工業(yè)余熱利用現狀及技術(shù)展望

  眾所周知，能源是關(guān)系國計民生、與日常生活息息相關(guān)的大問(wèn)題。但我國目前的能源利用模式和能源利用技術(shù)還不能適應經(jīng)濟社會(huì )快速發(fā)展的要求，供需矛盾日益突出。鑒于能源供需緊張的現狀和現階段工業(yè)余熱大量過(guò)剩及利用率低等各種問(wèn)題，大力開(kāi)展工業(yè)余熱的有效利用不失為可持續發(fā)展的一大戰略途徑。

 

  1工業(yè)余熱的來(lái)源和分類(lèi)

 

  1.1工業(yè)余熱簡(jiǎn)介 工業(yè)余熱來(lái)源于各種工業(yè)爐窯、熱能動(dòng)力裝置、熱能利用設備、余熱利用裝置和各種有反應熱產(chǎn)生的化工過(guò)程等。目前，各行業(yè)的余熱總資源約占其燃料消耗總量的17％～67％，可回收利用的余熱資源約為余熱總資源的60％。合理充分利用工業(yè)余熱可以降低單位產(chǎn)品能耗，取得可觀(guān)的經(jīng)濟效益。1.2工業(yè)余熱的分類(lèi) 工業(yè)余熱按其能量形態(tài)可以分為三大類(lèi)，即可燃性余熱、載熱性余熱和有壓性余熱。

 

  1.2.1 可燃性余熱 可燃性余熱是指能用工藝裝置排放出來(lái)的、具有化學(xué)熱值和物理顯熱，還可作燃料利用的可燃物，即排放的可燃廢氣、廢液、廢料等，如放散的高爐氣、焦爐氣、轉爐氣、油田伴生氣、煉油氣、礦井瓦斯、炭黑尾氣、紙漿黑液、甘蔗渣、木屑、可燃垃圾等。

 

  1.2.2 載熱性余熱 常見(jiàn)的大多數余熱是載熱性余熱，它包括排出的廢氣和產(chǎn)品、 物料、廢物、工質(zhì)等所帶走的高溫熱以及化學(xué)反應熱等，如鍋爐與窯爐的煙道氣，燃氣輪機、內燃機等動(dòng)力機械的排氣，焦炭鋼鐵鑄件、水泥、爐渣的高溫顯熱，凝結水、冷卻水、放散熱風(fēng)等帶走的顯熱，以及排放的廢氣潛熱等。1.2.3 有壓性余熱 有壓性余熱通常又叫余壓（能），它是指排氣、排水等有壓液體的能量。另外，因為工業(yè)余熱的溫度是衡量其質(zhì)量（品位）的重要標尺，而其溫度的高低亦影響了余熱回收利用的方式，所以余熱也通常按溫度高低分為：高溫余熱，T≥650℃；中溫余熱，230℃≤T＜650℃；低溫余熱，T＜230℃。2 工業(yè)余熱一般利用途徑 2.1 余熱的直接利用 余熱的直接利用是最常見(jiàn)的回收利用方式。具體的應用領(lǐng) 域有：

 

  （1）預熱空氣。利用加熱爐高溫排煙預熱其本身所需空氣，以提高燃料效率，節約燃料消耗。

 

  （2）干燥。利用工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的排氣來(lái)干燥加工零部件和材料，如鑄工車(chē)間的鑄砂模型等；還可以干燥天燃氣、沼氣等燃料。在醫學(xué)上，工業(yè)余熱還能用來(lái)干燥醫用機械。

 

  （3）生產(chǎn)熱水和蒸汽。利用低溫余熱來(lái)產(chǎn)生70℃～80℃或更高、更低溫度的熱水和低壓蒸汽，供應生產(chǎn)工藝和生活的不同需求。

 

  （4）制冷或供熱。利用低溫余熱來(lái)加熱吸收式制冷機的蒸發(fā)器，或作為熱泵的低溫熱源，達到制冷或供熱的目的。 國外對余熱的直接利用已經(jīng)開(kāi)展得比較成熟。RTugrulOgulata等設計了一種熱量回收系統，以用于紡織行業(yè)中紡織品的烘干過(guò)程。在紡織品烘干過(guò)程中，被用來(lái)干燥的空氣溫度升高，濕度增加并且被一些灰塵以及化學(xué)物質(zhì)所污染，因此不能用于再次干燥。在傳統工業(yè)中，這些“廢氣”會(huì )被直接排放到大氣中，其中的熱量就被浪費掉。Ogulata設計了一種廢氣循環(huán)系統，運用同流換熱器，將用過(guò)的高溫、高濕的廢氣對紡織品進(jìn)行預熱，并循環(huán)利用，很好地降低了能耗。2.2 余熱的動(dòng)力回收 對于中高溫余熱，最好使其產(chǎn)生動(dòng)力，直接作用于水泵、風(fēng)機、壓縮機，或帶動(dòng)發(fā)電機發(fā)電。例如，各種工業(yè)窯爐和動(dòng)力機械的排煙溫度大都在500℃以上，甚至達1000℃左右，可裝設余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，推動(dòng)汽輪機產(chǎn)生動(dòng)力或發(fā)電；對于中溫余熱，為提高動(dòng)力回收的效率，宜采用低沸點(diǎn)介質(zhì)（如正丁烷F－114等），按朗肯循環(huán)進(jìn)行能量轉換，達到余熱動(dòng)力回收的目的。

 

  2.3 余熱的綜合利用 余熱的綜合利用方式是根據工業(yè)余熱溫度的高低而采取不同的方法，以做到“熱盡其用”，因而它是最有效的利用余熱的途徑。例如， 利用高溫余熱產(chǎn)生的蒸汽，通過(guò)供熱機組取得熱電合供的效果；利用有一定壓力的高溫廢氣，先通過(guò)燃氣輪機做功，再利用其排氣通過(guò)余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，進(jìn)入汽輪機做功，形成燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)，以提高余熱的利用效率，加之使用汽輪機抽氣或排氣供熱，余熱經(jīng)多次利用，就更擴大了其回收利用的效果。

 

  在余熱回收利用系統中，若采用熱泵技術(shù)，可進(jìn)一步提高余熱的能級和利用效果，SSpoelstra等人對使用高溫熱泵回收的工業(yè)廢熱進(jìn)行了研究。他們改良升級了異丙醇熱泵和鹽/氨水混合蒸汽熱泵這兩種可用于廢熱利用的系統，并分別進(jìn)行了模擬實(shí)驗，其結果表明：前者具有更高的焓效率和COP，且無(wú)副產(chǎn)品的形成，因而能更有效地回收利用余熱，其平均內部收益率（IRR）達到了14％。

 

  3 工業(yè)余熱利用現狀實(shí)例分析

 

  3.1 熱量的直接利用實(shí)例分析 哈爾濱卷煙廠(chǎng)能源科近幾年對余熱利用做了大量工作。哈 爾濱卷煙廠(chǎng)余熱主要來(lái)自制絲生產(chǎn)過(guò)程中的帶壓凝結水和部分乏汽，余熱的直接利用是以此乏汽回水為熱源，以鍋爐蒸汽為補充熱源，通過(guò)熱交換，提供廠(chǎng)房和辦公樓的采暖及全廠(chǎng)職工洗澡，從而到達節能目的。 系統中包括回水二次蒸發(fā)箱、板式汽（水）—水換熱器、套管式水—水換熱器、冷凝水箱及輔助設備。

 

  廠(chǎng)區所有的回水回歸到集汽水缸，然后進(jìn)入二次蒸發(fā)箱迅速降壓并產(chǎn)生二次蒸汽和凝結水。正常工作時(shí)，含汽凝結水由集汽水缸流出，沿切線(xiàn)方向進(jìn)入二次蒸發(fā)箱，由于旋轉運動(dòng)造成的離心分離作用使凝結水沿二次蒸發(fā)箱向下流出，進(jìn)入套管式水—水換熱器，而分離出來(lái)的二次蒸汽由凝水面向上方引出進(jìn)入汽—水換熱器；由二次蒸發(fā)箱上部引出的二次蒸汽分別進(jìn)入

 

  3臺板式汽—水換熱器，經(jīng)換熱后的熱水大約在85℃，可滿(mǎn)足采暖供熱需求；由二次蒸發(fā)箱下部引出的高溫凝結水經(jīng)設在加熱水箱內的套管式水—水換熱器將水箱冷水加熱，由水泵送至職工浴池，每天可供全廠(chǎng)2000名職工洗澡；經(jīng)過(guò)汽—水熱交換后的冷凝水最后回歸冷凝水箱回收，再由水泵打回鍋爐。

 

  3.2 余熱的動(dòng)力回收實(shí)例分析 安徽省寧國水泥廠(chǎng)提供一套先進(jìn)、成熟、可靠的低溫余熱發(fā)電設備，安裝在寧國水泥廠(chǎng)4000t/d水泥生產(chǎn)線(xiàn)上，發(fā)電機組裝機容量為6480kW，設計年發(fā)電量為4087萬(wàn)kWh，單位熟料發(fā)電能力為33.88kWh/t。該項技術(shù)使水泥生產(chǎn)中大量的中、低溫余熱得到了充分利用。水泥廠(chǎng)余熱資源的特點(diǎn)是流量大、品位低。針對上述特點(diǎn)，在熱力系統設計時(shí)采取如下措施：

 

  （1）采用減速式兩點(diǎn)混汽式汽輪機，可利用參數較低的主蒸汽及從閃蒸器出來(lái)的飽和蒸汽發(fā)電。

 

  （2）設置具有專(zhuān)利技術(shù)的余熱鍋爐———預熱器鍋爐、冷卻機鍋爐和一臺高壓閃蒸器及一臺低壓閃蒸器，充分利用余熱資源，應用熱水閃蒸技術(shù)閃蒸出來(lái)的飽和蒸汽混入汽輪機做功。預熱器鍋爐和冷卻機鍋爐的特點(diǎn)見(jiàn)表1。冷卻機鍋爐省煤器段出水分3路：一路直接進(jìn)冷卻機鍋爐汽包，一路作為預熱器鍋爐汽包的給水，另外一路進(jìn)入高壓閃蒸器。

 

  （3）高壓閃蒸器出水作為低壓閃蒸器的給水（即二級閃蒸系統），兩股閃蒸飽和汽分別進(jìn)入汽輪機做功，而低壓閃蒸器出水又重新泵回冷卻機鍋爐省煤器。這樣，冷卻機鍋爐省煤器段的工質(zhì)流量比鍋爐后段增大數倍，冷熱流體熱容量相當，可防止出現局部溫差過(guò)小，甚至造成局部反傳熱而影響傳熱效果，從而保證廢氣余熱的充分利用，使出爐煙氣溫度降至90℃左右。

 

  （4）對現有冷卻機進(jìn)行了廢氣二次循環(huán)改造，以提高入爐廢氣溫度，減少廢氣流量。在縮小冷卻機鍋爐體積的同時(shí)，增大了換熱量，且提高了整個(gè)系統的熱能品位。

 

  （5）由于預熱器出口廢氣還要用于烘干原料，所以預熱器鍋爐不設省煤器，只設蒸發(fā)器和過(guò)熱器，從而使出爐煙溫度達250℃，仍可用原料烘干。3.3 余熱的綜合利用實(shí)例分析 余熱的綜合利用是最有效的利用余熱的途徑?，F在工業(yè)上，沼氣余熱的綜合利用是最常見(jiàn)、 最有效的。下面以大型養殖基地周邊沼氣廠(chǎng)的余熱綜合利用為例，分兩種方案加以分析。 方案一：沼氣發(fā)電廠(chǎng)如果靠近居民生活區，或者養殖基地本身有空調和采暖的實(shí)際需要，余熱可以在夏天通過(guò)熱水型溴化鋰吸收式冷水機組為建筑供冷，冬天通過(guò)水—水熱交換器產(chǎn)生熱水為建筑供暖，過(guò)渡季節可以帶動(dòng)余熱鍋爐為工業(yè)或生活提供熱水或蒸汽。對農業(yè)示范基地而言，溫室大棚內部都需要保持一定的溫度，以促進(jìn)農作物的生長(cháng)。常用的做法是：在溫室內加裝散熱器，或者鋪設地熱盤(pán)管，使其成為溫室內的供暖系統。剩余的熱量可以為溫室的供暖系統提供熱量，以促進(jìn)植物生長(cháng)。

 

  方案二：禽肉加工業(yè)的發(fā)展必然要用到生產(chǎn)性冷庫，所以在遠距離輸送冷量和熱量不經(jīng)濟的情況下，可以使用發(fā)電余熱作為冷庫的動(dòng)力，剩余的熱量還可以提供給諸如屠宰場(chǎng)等生產(chǎn)環(huán)節。余熱驅動(dòng)的氨吸收式制冷機組具有溫室氣體排量低、環(huán)保、能源利用率高等特點(diǎn)，在冷庫制冷系統中得到了廣泛的應用。

 

  4工業(yè)余熱回收最新技術(shù) 近年來(lái)，工業(yè)余熱的利用方法越來(lái)越多元化，越來(lái)越來(lái)高 效，涌現了很多余熱回收利用的新型裝置和技術(shù)。

 

  4.1 熱輪 熱輪由多孔和高比熱容量的材料制成，有轉盤(pán)式和轉鼓式兩種結構型式。當熱輪的轉盤(pán)或轉鼓低速旋轉時(shí)， 熱氣體的熱量傳遞給熱輪；若熱輪繼續旋轉，它便將所獲得的熱量傳遞給進(jìn)入的冷空氣。熱輪的熱傳遞效率現已達到75％～80％，應用溫度也可達870℃左右。由于熱輪結構的原因， 會(huì )有少量的廢氣進(jìn)入氣管內，因而產(chǎn)生一定程度的污染。若污染量超過(guò)許可限度，則可附加清洗段來(lái)減少污染程度。熱輪一般用于采暖和低溫、中溫廢熱的回收，以及干燥爐、養護爐和空氣的預熱器中。

 

  4.2 熱管 熱管是一種良好的新型工業(yè)廢熱利用設備，它具有結構簡(jiǎn)單、不存在交叉污染等特點(diǎn)。最普通的熱管是由一密封的管狀容器組成，器壁具有毛細芯結構材料，該管狀容器充以蒸發(fā)液體。熱管的作用是基于蒸發(fā)—冷凝循環(huán)原理。毛細芯結構材料的作用如同泵一樣，它將冷凝流體送回熱輸入端，由廢熱使熱管的液體工質(zhì)蒸發(fā)，蒸發(fā)的潛熱隨蒸汽送至熱管的冷端冷凝，釋放出潛熱。然后，冷凝的液體再由毛細芯結構送回到熱端，如此循環(huán)，高效率地傳遞熱能。常溫熱管運用于溫度控制和回收生產(chǎn)過(guò)程的廢熱。熱管還可用于空氣干燥器、加熱、通風(fēng)、空調設備和空氣預熱器等。

 

  5結論 本文介紹了工業(yè)余熱的概念以及來(lái)源，研究了余熱利用現狀和現有技術(shù),并結合一些實(shí)例闡述了余熱利用的實(shí)用途徑和發(fā)展前景，結論如下：

 

  （1）建立大型的集中余熱回收利用站，將附近各個(gè)工廠(chǎng)的余熱集中一起并加以分類(lèi)，再送往各類(lèi)工廠(chǎng)用作不同途徑。

 

  （2）在各工廠(chǎng)建立網(wǎng)絡(luò )式余熱運輸管道，可按照余熱的品質(zhì)將其輸送到相應不同工廠(chǎng)予以利用。

 

  （3）開(kāi)發(fā)余熱利用新途徑，重點(diǎn)著(zhù)眼于熱論和熱管技術(shù)的應用研究。