餘熱回收利用

餘熱回收利用是指將工業過程產生的餘熱再次回收重新利用。主要技術包括熱交換技術、熱功轉換技術、餘熱製冷制熱技術。

基本介紹

• 中文名：餘熱回收利用
• 外文名：Waste Heat Utilization
• 學科：能源
• 套用：工業生產
• 特點：降低成本、節約資源
• 技術：熱交換、熱功轉換、餘熱製冷制熱

簡介

當前，我國能源利用仍然存在著利用效率低、經濟效益差，生態環境壓力大的主要問題，節能減排、降低能耗、提高能源綜合利用率作為能源發展戰略規劃的重要內容，是解決我國能源問題的根本途徑，處於優先發展的地位。實現節能減排、提高能源利用率的目標主要依靠工業領域。處在工業化中後期階段的中國，工業是主要的耗能領域，也是污染物的主要排放源。我國工業領域能源消耗量約占全國能源消耗總量的70% ，主要工業產品單位能耗平均比國際先進水平高出 30% 左右。除了生產工藝相對落後、產業結構不合理的因素外，工業餘熱利用率低，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，比已開發國家低約10% ，至少 50% 的工業耗能以各種形式的餘熱被直接廢棄。

因此從另一角度看，我國工業餘熱資源豐富，廣泛存在於工業各行業生產過程中，餘熱資源約占其燃料消耗總量的 17% ～ 67% ，其中可回收率達 60% ，餘熱利用率提升空間大，節能潛力巨大，工業餘熱回收利用又被認為是一種“新能源”，近年來成為推進我國節能減排工作的重要內容。

餘熱資源特點

餘熱資源屬於二次能源，是一次能源或可燃物料轉換後的產物，或是燃料燃燒過程中所發出的熱量在完成某一工藝過程後所剩下的熱量。按照溫度品位，工業餘熱一般分為 600℃ 以上的高溫餘熱，300 ～ 600℃ 的中溫餘熱和 300℃ 以下的低溫餘熱三種； 按照來源，工業餘熱又可被分為： 煙氣餘熱，冷卻介質餘熱，廢汽廢水餘熱，化學反應熱，高溫產品和爐渣餘熱，以及可燃廢氣、廢料餘熱。

具體來說，煙氣餘熱量大，溫度分布範圍寬，占工業餘熱資源總量的 50% 以上，分布廣泛，如冶金、化工、建材、機械、電力等行業，各種冶煉爐、加熱爐、內燃機和鍋爐的排氣排煙，而且有些工業窯爐的煙氣餘熱量甚至高達爐窯本身燃料消耗量的 30% ～60% ，節能潛力大，是餘熱利用的主要對象。冷卻介質餘熱是指在工業生產中為了保護高溫生產設備或滿足工藝流程冷卻要求，空氣、水和油等冷卻介質帶走的餘熱，多屬於中低溫餘熱，餘熱量占工業餘熱資源總量的 20% 。廢水廢汽餘熱是一種低品位的蒸汽或 凝結水餘熱，約占 余 熱 資 源 總 量 的 10% ～16% ； 化學反應餘熱占餘熱資源總量的 10% 以下，主要存在於化工行業； 高溫產品和爐渣餘熱主要指坯料、焦炭、熔渣等的顯熱，石化行業油、氣產品的顯熱等； 可燃廢氣、廢料餘熱是指生產過程的排氣、排液和排渣中含有可燃成分，如冶金行業的高爐煤氣、轉爐煤氣等。

雖然餘熱資源來源廣泛、溫度範圍廣、存在形式多樣，但從餘熱利用角度看，餘熱資源一般具有以下共同點： 由於工藝生產過程中存在周期性、間斷性或生產波動，導致餘熱量不穩定； 餘熱介質性質惡劣，如煙氣中含塵量大或含有腐蝕性物質； 餘熱利用裝置受場地、原生產等固有條件限制。因此工業餘熱資源利用系統或設備運行環境相對惡劣，要求有寬且穩定的運行範圍，能適應多變的生產工藝要求，設備部件可靠性高，初期投入成本高，從經濟性出發，需要結合工藝生產進行系統整體的設計布置，綜合利用能量，以提高餘熱利用系統設備的效率。

工業餘熱利用技術

餘熱溫度範圍廣、能量載體的形式多樣，又由於所處環境和工藝流程不同及場地的固有條件的限制，生產生活的需求，設備型式多樣，如有空氣預熱器，窯爐蓄熱室，餘熱鍋爐，低溫汽輪機等。常見的工業餘熱回收利用方式，有多種分類方式，根據餘熱資源在利用過程中能量的傳遞或轉換特點，可以將國內目前的工業餘熱利用技術分為熱交換技術、熱功轉換技術、餘熱製冷制熱技術。

熱交換技術

餘熱回收應優先用於本系統設備或本工藝流程，降低一次能源消耗，儘量減少能量轉換次數，因此工業中常常通過空氣預熱器、回熱器、加熱器等各種換熱器回收餘熱加熱助燃空氣、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; 或將高溫煙氣通過餘熱鍋爐或汽化冷卻器生成蒸汽熱水，用於工藝流程。這一類技術設備對餘熱的利用不改變餘熱能量的形式，只是通過換熱設備將餘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，可統稱為熱交換技術，這是回收工業餘熱最直接、效率較高的經濟方法，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，也有餘熱蒸汽發生器( 餘熱鍋爐) 等。

間壁式換熱器

工業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餘熱回收的常用設備，混合式換熱器是依靠冷熱流體直接接觸或混合來實現傳遞熱量，如工業生產中的冷卻塔、洗滌塔、氣壓冷凝器等，在餘熱回收中並不常見。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於其它類型換熱器，但它具有結構堅固、適用彈性大和材料範圍廣的特點，是工業餘熱回收中套用最廣泛的熱交換設備。冶金企業 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℃。

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，其傳熱係數約為管殼式的二倍，傳熱效率高，結構緊湊，節省材料等。在冶金行業的聯合、中小企業多採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℃。但由於板式換熱器使用溫度、壓力比管式換熱器的限制大，套用範圍受到限制。對於各種工業爐窯的高溫煙氣，還常採用塊孔式換熱器、空氣冷卻器和同流熱交換器等。其中同流換熱器屬於氣 － 氣熱交換器，主要有輻射式和對流式兩類，套用較為廣泛，多用在均熱爐、加熱爐等設備上回收煙氣餘熱，預熱助燃空氣或燃料，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%。

蓄熱式熱交換器

蓄熱式熱交換設備是冷熱流體交替流過蓄熱元件進行熱量交換，屬於間歇操作的換熱設備，適宜回收間歇排放的餘熱資源，多用於高溫氣體介質間的熱交換，如加熱空氣或物料等。根據蓄熱介質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中套用已久，簡單換熱設備如常見的迴轉式換熱器; 複雜設備如煉鐵高爐的蓄熱式熱風爐、玻璃熔爐的蓄熱室。由於顯熱儲能熱交換設備儲能密度低、體積龐大、蓄熱不能恆溫等缺點，在工業餘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，換熱介質溫度基本恆定，使換熱系統運行狀態穩定是此類相變潛熱儲能換熱設備的另一優點。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，主要是由一些無機鹽及其混合物、鹼、金屬及合金、氧化物等和陶瓷基體或金屬基體複合製成，適合於 450 ～ 1100℃ 及以上的高溫餘熱回收，套用較為廣泛; 後者主要是結晶水合鹽或有機物，適合用於低溫餘熱回收。

基於熱管的換熱設備

熱管是一種高效的導熱元件，通過在全封閉真空管內工質的蒸發和凝結的相變過程和二次間壁換熱來傳遞熱量，屬於將儲熱和換熱裝置合二為一的相變儲能換熱裝置。熱管導熱性優良，傳熱係數比傳統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、冷熱兩側的傳熱面積可任意改變、可遠距離傳熱、無外加輔助動力設備 等 一 系 列 優 點。 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。其中碳鋼 － 水重力熱管的結構簡單、價格低廉、製造方便、易於推廣，使得此類熱管得到了廣泛的套用。實際套用中用於工業餘熱回收的熱管使用溫度在 50 ～ 400℃ 之間，用於乾燥爐、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。

餘熱鍋爐

採用蒸汽發生器，即餘熱鍋爐回收餘熱是提高能源利用率的重要手段，冶金行業近 80% 的煙氣餘熱是通過餘熱鍋爐回收，節能效果顯著。餘熱鍋爐中不發生燃燒過程，從本質上講只是一個氣 － 水/蒸汽的換熱器，可利用高溫煙氣餘熱、化學反應餘熱、可燃氣體餘熱以及高溫產品餘熱等，生產高壓、中壓或低壓蒸汽或熱水，用於工藝流程或進入管網供熱。同時，餘熱鍋爐是低溫汽輪機發電系統中的重要設備，為汽輪機等動力機械提供做功蒸汽工質。實際套用中，利用 350 ～ 1 000℃ 高溫煙氣的餘熱鍋爐居多，和燃煤鍋爐的運行溫度相比，屬於低溫爐，效率較低。由於餘熱煙氣含塵量大，含有較多腐蝕性物質，更易造成鍋爐積灰、腐蝕、磨損等問題，因此防積灰、磨損是設計餘熱鍋爐的關鍵。直通式爐型、大容積的空腔輻射冷卻室、設定的密封爐牆、除塵室、大量振打吹灰裝置都是餘熱鍋爐為解決積灰、磨損問題在結構上的考慮。另外由於受工藝生產場地空間限制，餘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。

近十年隨著節能減排工作的推進，國內主要餘熱鍋爐設計製造企業獲得加速發展，餘熱鍋爐為適應工業領域產能調整和增長，朝著大型化、高參數方向發展，如有色冶金行業蒸發量 50 t/h、工作壓力4. 2 MPa 的餘熱鍋爐，或鋼鐵冶金行業蒸發量達 100t / h，工作壓力 12. 5 MPa 的乾熄焦餘熱鍋爐。此外，進一步提高鍋爐傳熱效果、熱利用率，減輕積灰、磨損等問題，在鍋爐循環方式、受熱面結構、鍋爐內煙氣流道及清灰方式等方面進行改造、革新是餘熱鍋爐技術進步的內容。

熱功轉換技術

熱交換技術通過降低溫度品位仍以熱能的形式回收餘熱資源，是一種降級利用，不能滿足工藝流程或企業內外電力消耗的需求。此外，對於大量存在的中低溫餘熱資源，若採用熱交換技術回收，經濟性差或者回收熱量無法用於本工藝流程，效益不顯著。因此，利用熱功轉換技術提高餘熱的品位是回收工業餘熱的又一重要技術。按照工質分類，熱功轉換技術可分為傳統的以水為工質的蒸汽透平發電技術和以低沸點工質的有機工質發電技術。由於工質特性顯著不同，相應的餘熱回收系統及設備組成也各具特點。

目前主要的工業套用以水為工質，以餘熱鍋爐 + 蒸汽透平或者膨脹機所組成的低溫汽輪機發電系統。相對於常規火力發電技術參數而言，低溫汽輪機發電機組利用的餘熱溫度低、參數低、功率小，在行業內多被稱為低溫餘熱汽輪機發電技術，新型乾法水泥窯低溫餘熱發電技術是典型的中低溫參數的低溫汽輪機發電技術。低溫汽輪機機發電可利用的餘熱資源主要是大於 350℃的中高溫煙氣，如燒結窯爐煙氣，玻璃、水泥等建材行業爐窯煙氣或經一次利用後降溫到 400～ 600℃ 的煙氣，單機功率在幾兆瓦到幾十兆瓦，如鋼鐵行業氧氣轉爐餘熱發電、燒結餘熱發電，焦化行業乾熄焦餘熱發電、水泥行業低溫餘熱發電，玻璃、制陶製磚等建材爐窯煙氣餘熱發電等多種餘熱發電形式。但從餘熱資源的溫度範圍來看，該技術利用的中高溫餘熱，屬於中高溫餘熱發電技術。此外，通過餘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，除用於生產生活，還有大量剩餘常被放散。

目前利用這類低壓飽和蒸汽發電或拖動的技術主要是採用螺桿膨脹動力機技術。該技術具有以下特點:

• 可用多種熱源工質作為動力源，適用於過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽液兩相混合物，也適用於煙氣、含污熱水、熱液體等;
  
• 結構簡單緊湊，可自動調節轉速，壽命長，振動小;
  
• 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，運轉時形成剪下效應具有自清潔功能、自除垢能力。
  

螺桿膨脹動力機屬於容積式膨脹機，受膨脹能力限制，直接驅動螺桿膨脹動力機的熱源套用範圍為小於 300℃的 0. 15 ～ 3. 0 MPa 的蒸汽或壓力 0. 8MPa 以上，高於 170℃ 的熱水等，由於結構特點，因此螺桿膨脹動力機單機功率受限，多數在 1 000 k W以下，主要用於餘熱規模較小的場合。

製冷制熱技術

餘熱製冷技術

與傳統壓縮式制冷機組相比，吸收式或吸附式製冷系統可利用廉價能源和低品位熱能而避免電耗，解決電力供應不足; 採用天然製冷劑，不含對臭氧層有破壞的 CFC 類物質，具有顯著的節電能力和環保效益，在 20 世紀末得到了廣泛的推廣套用。吸收式和吸附式製冷技術的熱力循環特性十分相近，均遵循“發生( 解析) － 冷凝 － 蒸發 － 吸收( 吸附) ”的循環過程，但吸收式製冷的吸收物質為流動性良好的液體，製冷工質為氨 － 水、溴化鋰水溶液等，其發生和吸收過程通過發生器和吸收器實現; 吸附式製冷吸附劑一般為固體介質，吸附方式分為物理吸附和化學吸附，常使用分子篩 － 水、氯化鈣 － 氨等工質對，解析和吸附過程通過吸附器實現。

以溴化鋰水溶液為工質的吸收式製冷系統套用最廣泛，一般可利用 80 ～ 250℃ 範圍的低溫熱源，但由於用水做製冷劑，只能製取 0℃或 5℃以上的冷媒溫度，多用於空氣調節或工業用冷凍水，其性能係數COP 因製冷工質對熱物性和熱力系統循環方式的不同而有很大變化，實際套用的機組 COP 多不超過2，遠低於壓縮式製冷系統，但是此類機組可以利用低溫工業餘熱、太陽能、地熱等低品位熱能，不消耗高品質電能，而在工業餘熱利用方面有一定優勢。吸收式餘熱制冷機組製冷效率高，適用於大規模熱量的餘熱回收，製冷量小可到幾十千瓦，高可達幾兆瓦，在國內已獲得大規模套用，技術成熟，產品的規格和種類齊全。吸附式制冷機的製冷工質對種類很多，包括物理吸附工質對、化學吸附工質對和複合吸附工質對，適用的熱源溫度範圍大，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題。吸附式製冷系統結構簡單，無噪音，無污染，可用於顛簸震盪場合，如汽車、船舶，但製冷效率相對低，常用的製冷系統性能係數多在 0． 7 以下，受限於製造工藝，製冷量小，一般在幾百千瓦以下，更適合利用小熱量餘熱回收，或用於冷熱電聯產系統。

熱泵技術

工業生產中存在大量略高於環境溫度的廢熱( 30 ～ 60℃) ，如工業沖渣水、冷卻廢水、火電廠循環水、油田廢水、低溫的煙氣、水汽等，溫度很低，但餘熱量大，( 水源) 熱泵技術常被用於回收此類餘熱資源。熱泵以消耗一部分高質能( 電能、機械能或高溫熱能) 作為補償，通過制冷機熱力循環，把低溫餘熱源的熱量“泵送”到高溫熱媒，如 50℃ 及以上的熱水，可滿足工農商業的蒸餾濃縮、乾燥制熱或建築物採暖等對熱水的需求。

目前，熱泵機組的供熱係數在 3 ～ 5 之間，即消耗 1 k W 電能，可製得 3 ～ 5 k W熱量，在一定條件環境下是利用略高於環境溫度廢水餘熱的經濟可行的技術。當前研製生產的大都是壓縮式熱泵，中型熱泵正在開發，大型熱泵尚屬空白。壓縮式熱泵中以水源熱泵技術套用最為廣泛，可用於火電廠/核電廠循環水餘熱、印染、輪胎製造、油田、製藥等行業的餘熱回收。例如，電廠以循環水或工藝產熱水作為熱源水，通過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。