我國工業(yè)余熱回收利用技術(shù)綜述

  當前，我國能源利用仍然存在著(zhù)利用效率低、經(jīng)濟效益差，生態(tài)環(huán)境壓力大的主要問(wèn)題，節能減排、降低能耗、提高能源綜合利用率作為能源發(fā)展戰略規劃的重要內容，是解決我國能源問(wèn)題的根本途徑，處于優(yōu)先發(fā)展的地位。

 

  實(shí)現節能減排、提高能源利用率的目標主要依靠工業(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)結構不合理的因素外，工業(yè)余熱利用率低，能源( 能量)沒(méi)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(guò)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60%，余熱利用率提升空間大，節能潛力巨大，工業(yè)余熱回收利用又被認為是一種“新能源”，近年來(lái)成為推進(jìn)我國節能減排工作的重要內容。

 

  1 工業(yè)余熱資源特點(diǎn)

 

  余熱資源屬于二次能源，是一次能源或可燃物料轉換后的產(chǎn)物，或是燃料燃燒過(guò)程中所發(fā)出的熱量在完成某一工藝過(guò)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(lái)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)反應熱，高溫產(chǎn)品和爐渣余熱，以及可燃廢氣、廢料余熱。

 

  具體來(lái)說(shuō)，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、機械、電力等行業(yè)，各種冶煉爐、加熱爐、內燃機和鍋爐的排氣排煙，而且有些工業(yè)窯爐的煙氣余熱量甚至高達爐窯本身燃料消耗量的30% ～60%，節能潛力大，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)中為了保護高溫生產(chǎn)設備或滿(mǎn)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水余熱，約占余熱資源總量的10% ～16%; 化學(xué)反應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(guò)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、轉爐煤氣等。

 

  雖然余熱資源來(lái)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(guò)程中存在周期性、間斷性或生產(chǎn)波動(dòng)，導致余熱量不穩定; 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(chǎng)地、原生產(chǎn)等固有條件限制。

 

  因此工業(yè)余熱資源利用系統或設備運行環(huán)境相對惡劣，要求有寬且穩定的運行范圍，能適應多變的生產(chǎn)工藝要求，設備部件可靠性高，初期投入成本高，從經(jīng)濟性出發(fā)，需要結合工藝生產(chǎn)進(jìn)行系統整體的設計布置，綜合利用能量，以提高余熱利用系統設備的效率。

 

  2 工業(yè)余熱利用技術(shù)

 

  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，設備型式多樣，如有空氣預熱器，窯爐蓄熱室，余熱鍋爐，低溫汽輪機等。常見(jiàn)的工業(yè)余熱回收利用方式，有多種分類(lèi)方式，根據余熱資源在利用過(guò)程中能量的傳遞或轉換特點(diǎn)，可以將國內目前的工業(yè)余熱利用技術(shù)分為熱交換技術(shù)、熱功轉換技術(shù)、余熱制冷制熱技術(shù)。

 

  2． 1 熱交換技術(shù)

 

  余熱回收應優(yōu)先用于本系統設備或本工藝流程，降低一次能源消耗，盡量減少能量轉換次數，因此工業(yè)中常常通過(guò)空氣預熱器、回熱器、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; 或將高溫煙氣通過(guò)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(lèi)技術(shù)設備對余熱的利用不改變余熱能量的形式，只是通過(guò)換熱設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，可統稱(chēng)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)濟方法，相對應的設備是各種換熱器，既有傳統的各種結構的換熱器、熱管換熱器，也有余熱蒸汽發(fā)生器( 余熱鍋爐) 等。

 

  2． 1． 1 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)余熱回收的常用設備，混合式換熱器是依靠冷熱流體直接接觸或混合來(lái)實(shí)現傳遞熱量，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(jiàn)。

 

  間壁式換熱器主要有管式、板式及同流換熱器等幾類(lèi)，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(lèi)型換熱器，但它具有結構堅固、適用彈性大和材料范圍廣的特點(diǎn)，是工業(yè)余熱回收中應用最廣泛的熱交換設備。冶金企業(yè)40% 的換熱器設備為管式換熱器，允許入口煙氣溫度達1 000℃以上，出口煙溫約600℃，平均溫差約300℃［4］。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，其傳熱系數約為管殼式的二倍，傳熱效率高,結構緊湊，節省材料等。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360℃［4］。但由于板式換熱器使用溫度、壓力比管式換熱器的限制大，應用范圍受到限制。對于各種工業(yè)爐窯的高溫煙氣，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(lèi)，應用較為廣泛，多用在均熱爐、加熱爐等設備上回收煙氣余熱，預熱助燃空氣或燃料，降低排煙量和煙氣排放溫度。常見(jiàn)的輻射同流換熱器入口煙氣溫度可達1100℃以上，出口煙氣溫度亦高達600℃，可將助燃空氣加熱到400℃，助燃效果好; 溫度效率可達40%以上，但熱回收率較低，平均在26% ～ 35%［5］。

 

  2． 1． 2 蓄熱式熱交換器

 

  蓄熱式熱交換設備是冷熱流體交替流過(guò)蓄熱元件進(jìn)行熱量交換，屬于間歇操作的換熱設備，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。

 

  根據蓄熱介質(zhì)和熱能儲存形式的不同，蓄熱式熱交換系統可分為顯熱儲能和相變潛熱儲能。顯熱儲能的系統在工業(yè)中應用已久，簡(jiǎn)單換熱設備如常見(jiàn)的回轉式換熱器; 復雜設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備利用蓄熱材料固有熱容和相變潛熱儲存傳遞能量，具有高出顯熱儲能設備至少一個(gè)數量級的儲能密度，因此在儲存相同熱量的情況下，相變潛熱儲能換熱設備比傳統蓄熱設備體積減少30% ～ 50%。

 

  此外，熱量輸出穩定，換熱介質(zhì)溫度基本恒定，使換熱系統運行狀態(tài)穩定是此類(lèi)相變潛熱儲能換熱設備的另一優(yōu)點(diǎn)。相變儲能材料根據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(wú)機鹽及其混合物、堿、金屬及合金、氧化物等和陶瓷基體或金屬基體復合制成，適合于450 ～ 1100℃及以上的高溫余熱回收，應用較為廣泛; 后者主要是結晶水合鹽或有機物，適合用于低溫余熱回收。

 

  2． 1． 3 基于熱管的換熱設備

 

  熱管是一種高效的導熱元件，通過(guò)在全封閉真空管內工質(zhì)的蒸發(fā)和凝結的相變過(guò)程和二次間壁換熱來(lái)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。熱管導熱性?xún)?yōu)良，傳熱系數比傳統金屬換熱器高近一個(gè)量級，還具有良好的等溫性、可控制溫度、熱量輸送能力強、冷熱兩側的傳熱面積可任意改變、可遠距離傳熱、無(wú)外加輔助動(dòng)力設備等一系列優(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，需要根據不同的使用溫度選定相應的管材和工質(zhì)。其中碳鋼－ 水重力熱管的結構簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、制造方便、易于推廣，使得此類(lèi)熱管得到了廣泛的應用。實(shí)際應用中用于工業(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熱器。

 

  2． 1． 4 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(guò)余熱鍋爐回收，節能效果顯著(zhù)。

 

  余熱鍋爐中不發(fā)生燃燒過(guò)程，從本質(zhì)上講只是一個(gè)氣－ 水/蒸汽的換熱器，可利用高溫煙氣余熱、化學(xué)反應余熱、可燃氣體余熱以及高溫產(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發(fā)電系統中的重要設備，為汽輪機等動(dòng)力機械提供做功蒸汽工質(zhì)。

 

  實(shí)際應用中，利用350 ～ 1 000℃高溫煙氣的余熱鍋爐居多，和燃煤鍋爐的運行溫度相比，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(wèn)題，因此防積灰、磨損是設計余熱鍋爐的關(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(wèn)題在結構上的考慮。另外由于受工藝生產(chǎn)場(chǎng)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(zhù)節能減排工作的推進(jìn)，國內主要余熱鍋爐設計制造企業(yè)獲得加速發(fā)展，余熱鍋爐為適應工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)能調整和增長(cháng)，朝著(zhù)大型化、高參數方向發(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(wèn)題，在鍋爐循環(huán)方式、受熱面結構、鍋爐內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)步的內容。

 

  2． 2 熱功轉換技術(shù)

 

  熱交換技術(shù)通過(guò)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(mǎn)足工藝流程或企業(yè)內外電力消耗的需求。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)濟性差或者回收熱量無(wú)法用于本工藝流程，效益不顯著(zhù)。

 

  因此，利用熱功轉換技術(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(lèi)，熱功轉換技術(shù)可分為傳統的以水為工質(zhì)的蒸汽透平發(fā)電技術(shù)和以低沸點(diǎn)工質(zhì)的有機工質(zhì)發(fā)電技術(shù)。由于工質(zhì)特性顯著(zhù)不同，相應的余熱回收系統及設備組成也各具特點(diǎn)。目前主要的工業(yè)應用以水為工質(zhì)，以余熱鍋爐+ 蒸汽透平或者膨脹機所組成的低溫汽輪機發(fā)電系統。相對于常規火力發(fā)電技術(shù)參數而言，低溫汽輪機發(fā)電機組利用的余熱溫度低、參數低、功率小，在行業(yè)內多被稱(chēng)為低溫余熱汽輪機發(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的低溫汽輪機發(fā)電技術(shù)。

 

  低溫汽輪機機發(fā)電可利用的余熱資源主要是大于350℃的中高溫煙氣，如燒結窯爐煙氣，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，單機功率在幾兆瓦到幾十兆瓦，如鋼鐵行業(yè)氧氣轉爐余熱發(fā)電、燒結余熱發(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(lái)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(guò)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(lèi)低壓飽和蒸汽發(fā)電或拖動(dòng)的技術(shù)主要是采用螺桿膨脹動(dòng)力機技術(shù)。該技術(shù)具有以下特點(diǎn): 可用多種熱源工質(zhì)作為動(dòng)力源，適用于過(guò)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; 結構簡(jiǎn)單緊湊，可自動(dòng)調節轉速，壽命長(cháng)，振動(dòng)小; 機內流速低，除泄露損失外，其他能量損失少，效率高; 雙轉子非接觸式的特性，運轉時(shí)形成剪切效應具有自清潔功能、自除垢能力。螺桿膨脹動(dòng)力機屬于容積式膨脹機，受膨脹能力限制，直接驅動(dòng)螺桿膨脹動(dòng)力機的熱源應用范圍為小于300℃的0. 15 ～ 3. 0 MPa 的蒸汽或壓力0. 8MPa 以上，高于170℃的熱水等，由于結構特點(diǎn)，因此螺桿膨脹動(dòng)力機單機功率受限，多數在1 000 kW以下，主要用于余熱規模較小的場(chǎng)合。

 

  2． 3 制冷制熱技術(shù)

 

  2． 3． 1 余熱制冷技術(shù)

 

  與傳統壓縮式制冷機組相比，吸收式或吸附式制冷系統可利用廉價(jià)能源和低品位熱能而避免電耗，解決電力供應不足; 采用天然制冷劑，不含對臭氧層有破壞的CFC 類(lèi)物質(zhì)，具有顯著(zhù)的節電能力和環(huán)保效益，在20 世紀末得到了廣泛的推廣應用。

 

  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(guò)程，但吸收式制冷的吸收物質(zhì)為流動(dòng)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(guò)程通過(guò)發(fā)生器和吸收器實(shí)現; 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(guò)程通過(guò)吸附器實(shí)現。

 

  以溴化鋰水溶液為工質(zhì)的吸收式制冷系統應用最廣泛，一般可利用80 ～ 250℃范圍的低溫熱源，但由于用水做制冷劑，只能制取0℃或5℃以上的冷媒溫度，多用于空氣調節或工業(yè)用冷凍水，其性能系數COP 因制冷工質(zhì)對熱物性和熱力系統循環(huán)方式的不同而有很大變化，實(shí)際應用的機組COP 多不超過(guò)2，遠低于壓縮式制冷系統，但是此類(lèi)機組可以利用低溫工業(yè)余熱、太陽(yáng)能、地熱等低品位熱能，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。

 

  吸收式余熱制冷機組制冷效率高，適用于大規模熱量的余熱回收，制冷量小可到幾十千瓦，高可達幾兆瓦，在國內已獲得大規模應用，技術(shù)成熟，產(chǎn)品的規格和種類(lèi)齊全。

 

  吸附式制冷機的制冷工質(zhì)對種類(lèi)很多，包括物理吸附工質(zhì)對、化學(xué)吸附工質(zhì)對和復合吸附工質(zhì)對，適用的熱源溫度范圍大，可利用低達50℃的熱源，而且不需要溶液泵或精餾裝置，也不存在制冷機污染、鹽溶液結晶以及對金屬的腐蝕等問(wèn)題。吸附式制冷系統結構簡(jiǎn)單，無(wú)噪音，無(wú)污染，可用于顛簸震蕩場(chǎng)合，如汽車(chē)、船舶，但制冷效率相對低，常用的制冷系統性能系數多在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。

 

  2． 3． 2 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(chǎng)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(lèi)余熱資源。

 

  熱泵以消耗一部分高質(zhì)能( 電能、機械能或高溫熱能) 作為補償，通過(guò)制冷機熱力循環(huán)，把低溫余熱源的熱量“泵送”到高溫熱媒，如50℃及以上的熱水，可滿(mǎn)足工農商業(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，熱泵機組的供熱系數在3 ～ 5 之間，即消耗1 kW 電能，可制得3 ～ 5 kW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)濟可行的技術(shù)。

 

  當前研制生產(chǎn)的大都是壓縮式熱泵，中型熱泵正在開(kāi)發(fā)，大型熱泵尚屬空白。壓縮式熱泵中以水源熱泵技術(shù)應用最為廣泛，可用于火電廠(chǎng)/核電廠(chǎng)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(chǎng)以循環(huán)水或工藝產(chǎn)熱水作為熱源水，通過(guò)熱泵機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，達到節能降耗的目的。

 

  2． 4 小結

 

  綜上所述，余熱利用的技術(shù)設備種類(lèi)繁多，但都有一定的適用條件，應當根據工業(yè)余熱溫度、余熱量，結合生產(chǎn)條件、工藝流程、內外能量需求，選擇合適的余熱利用方式。

 

  目前國內各主要余熱資源都有可選的回收利用技術(shù)或設備，這些技術(shù)在原理上和國外余熱利用技術(shù)并無(wú)本質(zhì)差別，基本上都是通過(guò)上文所述的熱交換技術(shù)、熱功轉換技術(shù)、制冷制熱技術(shù)進(jìn)行余熱利用。但由于國外余熱回收技術(shù)已基本成熟，其設備性能優(yōu)良，應用廣泛，極大地提高了能源利用率。而國內，高、中溫余熱利用技術(shù)設備未得到有效推廣普及，低溫余熱由于相應的利用技術(shù)不成熟基本被廢棄，造成余熱整體利用率低。其中被廢棄的200℃甚至300℃以下的低溫工業(yè)余熱雖然品位低、利用技術(shù)難度高，但具有很大比例的余熱能量，如在石化行業(yè)可達80%。對于此類(lèi)低溫工業(yè)余熱，基于有機朗肯循環(huán)ORC 的熱力發(fā)電系統是有效、經(jīng)濟的利用工業(yè)低溫熱能的技術(shù)。

 

  3 基于有機介質(zhì)的低溫工業(yè)余熱發(fā)電技術(shù)

 

  3． 1 低溫有機朗肯循環(huán)

 

  對于工業(yè)中大量廢棄的200℃，甚至300℃以下的低溫余熱，目前無(wú)法利用蒸汽/熱水閃蒸系統進(jìn)行有效回收，更適宜采用經(jīng)濟可行的有機朗肯循環(huán)余熱發(fā)電技術(shù)。

 

  基于有機介質(zhì)的低溫工業(yè)余熱發(fā)電技術(shù)屬于熱功轉換技術(shù)，如有機工質(zhì)朗肯循環(huán)、Kalina 循環(huán)。有機朗肯循環(huán)( Organic Rankine Cycle，簡(jiǎn)稱(chēng)ORC) 是以低沸點(diǎn)有機物為工質(zhì)的朗肯循環(huán)，其系統組成及原理示意如圖1 所示，與常規的蒸汽發(fā)電裝置的熱力循環(huán)原理相同，只是循環(huán)工質(zhì)不同而已，系統更簡(jiǎn)單緊湊。采用這種發(fā)電方式對低溫范圍余熱利用有顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)，余熱物流與工質(zhì)不直接接觸，有機工質(zhì)蒸汽比容小，管道尺寸小，透平通流面積小，單位體積的功率可以較大，非常適宜用于低溫余熱回收。若選擇適宜的有機工質(zhì)，如干流體和等熵流體，可不設置過(guò)熱器，降低系統的復雜度，直接將飽和的有機工質(zhì)蒸汽送入透平膨脹做功后，在透平出口仍是干蒸汽，也不會(huì )對透平產(chǎn)生液滴侵蝕。

 

  有機工質(zhì)的選取是有機朗肯循環(huán)余熱發(fā)電技術(shù)的重要環(huán)節。通常要求工質(zhì)應滿(mǎn)足: ( 1) 發(fā)電性能好，即在相同蒸發(fā)溫度和冷凝溫度下，絕熱焓降大;( 2) 傳熱性能好，在相同條件下，換熱系數大; ( 3) 工質(zhì)臨界參數、常壓下沸點(diǎn)等熱物理性質(zhì)適宜; ( 4) 化學(xué)穩定性好、不分解、腐蝕性小、毒性小、環(huán)保、不易燃易爆; ( 5) 經(jīng)濟性好，既來(lái)源豐富，價(jià)格低。但是在實(shí)際應用中，工質(zhì)很難同時(shí)滿(mǎn)足上述全部條件，而且隨著(zhù)國際上對有機工質(zhì)環(huán)保要求的日益提高，可用工質(zhì)不斷更新，因此根據熱源類(lèi)型及溫度品位，綜合考慮。采用不同有機工質(zhì)( 或者有機工質(zhì)的混合物) ，可回收不同溫度范圍的低溫熱能，系統簡(jiǎn)單，運行維護成本低，系統組成示意如圖1 所示。所選用的工質(zhì)熱物性有所差異，導致其熱力循環(huán)特征有所不同，相應的熱力發(fā)電系統也各具特點(diǎn).

 

  有機朗肯循環(huán)發(fā)電系統設備中，熱交換器、泵與管路閥門(mén)等的設計制造可參考化工、制冷行業(yè)的熱交換設備，發(fā)電機是系列產(chǎn)品，僅透平膨脹機的選型設計以及密封技術(shù)需要區別對待，進(jìn)行非標準設計。

 

  常用的透平膨脹機有多級軸流透平，適用于溫度較高、工質(zhì)流量大、總焓降大、容量大的情況下，但相對內效率相對低，工藝較復雜; 徑流式透平相對內效率相對高，結構緊湊、工藝制造簡(jiǎn)單，但單機容量小，在國外余熱利用中有很多應用實(shí)例，適用于余熱回收量較小的情況。

 

  目前，國外ORC 技術(shù)已成功商業(yè)化，涌現出許多ORC 設計與制造廠(chǎng)商，如美國ORMAT 公司、意大利Turboden、德國GMK 公司等，普惠、GE、三菱等著(zhù)名葉輪機械設計制造企業(yè)也成立了專(zhuān)門(mén)的ORC公司。目前，國外ORC 技術(shù)的應用已從工業(yè)余熱回收轉向地熱、太陽(yáng)能、生物質(zhì)等低品位能源。

 

  我國對ORC 系統的研究應用起步晚，目前在ORC 回收低溫工業(yè)余熱的應用尚數空白。近年來(lái)，浙江大學(xué)、中南大學(xué)、清華大學(xué)等科研單位對有機工質(zhì)、熱力循環(huán)、進(jìn)行了一定理論或小型實(shí)驗研究。

 

  2008 年以來(lái)，清華大學(xué)和杭州中能汽輪動(dòng)力有限公司聯(lián)合開(kāi)展對ORC 工業(yè)余熱發(fā)電系統的工程應用研究和關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，建立有機朗肯循環(huán)熱力設計系統和相應的透平設計系統，在工質(zhì)選取、熱力系統設計優(yōu)化、有機工質(zhì)透平設計，并進(jìn)行系統變工況性能分析，將ORC 工業(yè)低溫余熱技術(shù)積極向工程應用階段推進(jìn)。

 

  3． 2 Kalina 循環(huán)

 

  純工質(zhì)有機朗肯循環(huán)，由于工質(zhì)的等溫蒸發(fā)吸熱過(guò)程與實(shí)際的變溫低溫熱源配合不緊密，換熱平均溫差大，不可逆損失較大。為了減小換熱不可逆損失，對純工質(zhì)有機物朗肯循環(huán)提出了幾種改進(jìn)的方法，如混合工質(zhì)循環(huán)、Kalina 循環(huán)等。Kalina 循環(huán)是以氨水混合物為工質(zhì)的循環(huán)系統，最簡(jiǎn)單的熱力循環(huán)是一級蒸餾循環(huán)，基本流程如圖2 所示［14］，即一定濃度的氨水溶液經(jīng)過(guò)水泵加壓、預熱器升溫之后，進(jìn)入余熱鍋爐蒸發(fā)，形成過(guò)熱氨水蒸汽進(jìn)入透平膨脹做功，然后利用復雜的蒸餾冷卻子系統解決氨水混合物冷凝問(wèn)題，使透平乏汽重新形成一定濃度的工質(zhì)溶液，再到達給水泵，完成一個(gè)循環(huán)。

 

  Kalina 循環(huán)在蒸發(fā)過(guò)程中工質(zhì)等壓變溫蒸發(fā)，減少工質(zhì)吸熱過(guò)程的不可逆性，而又因為冷凝過(guò)程中的基本工質(zhì)含氨低，克服了混合工質(zhì)有機朗肯循環(huán)冷凝損失大的弱點(diǎn)。有理論分析，Kalina 循環(huán)比純工質(zhì)的ORC 循環(huán)系統性能高出15% 以上，但在實(shí)際運行中，由于氨水混合工質(zhì)蒸發(fā)過(guò)程的復雜性以及系統的復雜性等因素，Kalina 循環(huán)并未表現出非常高的性能。

 

  研究表明，在中低溫余熱回收利用中，針對不同類(lèi)型的余熱類(lèi)型，Kalina 循環(huán)和朗肯循環(huán)在余熱回收利用各方面各有優(yōu)勢，對于溫度和流量一定、余熱回收利用后以一定的溫度排出，用于生產(chǎn)過(guò)程的余熱源，有機朗肯循環(huán)低溫余熱回收系統更具有優(yōu)勢。

 

  4 結語(yǔ)

 

  節能減排、提高能源利用率是我國能源發(fā)展戰略的重要內容。我國工業(yè)余熱資源豐富，回收利用工業(yè)余熱是節能減排工作的重點(diǎn)。

 

  按照余熱能量的傳遞轉換過(guò)程，可將國內目前余熱利用技術(shù)分為熱交換技術(shù)、熱功轉換技術(shù)和余熱制冷制熱技術(shù)。與熱交換技術(shù)相對應的設備有各種換熱器、熱管、余熱蒸汽發(fā)生器( 余熱鍋爐) 等，基本適用于各種溫度水平的余熱回收，但只能對余熱進(jìn)行熱利用，用途受到限制。熱功轉換技術(shù)難度較大，系統復雜，但可將余熱回收轉換為電功，便于輸送和使用，主要有余熱鍋爐－ 低溫汽輪機發(fā)電技術(shù)，適用于利用大于350℃中高溫余熱，以干熄焦發(fā)電技術(shù)和水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)為典型代表; 余熱制冷制熱技術(shù)有可利用250℃以下余熱的吸收式制冷技術(shù)、可利用30 ～ 60℃余熱的熱泵技術(shù)，但其用途需求有限，只能用于一般的生產(chǎn)或生活制冷制熱，對余熱的回收能力有限。

 

  當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余熱利用率低的原因之一。因此，推進(jìn)工業(yè)節能減排工作，一方面要進(jìn)一步推廣普及中高溫余熱利用技術(shù)，尤其是提高中小型企業(yè)余熱利用率，要推進(jìn)余熱利用技術(shù)與工藝節能相結合，從整個(gè)工藝系統分析能源的供給需求，優(yōu)化工藝系統及其相應的余熱利用技術(shù)。另一方面，從技術(shù)發(fā)展看，低溫有機朗肯循環(huán)技術(shù)是利用低溫工業(yè)余熱、地熱、太陽(yáng)能的經(jīng)濟有效方案，但國內未掌握該技術(shù)，因此強化研究有機朗肯循環(huán)等低溫余熱發(fā)電技術(shù)，并積極進(jìn)行工程應用推廣，對提高低品位余熱利用率會(huì )起到重要作用。

 

  4 結論

 

  通過(guò)上述實(shí)驗和分析，我們得到如下結論:

 

  ( 1) 變物性會(huì )使得凸起熱源附近的熱分布區域有明顯的減小，并且熱分布區域隨著(zhù)Gr 數的增加而更貼近熱源塊。

 

  ( 2) 由于變物性的引入，相比于常物性和Boussinesq 假設，流線(xiàn)分布變得更均勻，且通道內的引入質(zhì)量流速變大。

 

  ( 3) 當Gr ＜ 7. 5 × 104 時(shí)，考慮變物性對復雜通道內最大溫度和平均Nu 數的影響不大，而當Gr ＞7. 5 × 104 時(shí)，需要考慮變物性對換熱的影響。