℃的条件下发电效率达25.0%。
6.2超临界二氧化碳循环发电系统
超临界二氧化碳发电系统是超临界二氧化碳液体为郎肯循环系统的工质，以二氧化碳透平专用涡轮机为核心技术的最新余热发电技术。此发电系统在余热发电方面有较宽泛的应用优势，各项技术指标都优于在用的水蒸汽浪肯循环系统和当前最先进的有机浪肯循环系统，特别是在发电效率和设备体积方面有着明显的优势。超临界二氧化碳热机是一种平台技术，目前可提供的功率范围为250Kwe至50Mwe的设计，效率可达30%。应用范围包括燃气轮机、固定式动力发电机组、工业废热回收、太阳能热量、地热、混合内燃机等的循环热能。
7.工业余热利用存在的问题
从技术发展看，低温有机朗肯循环技术是利用低温工业余热、地热、太阳能的经济有效方案，但国内未掌握该技术。我国许多行业对热源的需求温度多集中在70~250℃之间,且存在着低温余热大量浪费的情况,可以把热能由低品位热源转移到高品位热源的中高温热泵技术有着巨大的应用空间。由于在工业过程中产生余热的热源一般水质都比较差)如油田含油污水（其中除了含有石油类物质,还有硫化氢、盐类等）对普通的热泵换热器会产生严重的腐蚀，必须采用特制的钛管换热管或者其他抗腐蚀材料，并通过清水与含油污水换热后再进入热泵机组。一批高性能的热电转换材料出现，温差发电技术的性价比相对提高，使温差发电技术在工业和民用产业中推广应用成为可能。
8.结论
当前中高温余热利用技术普及率不高，低温余热未被利用是我国余热利用率低的原因之一。将原被遗弃的工业余热应用于溴化锂吸收式制冷,满足生产或生活的需要,这无疑是提高能源利用率的一个有力措施，尤其是在不同季节交替需要供暖与制冷负荷的企业,应优先考虑采用溴化锂吸收式制冷。在中高温热泵技术的实际应用中，要结合余热源的具体情况采取相应措施，发现问题并解决问题。

内容来源：烟气余热利用