高效率工業(yè)余熱利用技術研究進展

付劍波

摘 要：工業(yè)余熱利用是實現(xiàn)節(jié)能減排和環(huán)境保護的發(fā)展戰(zhàn)略的重要內容。根據(jù)余熱能量傳遞過程的差異，本文對熱交換、熱功轉換及制冷制熱等三類主要余熱利用技術的研究進展進行概述。另外本文通過分析表明，加強ORC循環(huán)、Kalina循環(huán)等中低溫余熱利用技術的研發(fā)，是提高我國余熱綜合利用率的有效手段。

關鍵詞：余熱利用技術；中低溫余熱利用；余熱發(fā)電

0 前言

能源危機和環(huán)境保護是制約當今時代發(fā)展的兩大重要難題，因而節(jié)能減排和有效利用能源，是解決能源和環(huán)境問題的根本途徑[1，2]。我國當前的單位GDP能耗相對發(fā)達國家偏高，其中我國工業(yè)領域的能耗已經(jīng)占到總能耗的70%，因而工業(yè)領域能源利用占據(jù)主導地位，工業(yè)領域能源利用率低的原因，除產(chǎn)業(yè)結構不合理、生產(chǎn)工藝落后等客觀因素之外，余熱利用不足是重要因素。

余熱是指通過燃料通過燃燒過程產(chǎn)生的熱量在完成某工藝過程后所剩余的有價值的能量，它是可燃物料和一次能源轉換過程后的產(chǎn)物，在實際工程中屢見不鮮，例如工礦企業(yè)熱能轉換設備及用能設備在生產(chǎn)過程中排放的廢氣、廢熱及廢水等。

上世紀70年代以來，余熱回收利用一直是世界各國關注的熱點，世界各國余熱回收利用技術迅猛發(fā)展，其中以日本、德國和美國的技術最具代表性。我國相關技術研究起步較晚，經(jīng)過多年發(fā)展，目前國內中高溫余熱利用技術發(fā)展較為成熟，但技術普及率仍有待提高；而低溫余熱利用技術由于技術上尚難解決的問題還有待開發(fā)。其中中低溫余熱在余熱能量中占有極大的份額[3]，目前中低溫熱能被普遍認為是未來能源利用的主要組成部分，世界許多國家均將中低溫熱能的開發(fā)利用列為其能源發(fā)展戰(zhàn)略上的首要目標[5]。余熱利用技術按照能量傳遞轉換方式大致可劃分為熱交換、制冷制熱及熱功轉換等三大類，接下來的部分將對上述技術及其應用前景進行詳細介紹。

1 熱交換技術

熱交換技術是最直接的工業(yè)余熱回收技術，指在保持能量形態(tài)不變的前提下，通過相應的換熱設備，將其中的余熱能量直接返回給自身的工藝過程。熱交換技術能降低一次能耗，而且對余熱回收基本沒有溫度限制，技術上已經(jīng)非常成熟，效率較高。

2 熱功轉換技術

熱交換技術并未不改變能量的形態(tài)，對余熱資源進行回收時僅僅使溫度品位變低，其實質還是對能量的降級利用，由于回收大量存在的中低溫余熱資源的熱交換技術經(jīng)濟性較差，因而被回收的熱量可能無法滿足工藝流程提出的要求。熱功轉換技術則與熱交換技術不同，通過將余熱轉換為電能，提高了余熱能量的品位，且更便于輸送和使用，有效地克服熱交換技術存在的不足，成為工業(yè)余熱回收中的重要技術。

熱電效應轉換技術，即seebeck效應，是一種直接將熱能轉變?yōu)殡娔艿募夹g，但是該技術由于受到材料性能的制約，導致存在發(fā)電效率較低，造價較昂貴等一系列問題。熱電效應對于中高溫熱源驅動的350～600℃的10kW以下的機組以及移動式熱源余熱利用技術具有較大的應用潛力。

Stirling循環(huán)是由等溫壓縮、等容加熱、等溫膨脹以及等容放熱四個過程組成的閉式循環(huán)，而Ericsson循環(huán)的過程與之相似，但是加熱過程與Stirling循環(huán)不同，是由等溫壓縮、等壓加熱、等溫膨脹、等壓放熱等四個過程組成[4]。盡管Ericsson和Stirling循環(huán)理論上循環(huán)效率較高，但上述循環(huán)為了實現(xiàn)整個部件的可逆?zhèn)鳠?，需要提供無限長傳熱時間和無限大換熱面積，這在實際過程中很難達到。目前Stirling循環(huán)和Ericsson循環(huán)主要應用于高溫熱源驅動的500～900℃的50kW以下的小裝機容量系統(tǒng)。

水蒸汽朗肯循環(huán)已經(jīng)應用了幾百年，技術發(fā)展成熟，是發(fā)電設備所采用的最廣泛形式。值得一提的是，水蒸汽朗肯循環(huán)也能被用于低溫熱能發(fā)電當中，雙壓蒸發(fā)、復合閃蒸或汽輪機中間補氣等應用于水泥余熱發(fā)電的技術是其中的典型代表。但是因為余熱發(fā)電過程中熱源的溫度比較低，并且受到應用對象規(guī)模和水蒸汽自身熱物性等因素的影響，從系統(tǒng)效率、經(jīng)濟性以及系統(tǒng)穩(wěn)定維護性考慮，水蒸汽朗肯循環(huán)主要應用于中高溫大裝機容量300～750℃的機組。

3 制冷制熱技術

（一）余熱制冷技術

余熱制冷技術采用吸附式或吸收式的制冷系統(tǒng)，與傳統(tǒng)壓縮式制冷機組相比，對低品位熱能進行有效利用，避免高品位的電力消耗，從而緩解電力供應不足的難題； 由于所采用的制冷劑不含有破壞臭氧層的CFC 類物質，天然環(huán)保，故節(jié)電能力和環(huán)保效益顯著，在20 世紀末，該技術得以廣泛的應用。

吸附式采用解吸（發(fā)生）-冷凝-蒸發(fā)-吸附（吸收）的與吸收式制冷技術熱力循環(huán)特性相似的循環(huán)往復過程。但是由于吸收式制冷通過發(fā)生器和吸收器實現(xiàn)解析和吸收過程，因而通常采用流動性良好的液體，如LiBr-H2O、NH3-H2O等水溶液作為工質；通過吸附器實現(xiàn)吸附式制冷的解析和吸附過程，吸附方式分為物理吸附和化學吸附兩種，一般采用固體介質，例如分子篩-H2O和CaCl2-NH3等作為吸附劑。

總體來說，吸收式余熱制冷技術具有較高的制冷效率，適用用于回收大規(guī)模的余熱，技術成熟，制冷量可達幾十千瓦到幾兆瓦，目前國內已獲得廣泛應用。而吸附式制冷技術不需要精餾裝置或溶液泵，不存在對金屬腐蝕和制冷劑污染鹽溶液結晶等問題，而且適用范圍廣，能有效地利用50℃以下的低品位熱源，可用于振動、旋轉或傾顛等場所，但是技術上仍存在需要進一步研究和開發(fā)的問題。

（二）熱泵技術

在工業(yè)生產(chǎn)中，存在著大量的略高于環(huán)境溫度的30℃～60℃的廢熱，如工業(yè)沖渣水、冷卻廢水、火電廠循環(huán)水、水田廢水以及低溫的煙氣、水汽等，而熱泵技術常被用于回收此類溫度低，但余熱量大的余熱資源。

熱泵通過消耗部分機械能、高溫熱能和電能等高品質能量，將低溫余熱源的熱量通過制冷熱力循環(huán)"泵送"到高溫熱源，如溫度達50℃及以上的熱水，可滿足工農(nóng)商業(yè)各方面對熱水有需求的建筑物采暖和蒸餾濃縮等工作。目前應用的熱泵機組的供熱系數(shù)一般為3～5，即消耗1KW電能，可以產(chǎn)生3～5KW的熱量。endprint

當前生產(chǎn)應用的熱泵技術中以壓縮式熱泵為主，其中水源熱泵技術得到廣泛應用于火電廠系統(tǒng)循環(huán)水余熱、核電廠循環(huán)水余熱、油田、化工制藥等行業(yè)余熱回收。例如，熱泵機組能提高電廠鍋爐補充水的品位，以工藝產(chǎn)熱水或循環(huán)水等作為熱源，能將鍋爐給水由原先的15℃～25℃提升到50℃的高品位，降低了鍋爐對燃煤的需求，達到節(jié)能的目標。

（三）低溫余熱發(fā)電技術

余熱發(fā)電作為可以實現(xiàn)大規(guī)模低溫余熱利用的一種重要熱功轉換技術，本節(jié)單獨對其進行討論。余熱發(fā)電包括OCR循環(huán)、水蒸汽朗肯循環(huán)及Kalina循環(huán)等。值得一提的是，余熱發(fā)電作為整個工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中的補充環(huán)節(jié)，需要滿足整個生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設備的需要，具有熱源含塵量大、腐蝕性強，熱負荷不穩(wěn)定，安裝場地受限等特點。

由于水蒸汽朗肯循環(huán)應用歷史悠久，技術最成熟，是目前國內余熱發(fā)電的主流技術?，F(xiàn)階段所使用的余熱蒸汽發(fā)電技術主要包括單雙壓余熱發(fā)電技術、以及閃蒸余熱發(fā)電技術、補燃余熱發(fā)電技術等。單壓系統(tǒng)結構相對簡單，投資較少，容易進行運行操作維護工作。雙壓系統(tǒng)和閃蒸發(fā)電技術均采用補汽式汽輪機，兩者均適用于低溫熱源較多的情況，其中雙壓補汽式汽輪機補充的是低壓過熱蒸汽，而閃蒸系統(tǒng)補充的是飽和蒸汽，雙壓比單壓系統(tǒng)在相同的條件下能多發(fā)電10%左右，但系統(tǒng)較為復雜。而補燃余熱發(fā)電技術能利用廠網(wǎng)相對較少的富余高爐燃氣，使汽輪機單位汽耗率有效降低，較大提高系統(tǒng)發(fā)電量，同時在一定程度上平衡了煙氣、廢氣溫度的波動，經(jīng)濟性和環(huán)境友好性較好。

但是目前余熱蒸汽發(fā)電技術仍存在很多問題，比如汽輪機對負荷變化的適應能力仍需進一步提高，汽輪機補汽口配汽調節(jié)難以配合波動的補汽參數(shù)及補汽量，難以達到補汽的要求等，需要對當前系統(tǒng)作進一步優(yōu)化。目前優(yōu)化的主要方向主要包括以下方面：

（1）研究余熱系統(tǒng)的熱力參數(shù)，例如蒸汽壓力、進口的煙氣溫度以及節(jié)點的溫差等對余熱系統(tǒng)的影響，并通過調整熱力參數(shù)使得系統(tǒng)最優(yōu)化；

（2）研究新型密封結構，降低因鍋爐漏氣造成的熱損失；

（3）進一步提高汽輪機對變工況的適應能力，特別是控制系統(tǒng)的優(yōu)化，并調整發(fā)電與工業(yè)生產(chǎn)的關系；

（4）對系統(tǒng)汽輪機通流部分進行深入的流場分析，進一步優(yōu)化補汽結構；

（5）研究新型實用的防侵蝕材料，在保證汽輪機運行安全的前提下，節(jié)約成本。

另一方面，在熱源溫度較低的情況下，由于水蒸汽自身熱物性特點和應用對象規(guī)模要求，以水為工質的朗肯循環(huán)經(jīng)濟效益非常有限。ORC循環(huán)和Kalina循環(huán)對溫度范圍在150～350℃之間的中低溫余熱適用性和利用率較好。未來ORC循環(huán)和Kalina循環(huán)的發(fā)展預計主要包括以下幾個方面：

（1）優(yōu)化換熱設備，從而提高其換熱效率；

（2）研究和尋找換熱效率高、安全、環(huán)保、經(jīng)濟的替代工質；

（3）研發(fā)和優(yōu)化循環(huán)的結構，如根據(jù)應用和需求的不同，采用熱電聯(lián)產(chǎn)或熱電冷聯(lián)產(chǎn)等復合循環(huán)方式；

（4）研發(fā)變工況下安全穩(wěn)定運行的ORC循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)及膨脹動力機；

（5）對Kalin循環(huán)及ORC發(fā)電系統(tǒng)汽輪機及其它設備蒸汽參數(shù)進行優(yōu)化。

4 結語

我國工業(yè)余熱資源豐富，但利用率低，工業(yè)余熱的回收利用是我國發(fā)展能源產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。根據(jù)能量傳遞轉換方式的不同，余熱利用技術可分為三種：熱交換、熱功轉換和余熱制冷制熱技術。其中，熱交換技術只能降級利用余熱，適用范圍比較有限；熱功轉換技術不僅能提高余熱品位，而且輸送和使用均十分方便，但設備復雜，技術難度較大；余熱制冷制熱技術包括余熱制冷技術和熱泵技術兩種，但還需要進一步深入研究。

余熱發(fā)電則將余熱轉換為高品位的電功，方便輸送和使用，是切實可行的低溫利用途徑。當前國內主流的低溫余熱發(fā)電技術是余熱蒸汽發(fā)電，主要對350℃以上的煙氣進行回收，對150～350℃中低溫熱能，國內相關技術不成熟。因此，優(yōu)化余熱蒸汽發(fā)電技術，強化ORC循環(huán)和Kalina循環(huán)的研究，是推進我國能源發(fā)展戰(zhàn)略工作的關鍵。

參考文獻：

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