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當(dāng)前,我國能源利用仍然存在著利用效率低、經(jīng)濟(jì)效益差,生態(tài)環(huán)境壓力大的主要問題,節(jié)能減排、降低能耗、提高能源綜合利用率作為能源發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃的重要內(nèi)容,是解決我國能源問題的根本途徑,處于優(yōu)先發(fā)展的地位。實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、提高能源利用率的目標(biāo)主要依靠工業(yè)領(lǐng)域。處在工業(yè)化中后期階段的中國,工業(yè)是主要的耗能領(lǐng)域,也是污染物的主要排放源。我國工業(yè)領(lǐng)域能源消耗量約占全國能源消耗總量的70% ,主要工業(yè)產(chǎn)品單位能耗平均比國際先進(jìn)水平高出 30% 左右。除了生產(chǎn)工藝相對落后、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理的因素外,工業(yè)余熱利用率低,能源( 能量)沒有得到充分綜合利用是造成能耗高的重要原因,我國能源利用率僅為 33% 左右,比發(fā)達(dá)國家低約10% ,至少 50% 的工業(yè)耗能以各種形式的余熱被直接廢棄。

因此從另一角度看,我國工業(yè)余熱資源豐富,廣泛存在于工業(yè)各行業(yè)生產(chǎn)過程中,余熱資源約占其燃料消耗總量的 17% ~ 67% ,其中可回收率達(dá) 60% ,余熱利用率提升空間大,節(jié)能潛力巨大,工業(yè)余熱回收利用又被認(rèn)為是一種"新能源",近年來成為推進(jìn)我國節(jié)能減排工作的重要內(nèi)容。

余熱資源屬于二次能源,是一次能源或可燃物料轉(zhuǎn)換后的產(chǎn)物,或是燃料燃燒過程中所發(fā)出的熱量在完成某一工藝過程后所剩下的熱量。按照溫度品位,工業(yè)余熱一般分為 600℃ 以上的高溫余熱,300 ~ 600℃ 的中溫余熱和 300℃ 以下的低溫余熱三種; 按照來源,工業(yè)余熱又可被分為: 煙氣余熱,冷卻介質(zhì)余熱,廢汽廢水余熱,化學(xué)反應(yīng)熱,高溫產(chǎn)品和爐渣余熱,以及可燃廢氣、廢料余熱。

具體來說,煙氣余熱量大,溫度分布范圍寬,占工業(yè)余熱資源總量的 50% 以上,分布廣泛,如冶金、化工、建材、機(jī)械、電力等行業(yè),各種冶煉爐、加熱爐、內(nèi)燃機(jī)和鍋爐的排氣排煙,而且有些工業(yè)窯爐的煙氣余熱量甚至高達(dá)爐窯本身燃料消耗量的 30% ~60% ,節(jié)能潛力大,是余熱利用的主要對象。冷卻介質(zhì)余熱是指在工業(yè)生產(chǎn)中為了保護(hù)高溫生產(chǎn)設(shè)備或滿足工藝流程冷卻要求,空氣、水和油等冷卻介質(zhì)帶走的余熱,多屬于中低溫余熱,余熱量占工業(yè)余熱資源總量的 20% 。廢水廢汽余熱是一種低品位的蒸汽或 凝結(jié)水余熱,約占 余 熱 資 源 總 量 的 10% ~16% ; 化學(xué)反應(yīng)余熱占余熱資源總量的 10% 以下,主要存在于化工行業(yè); 高溫產(chǎn)品和爐渣余熱主要指坯料、焦炭、熔渣等的顯熱,石化行業(yè)油、氣產(chǎn)品的顯熱等; 可燃廢氣、廢料余熱是指生產(chǎn)過程的排氣、排液和排渣中含有可燃成分,如冶金行業(yè)的高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣等。

雖然余熱資源來源廣泛、溫度范圍廣、存在形式多樣,但從余熱利用角度看,余熱資源一般具有以下共同點(diǎn): 由于工藝生產(chǎn)過程中存在周期性、間斷性或生產(chǎn)波動,導(dǎo)致余熱量不穩(wěn)定; 余熱介質(zhì)性質(zhì)惡劣,如煙氣中含塵量大或含有腐蝕性物質(zhì); 余熱利用裝置受場地、原生產(chǎn)等固有條件限制。因此工業(yè)余熱資源利用系統(tǒng)或設(shè)備運(yùn)行環(huán)境相對惡劣,要求有寬且穩(wěn)定的運(yùn)行范圍,能適應(yīng)多變的生產(chǎn)工藝要求,設(shè)備部件可靠性高,初期投入成本高,從經(jīng)濟(jì)性出發(fā),需要結(jié)合工藝生產(chǎn)進(jìn)行系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)布置,綜合利用能量,以提高余熱利用系統(tǒng)設(shè)備的效率。

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。常見的工業(yè)余熱回收利用方式,有多種分類方式,根據(jù)余熱資源在利用過程中能量的傳遞或轉(zhuǎn)換特點(diǎn),可以將國內(nèi)目前的工業(yè)余熱利用技術(shù)分為熱交換技術(shù)、熱功轉(zhuǎn)換技術(shù)、余熱制冷制熱技術(shù)。

熱交換技術(shù)

余熱回收應(yīng)優(yōu)先用于本系統(tǒng)設(shè)備或本工藝流程,降低一次能源消耗,盡量減少能量轉(zhuǎn)換次數(shù),因此工業(yè)中常常通過空氣預(yù)熱器、回?zé)崞鳌?a href="/baike/list_2650.html">加熱器等各種換熱器回收余熱加熱助燃空氣、燃料( 氣) 、物料或工件等,提高爐窯性能和熱效率,降低燃料消耗,減少煙氣排放; 或?qū)⒏邷責(zé)煔馔ㄟ^余熱鍋爐或汽化冷卻器生成蒸汽熱水,用于工藝流程。這一類技術(shù)設(shè)備對余熱的利用不改變余熱能量的形式,只是通過換熱設(shè)備將余熱能量直接傳遞給自身工藝的耗能流程,降低一次能源消耗,可統(tǒng)稱為熱交換技術(shù),這是回收工業(yè)余熱最直接、效率較高的經(jīng)濟(jì)方法,相對應(yīng)的設(shè)備是各種換熱器,既有傳統(tǒng)的各種結(jié)構(gòu)的換熱器、熱管換熱器,也有余熱蒸汽發(fā)生器( 余熱鍋爐) 等。

間壁式換熱器

工業(yè)用的換熱器按照換熱原理基本分為間壁式換熱器、混合式換熱器和蓄熱式換熱器。其中間壁式和蓄熱式是工業(yè)余熱回收的常用設(shè)備,混合式換熱器是依靠冷熱流體直接接觸或混合來實(shí)現(xiàn)傳遞熱量,如工業(yè)生產(chǎn)中的冷卻塔、洗滌塔、氣壓冷凝器等,在余熱回收中并不常見。間壁式換熱器主要有管式、板式及同流換熱器等幾類,管式換熱器雖然在熱效率較低,平均在26% ~ 30% ,緊湊性和金屬耗材等方面也遜色于其它類型換熱器,但它具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、適用彈性大和材料范圍廣的特點(diǎn),是工業(yè)余熱回收中應(yīng)用最廣泛的熱交換設(shè)備。冶金企業(yè) 40% 的換熱器設(shè)備為管式換熱器,允許入口煙氣溫度達(dá) 1 000℃ 以上,出口煙溫約 600℃,平均溫差約 300℃。

板式換熱器有翅片板式、螺旋板式、板殼式換熱器等,與管式換熱器相比,其傳熱系數(shù)約為管殼式的二倍,傳熱效率高,結(jié)構(gòu)緊湊,節(jié)省材料等。在冶金行業(yè)的聯(lián)合、中小企業(yè)多采用板式換熱器預(yù)熱助燃空氣,熱回收率平均在28% ~ 35% ,入口煙氣溫度 700℃ 左右,出口溫度達(dá) 360℃。但由于板式換熱器使用溫度、壓力比管式換熱器的限制大,應(yīng)用范圍受到限制。對于各種工業(yè)爐窯的高溫?zé)煔?還常采用塊孔式換熱器、空氣冷卻器和同流熱交換器等。其中同流換熱器屬于氣 - 氣熱交換器,主要有輻射式和對流式兩類,應(yīng)用較為廣泛,多用在均熱爐、加熱爐等設(shè)備上回收煙氣余熱,預(yù)熱助燃空氣或燃料,降低排煙量和煙氣排放溫度。常見的輻射同流換熱器入口煙氣溫度可達(dá)1100℃ 以上,出口煙氣溫度亦高達(dá) 600℃ ,可將助燃空氣加熱到 400℃,助燃效果好; 溫度效率可達(dá) 40%以上,但熱回收率較低,平均在 26% ~ 35%。

蓄熱式熱交換器

蓄熱式熱交換設(shè)備是冷熱流體交替流過蓄熱元件進(jìn)行熱量交換,屬于間歇操作的換熱設(shè)備,適宜回收間歇排放的余熱資源,多用于高溫氣體介質(zhì)間的熱交換,如加熱空氣或物料等。根據(jù)蓄熱介質(zhì)和熱能儲存形式的不同,蓄熱式熱交換系統(tǒng)可分為顯熱儲能和相變潛熱儲能。顯熱儲能的系統(tǒng)在工業(yè)中應(yīng)用已久,簡單換熱設(shè)備如常見的回轉(zhuǎn)式換熱器; 復(fù)雜設(shè)備如煉鐵高爐的蓄熱式熱風(fēng)爐、玻璃熔爐的蓄熱室。由于顯熱儲能熱交換設(shè)備儲能密度低、體積龐大、蓄熱不能恒溫等缺點(diǎn),在工業(yè)余熱回收中具有局限性。

相變潛熱儲能換熱設(shè)備利用蓄熱材料固有熱容和相變潛熱儲存?zhèn)鬟f能量,具有高出顯熱儲能設(shè)備至少一個數(shù)量級的儲能密度,因此在儲存相同熱量的情況下,相變潛熱儲能換熱設(shè)備比傳統(tǒng)蓄熱設(shè)備體積減少 30% ~ 50%。此外,熱量輸出穩(wěn)定,換熱介質(zhì)溫度基本恒定,使換熱系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定是此類相變潛熱儲能換熱設(shè)備的另一優(yōu)點(diǎn)。相變儲能材料根據(jù)其相變溫度大致分為高溫相變材料和中低溫相變材料,前者相變溫度高、相變潛熱大,主要是由一些無機(jī)鹽及其混合物、堿、金屬及合金、氧化物等和陶瓷基體或金屬基體復(fù)合制成,適合于 450 ~ 1100℃ 及以上的高溫余熱回收,應(yīng)用較為廣泛; 后者主要是結(jié)晶水合鹽或有機(jī)物,適合用于低溫余熱回收。

基于熱管的換熱設(shè)備

熱管是一種高效的導(dǎo)熱元件,通過在全封閉真空管內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā)和凝結(jié)的相變過程和二次間壁換熱來傳遞熱量,屬于將儲熱和換熱裝置合二為一的相變儲能換熱裝置。熱管導(dǎo)熱性優(yōu)良,傳熱系數(shù)比傳統(tǒng)金屬換熱器高近一個量級,還具有良好的等溫性、可控制溫度、熱量輸送能力強(qiáng)、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠(yuǎn)距離傳熱、無外加輔助動力設(shè)備 等 一 系 列 優(yōu) 點(diǎn)。 熱 管 工 作 溫 度 分 為 低 溫( - 200 ~ + 50℃) ,常溫( 50 ~ 250℃) ,中溫( 250 ~600℃ ) ,高溫( > 600℃ ) 的熱管,需要根據(jù)不同的使用溫度選定相應(yīng)的管材和工質(zhì)。其中碳鋼 - 水重力熱管的結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、制造方便、易于推廣,使得此類熱管得到了廣泛的應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用中用于工業(yè)余熱回收的熱管使用溫度在 50 ~ 400℃ 之間,用于干燥爐、固化爐和烘爐等的熱回收或廢蒸汽的回收,以及鍋爐或爐窯的空氣預(yù)熱器。

余熱鍋爐

采用蒸汽發(fā)生器,即余熱鍋爐回收余熱是提高能源利用率的重要手段,冶金行業(yè)近 80% 的煙氣余熱是通過余熱鍋爐回收,節(jié)能效果顯著。余熱鍋爐中不發(fā)生燃燒過程,從本質(zhì)上講只是一個氣 - 水/蒸汽的換熱器,可利用高溫?zé)煔庥酂�、化學(xué)反應(yīng)余熱、可燃?xì)怏w余熱以及高溫產(chǎn)品余熱等,生產(chǎn)高壓、中壓或低壓蒸汽或熱水,用于工藝流程或進(jìn)入管網(wǎng)供熱。同時(shí),余熱鍋爐是低溫汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)中的重要設(shè)備,為汽輪機(jī)等動力機(jī)械提供做功蒸汽工質(zhì)。實(shí)際應(yīng)用中,利用 350 ~ 1 000℃ 高溫?zé)煔獾挠酂徨仩t居多,和燃煤鍋爐的運(yùn)行溫度相比,屬于低溫爐,效率較低。由于余熱煙氣含塵量大,含有較多腐蝕性物質(zhì),更易造成鍋爐積灰、腐蝕、磨損等問題,因此防積灰、磨損是設(shè)計(jì)余熱鍋爐的關(guān)鍵。直通式爐型、大容積的空腔輻射冷卻室、設(shè)置的密封爐墻、除塵室、大量振打吹灰裝置都是余熱鍋爐為解決積灰、磨損問題在結(jié)構(gòu)上的考慮。另外由于受工藝生產(chǎn)場地空間限制,余熱鍋爐把換熱部件分散安裝在工藝流程 各 部 位,而 不 是 像 普 通 鍋 爐 一 樣 組 裝 成 一體。

近十年隨著節(jié)能減排工作的推進(jìn),國內(nèi)主要余熱鍋爐設(shè)計(jì)制造企業(yè)獲得加速發(fā)展,余熱鍋爐為適應(yīng)工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)能調(diào)整和增長,朝著大型化、高參數(shù)方向發(fā)展,如有色冶金行業(yè)蒸發(fā)量 50 t/h、工作壓力4. 2 MPa 的余熱鍋爐,或鋼鐵冶金行業(yè)蒸發(fā)量達(dá) 100t / h,工作壓力 12. 5 MPa 的干熄焦余熱鍋爐。此外,進(jìn)一步提高鍋爐傳熱效果、熱利用率,減輕積灰、磨損等問題,在鍋爐循環(huán)方式、受熱面結(jié)構(gòu)、鍋爐內(nèi)煙氣流道及清灰方式等方面進(jìn)行改造、革新是余熱鍋爐技術(shù)進(jìn)步的內(nèi)容。

熱功轉(zhuǎn)換技術(shù)

熱交換技術(shù)通過降低溫度品位仍以熱能的形式回收余熱資源,是一種降級利用,不能滿足工藝流程或企業(yè)內(nèi)外電力消耗的需求。此外,對于大量存在的中低溫余熱資源,若采用熱交換技術(shù)回收,經(jīng)濟(jì)性差或者回收熱量無法用于本工藝流程,效益不顯著。因此,利用熱功轉(zhuǎn)換技術(shù)提高余熱的品位是回收工業(yè)余熱的又一重要技術(shù)。按照工質(zhì)分類,熱功轉(zhuǎn)換技術(shù)可分為傳統(tǒng)的以水為工質(zhì)的蒸汽透平發(fā)電技術(shù)和以低沸點(diǎn)工質(zhì)的有機(jī)工質(zhì)發(fā)電技術(shù)。由于工質(zhì)特性顯著不同,相應(yīng)的余熱回收系統(tǒng)及設(shè)備組成也各具特點(diǎn)。

目前主要的工業(yè)應(yīng)用以水為工質(zhì),以余熱鍋爐 + 蒸汽透平或者膨脹機(jī)所組成的低溫汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)。相對于常規(guī)火力發(fā)電技術(shù)參數(shù)而言,低溫汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組利用的余熱溫度低、參數(shù)低、功率小,在行業(yè)內(nèi)多被稱為低溫余熱汽輪機(jī)發(fā)電技術(shù),新型干法水泥窯低溫余熱發(fā)電技術(shù)是典型的中低溫參數(shù)的低溫汽輪機(jī)發(fā)電技術(shù)。低溫汽輪機(jī)機(jī)發(fā)電可利用的余熱資源主要是大于 350℃的中高溫?zé)煔?如燒結(jié)窯爐煙氣,玻璃、水泥等建材行業(yè)爐窯煙氣或經(jīng)一次利用后降溫到 400~ 600℃ 的煙氣,單機(jī)功率在幾兆瓦到幾十兆瓦,如鋼鐵行業(yè)氧氣轉(zhuǎn)爐余熱發(fā)電、燒結(jié)余熱發(fā)電,焦化行業(yè)干熄焦余熱發(fā)電、水泥行業(yè)低溫余熱發(fā)電,玻璃、制陶制磚等建材爐窯煙氣余熱發(fā)電等多種余熱發(fā)電形式。但從余熱資源的溫度范圍來看,該技術(shù)利用的中高溫余熱,屬于中高溫余熱發(fā)電技術(shù)。此外,通過余熱鍋爐或換熱器從工藝流程中回收大量蒸汽,其中低壓飽和蒸汽( 1 MPa 左右) 、或熱水占有很大比例,除用于生產(chǎn)生活,還有大量剩余常被放散。

目前利用這類低壓飽和蒸汽發(fā)電或拖動的技術(shù)主要是采用螺桿膨脹動力機(jī)技術(shù)。該技術(shù)具有以下特點(diǎn):

可用多種熱源工質(zhì)作為動力源,適用于過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽液兩相混合物,也適用于煙氣、含污熱水、熱液體等;
結(jié)構(gòu)簡單緊湊,可自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,壽命長,振動小;
機(jī)內(nèi)流速低,除泄露損失外,其他能量損失少,效率高;
雙轉(zhuǎn)子非接觸式的特性,運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)形成剪切效應(yīng)具有自清潔功能、自除垢能力。
螺桿膨脹動力機(jī)屬于容積式膨脹機(jī),受膨脹能力限制,直接驅(qū)動螺桿膨脹動力機(jī)的熱源應(yīng)用范圍為小于 300℃的 0. 15 ~ 3. 0 MPa 的蒸汽或壓力 0. 8MPa 以上,高于 170℃ 的熱水等,由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn),因此螺桿膨脹動力機(jī)單機(jī)功率受限,多數(shù)在 1 000 k W以下,主要用于余熱規(guī)模較小的場合。

制冷制熱技術(shù)

余熱制冷技術(shù)

與傳統(tǒng)壓縮式制冷機(jī)組相比,吸收式或吸附式制冷系統(tǒng)可利用廉價(jià)能源和低品位熱能而避免電耗,解決電力供應(yīng)不足; 采用天然制冷劑,不含對臭氧層有破壞的 CFC 類物質(zhì),具有顯著的節(jié)電能力和環(huán)保效益,在 20 世紀(jì)末得到了廣泛的推廣應(yīng)用。吸收式和吸附式制冷技術(shù)的熱力循環(huán)特性十分相近,均遵循"發(fā)生( 解析) - 冷凝 - 蒸發(fā) - 吸收( 吸附) "的循環(huán)過程,但吸收式制冷的吸收物質(zhì)為流動性良好的液體,制冷工質(zhì)為氨 - 水、溴化鋰水溶液等,其發(fā)生和吸收過程通過發(fā)生器和吸收器實(shí)現(xiàn); 吸附式制冷吸附劑一般為固體介質(zhì),吸附方式分為物理吸附和化學(xué)吸附,常使用分子篩 - 水、氯化鈣 - 氨等工質(zhì)對,解析和吸附過程通過吸附器實(shí)現(xiàn)。

以溴化鋰水溶液為工質(zhì)的吸收式制冷系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛,一般可利用 80 ~ 250℃ 范圍的低溫?zé)嵩?但由于用水做制冷劑,只能制取 0℃或 5℃以上的冷媒溫度,多用于空氣調(diào)節(jié)或工業(yè)用冷凍水,其性能系數(shù)COP 因制冷工質(zhì)對熱物性和熱力系統(tǒng)循環(huán)方式的不同而有很大變化,實(shí)際應(yīng)用的機(jī)組 COP 多不超過2,遠(yuǎn)低于壓縮式制冷系統(tǒng),但是此類機(jī)組可以利用低溫工業(yè)余熱、太陽能、地?zé)岬鹊推肺粺崮?不消耗高品質(zhì)電能,而在工業(yè)余熱利用方面有一定優(yōu)勢。吸收式余熱制冷機(jī)組制冷效率高,適用于大規(guī)模熱量的余熱回收,制冷量小可到幾十千瓦,高可達(dá)幾兆瓦,在國內(nèi)已獲得大規(guī)模應(yīng)用,技術(shù)成熟,產(chǎn)品的規(guī)格和種類齊全。吸附式制冷機(jī)的制冷工質(zhì)對種類很多,包括物理吸附工質(zhì)對、化學(xué)吸附工質(zhì)對和復(fù)合吸附工質(zhì)對,適用的熱源溫度范圍大,可利用低達(dá) 50℃ 的熱源,而且不需要溶液泵或精餾裝置,也不存在制冷機(jī)污染、鹽溶液結(jié)晶以及對金屬的腐蝕等問題。吸附式制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,無噪音,無污染,可用于顛簸震蕩場合,如汽車、船舶,但制冷效率相對低,常用的制冷系統(tǒng)性能系數(shù)多在 0. 7 以下,受限于制造工藝,制冷量小,一般在幾百千瓦以下,更適合利用小熱量余熱回收,或用于冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。

熱泵技術(shù)

工業(yè)生產(chǎn)中存在大量略高于環(huán)境溫度的廢熱( 30 ~ 60℃) ,如工業(yè)沖渣水、冷卻廢水、火電廠循環(huán)水、油田廢水、低溫的煙氣、水汽等,溫度很低,但余熱量大,( 水源) 熱泵技術(shù)常被用于回收此類余熱資源。熱泵以消耗一部分高質(zhì)能( 電能、機(jī)械能或高溫?zé)崮? 作為補(bǔ)償,通過制冷機(jī)熱力循環(huán),把低溫余熱源的熱量"泵送"到高溫?zé)崦?如 50℃ 及以上的熱水,可滿足工農(nóng)商業(yè)的蒸餾濃縮、干燥制熱或建筑物采暖等對熱水的需求。

目前,熱泵機(jī)組的供熱系數(shù)在3－5之間,即消耗 1 k W 電能,可制得3－5k W熱量,在一定條件環(huán)境下是利用略高于環(huán)境溫度廢水余熱的經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)。當(dāng)前研制生產(chǎn)的大都是壓縮式熱泵,中型熱泵正在開發(fā),大型熱泵尚屬空白。壓縮式熱泵中以水源熱泵技術(shù)應(yīng)用最為廣泛,可用于火電廠/核電廠循環(huán)水余熱、印染、輪胎制造、油田、制藥等行業(yè)的余熱回收。例如,電廠以循環(huán)水或工藝產(chǎn)熱水作為熱源水,通過熱泵機(jī)組提升鍋爐給水的品位,使原有的鍋爐給水由 15℃( 20、25℃) 提升到 50℃,減少鍋爐對燃煤的需求量,達(dá)到節(jié)能降耗的目的。