工業(yè)余熱的自身特點(diǎn)、考量重點(diǎn)和利用難點(diǎn)

單 增

(山東建筑大學(xué)，山東 濟(jì)南 250101)

在當(dāng)今能源緊缺、污染嚴(yán)重的大背景下，節(jié)能減排愈發(fā)成為我國經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展的緊迫、重要、長(zhǎng)久的任務(wù)?；厥绽霉I(yè)余熱，進(jìn)而降低能耗，對(duì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，無疑具有更直接的現(xiàn)實(shí)意義。那么如何區(qū)別看待和差異化利用工業(yè)余熱，了解工業(yè)余熱的自身特點(diǎn)、考量重點(diǎn)和利用難點(diǎn)自然是一個(gè)重要的前提條件。

1 工業(yè)余熱的自身特點(diǎn)

1.1 工業(yè)余熱的量級(jí)大、品級(jí)低

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的角度來看，我國工業(yè)能耗約占全國總能耗的70%，而我國能源利用率僅約為33%，這就從宏觀角度說明，工業(yè)余熱的潛在數(shù)量巨大[1]。

從實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)的角度來看，熱過程可以簡(jiǎn)單地分為加熱、保溫和冷卻。這是3個(gè)非常統(tǒng)一和矛盾的過程。從工業(yè)加工的過程看，加熱、保溫和冷卻都是出于某種生產(chǎn)目的的，這一點(diǎn)是統(tǒng)一的。

以制溴工業(yè)(阻燃劑十溴二苯乙烷)為例，將溴、二苯乙烷、催化劑等加入反應(yīng)釜中，反應(yīng)釜內(nèi)逐漸升溫至58℃，并保持該溫度6h～7h。反應(yīng)結(jié)束后將反應(yīng)釜內(nèi)的所有物料轉(zhuǎn)至蒸餾釜中,加水、加熱用以蒸溴，除去過量的溴，制成固態(tài)粗品。粗品再經(jīng)過冷卻處理之后，過濾、洗滌、球磨等等，最后烘干除去水分，產(chǎn)出固體成品。原始反應(yīng)物從常溫態(tài)，到高溫態(tài)，最終形成常溫成品。具體的工藝流程和能源利用走向如圖1所示。

整個(gè)過程每一步都是必需的不可減免的生產(chǎn)過程，溫度變化非常明顯，熱量轉(zhuǎn)移量巨大。從熱力學(xué)第一定律的角度來說，大量的能源在生產(chǎn)過程中被消耗，不僅僅作用于制品的溫度變化，還造成制品的相態(tài)變化。各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)有大量能源消耗，但是原材料與成品之間的能量變化相對(duì)較小，這一點(diǎn)是矛盾的。這說明整個(gè)生產(chǎn)過程有大量的余熱可以利用。具體的生產(chǎn)設(shè)備的余熱情況，見表1和圖2。

結(jié)合表1和圖2可以發(fā)現(xiàn)，余熱的形式以35℃左右的低溫水為主，以低溫水形式存在的余熱占總比的81%，總體能源品級(jí)比較低。

表1 某制溴生產(chǎn)車間的余熱數(shù)據(jù)

圖1 十溴二苯乙烷的工藝流程和能源走向

圖2 某制溴生產(chǎn)車間的余熱餅狀圖

1.2 工業(yè)余熱的來源和形式復(fù)雜

從余熱來源的角度分析，大致可以分為以下幾種：①燃油燃煤燃?xì)馊紵纬傻臒煔猓虎谌紵幢M形成的可燃廢氣廢液廢渣；③冷卻高溫機(jī)組、反應(yīng)釜等等的冷卻介質(zhì)；④高溫容具和制品；⑤生產(chǎn)過程中化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱；⑥加工工藝過程形成的廢氣廢液。

具體到實(shí)際的工藝流程中，如圖3、圖4所示。

圖3 某軸承生產(chǎn)車間總體運(yùn)行示意

圖4 某制溴車間的總體運(yùn)行示意

從余熱的形式來說，總體可以分為氣、液、固。結(jié)合實(shí)際來源看，例如燃油燃煤燃?xì)馊紵纬傻臒煔?，本質(zhì)上是氣液固三者并存的物質(zhì)，主要是二氧化碳、氮?dú)?、氧氣等常見氣體，也有由于降至露點(diǎn)形成的水汽，甚至水汽中會(huì)融入氮氧化物，形成酸質(zhì)，還可能有一些揮發(fā)分、灰分等等；冷卻高溫機(jī)組、反應(yīng)釜等等的冷卻介質(zhì)，常見的有水和空氣；高溫容具和制品，與環(huán)境存在巨大溫差，也蘊(yùn)含不少余熱。工業(yè)余熱的這些復(fù)雜的來源和形式，正是工業(yè)余熱的另一大特點(diǎn)。

2 工業(yè)余熱的考量重點(diǎn)

工業(yè)余熱利用的考量重點(diǎn)，就在于，它不同于一般的生產(chǎn)工藝流程的熱利用，它須要保證一定的經(jīng)濟(jì)性。如果無法保證工業(yè)余熱利用的經(jīng)濟(jì)性，企業(yè)繼續(xù)推進(jìn)余熱項(xiàng)目的原生動(dòng)力—能源結(jié)構(gòu)改革、企業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展也就無法繼續(xù)下去。因此將經(jīng)濟(jì)性作為關(guān)鍵考量因素，以“火用”——熱力工質(zhì)的可用能作為衡量依據(jù)，根據(jù)余熱來源、量級(jí)和品級(jí)，區(qū)別對(duì)待，差別利用[2]。

例如，柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，在正式出廠之前會(huì)有2h左右的試機(jī)階段，試機(jī)部分的余熱分為兩部分：柴油燃燒形成的400℃～500℃左右的高溫?zé)煔夂屠鋮s柴油機(jī)形成的70℃～80℃的高溫水。如果將柴油機(jī)的高溫?zé)煔鈨H做一次利用，能利用約35%，當(dāng)然如果多級(jí)利用會(huì)得到更充分的利用，但是投資的成本也會(huì)越來越高，然而實(shí)際試機(jī)時(shí)間有限，對(duì)于持續(xù)的工業(yè)生產(chǎn)來說，存在熱利用時(shí)間上的短缺。如果進(jìn)行全方位、多層次的投資，會(huì)大大提高成本回收的周期。對(duì)于70℃～80℃的高溫水也是如此。所以針對(duì)這兩部分的熱，工程利用中采用集中“混合”、煙氣換熱的一次利用的直接形式。

有更高的“火用”，可以更好地得到利用。但是余熱利用的基本點(diǎn)，是從量上統(tǒng)計(jì)，量的多寡決定了是否有利用的必要性和利用的深度；在量的基礎(chǔ)上，也要從質(zhì)上探究，以不同方式區(qū)別對(duì)待余熱的利用[3]。

從實(shí)際工程的角度來說，余熱利用，首先要做熱平衡分析，根據(jù)熱的來源、熱的傳輸、熱的利用、熱的損耗等等，從工業(yè)生產(chǎn)的總熱量上宏觀分析潛在余熱的占比和總量，作為余熱利用的可行性分析的基礎(chǔ)；再對(duì)各個(gè)形式、各個(gè)量級(jí)、各個(gè)品位的余熱，做區(qū)分統(tǒng)計(jì)，形成初步利用方案，依據(jù)投入產(chǎn)出、資金回收期長(zhǎng)短等，考察經(jīng)濟(jì)性；最后，形成一個(gè)綜合了可行性和經(jīng)濟(jì)性的最終方案。

3 工業(yè)余熱的利用難點(diǎn)

3.1 生產(chǎn)過程中熱利用存在周期性，與此同時(shí)，余熱的熱負(fù)荷也會(huì)呈長(zhǎng)期不均衡狀態(tài)

對(duì)于大工業(yè)生產(chǎn)來說，通常采用24h工作制，來保證工業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)性和高效性，但是這并不意味著，余熱也具有同樣的特點(diǎn)。雖然各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)周轉(zhuǎn)不停，但是具體到實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)的熱利用其實(shí)有著非常強(qiáng)的周期性，甚至在同一生產(chǎn)過程中，熱負(fù)荷也會(huì)變化。最常見的就是鋼鐵的熱處理過程。

從總的周期上看，鋼鐵的熱處理通常包括兩種工作模式：①日連續(xù)性工作模式，比如在一個(gè)月當(dāng)中，上半個(gè)月生產(chǎn)的未處理部件，在緊接的下半個(gè)月13d～15d里24h不間斷地集中處理，這就造成余熱會(huì)形成明顯的有/無的周期性狀態(tài)；②小時(shí)連續(xù)性工作模式，當(dāng)日或近幾日的待處理部件，會(huì)在當(dāng)天某一時(shí)間段，8h或者16h集中處理，其余時(shí)間段就是一個(gè)自然冷卻的狀態(tài)。

具體的熱處理運(yùn)行時(shí)期的溫度變化，如圖5、圖6所示。

圖5 某回火爐內(nèi)溫度隨時(shí)間變化的情況

圖6 某正火爐內(nèi)溫度隨時(shí)間變化的情況

如圖5、圖6所示，回火處理時(shí)，加熱溫度相對(duì)低，加熱時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)；正火處理時(shí)，加熱溫度相對(duì)高，加熱時(shí)長(zhǎng)相對(duì)短。與之對(duì)應(yīng)的煙氣余熱的質(zhì)和量，不僅僅是隨正火回火的不同的加熱需求變化，也和正火回火各個(gè)加熱階段的溫度密切相關(guān)。這種周期性的余熱，考驗(yàn)著余熱利用設(shè)備運(yùn)行的同步性，也要求設(shè)備有一定的應(yīng)變負(fù)載能力。

3.2 余熱成分和形式復(fù)雜，投入產(chǎn)出互相牽制

余熱的成分和形式，例如相對(duì)純凈的冷卻循環(huán)水，復(fù)雜有毒的柴油煙氣，灌澆鐵水后的待冷卻模具等等，多種多樣。即使是冷卻循環(huán)水，也有高溫冷卻水和低溫冷卻水的區(qū)別，需要不同的設(shè)備才能保證余熱的充分利用，但是與之相應(yīng)的投資也會(huì)增加。例如，溴的蒸發(fā)釜形成的余熱，不僅僅熱負(fù)荷存在周期性變化，余熱成分形式也在變化。隨著生產(chǎn)工藝流程的行進(jìn)，蒸發(fā)釜內(nèi)溫度也會(huì)隨之變化，如圖7所示。

往蒸發(fā)釜持續(xù)供應(yīng)180℃的高溫水蒸氣，在運(yùn)行周期0～6.5h階段，融水的溴質(zhì)發(fā)生相變汽化，帶走大量熱量，蒸發(fā)釜內(nèi)存在巨大的溫差，水蒸氣的熱量可以較好地被利用，輸出大量凝結(jié)水和少量未盡利用的水蒸氣；但是到了6.5h～14h之間，因?yàn)橹按罅康匿逭舭l(fā)離開蒸發(fā)釜，蒸發(fā)釜內(nèi)溶質(zhì)溴所剩無幾，相變所需熱量急劇減小，蒸發(fā)釜內(nèi)外溫差也大大縮小，此階段，大量水蒸氣未及利用。但是出于維持生產(chǎn)需求的目的，該階段不會(huì)削減供汽量。所以此時(shí)，余熱的成分和形式都發(fā)生了變化，不僅僅在量級(jí)上有變化，品級(jí)也在變化，需要區(qū)別對(duì)待。通常是高溫冷凝水得到利用，因?yàn)闀?huì)把高溫冷凝水集合到冷卻循環(huán)水上，提高水溫，再集中熱回收。然而要利用110℃的高溫水蒸氣就需要另外投入新的設(shè)備，因此高品質(zhì)的水蒸氣反而得不到有效利用。

圖7 某溴工藝的蒸發(fā)釜內(nèi)溫度變化情況

可見，工業(yè)余熱變化復(fù)雜的形式會(huì)限制總體的綜合利用，投入和產(chǎn)出相互牽制，其實(shí)也影響了余熱利用的程度。

3.3 余熱利用或多或少干擾生產(chǎn)

對(duì)于工業(yè)化生產(chǎn)來說，維持穩(wěn)定的高質(zhì)量的生產(chǎn)，是對(duì)余熱利用的前提。但是引入余熱利用，實(shí)際上破壞了原有的熱平衡，增加了新的熱供項(xiàng)和熱耗項(xiàng)。

最常見的余熱利用對(duì)象——冷卻循環(huán)水，水量和水溫相對(duì)穩(wěn)定，總體溫差大概在6℃～9℃，是相對(duì)持續(xù)穩(wěn)定的低品位的熱源。通常利用方案是，以熱泵替代冷卻塔，熱泵提升冷卻水水溫，達(dá)到可利用溫度，再換熱取熱。取熱之后的循環(huán)水水溫，較之前通過冷卻塔的冷卻后的水溫，相對(duì)高一些，通常情況下可以滿足設(shè)備的承溫要求。但是這樣的話，如果需要保證以循環(huán)水為冷卻介質(zhì)的設(shè)備仍以之前的溫度運(yùn)行，就需要加大水量，提高水泵流量，會(huì)增加電負(fù)荷；否則，就會(huì)在一定程度上延長(zhǎng)或縮短工藝時(shí)長(zhǎng)，影響原有的生產(chǎn)規(guī)律。對(duì)于煙氣的利用也是如此。煙氣需要以風(fēng)機(jī)集中抽取利用，這會(huì)破壞原有的爐內(nèi)設(shè)計(jì)的正壓或負(fù)壓狀態(tài)，干擾燃燒狀況。除此以外，它復(fù)雜的成分對(duì)余熱利用設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行也會(huì)造成困擾[4]。

所以，在設(shè)計(jì)工業(yè)余熱方案時(shí)要充分考慮可能存在的干擾生產(chǎn)工藝的影響因素，將影響降至可承受的最小范圍內(nèi)[5]。

4 結(jié)束語

總的來說，工業(yè)余熱量級(jí)巨大，品級(jí)參差不齊，形式復(fù)雜多變，由此而來的綜合利用難度也相對(duì)高。依據(jù)目前的理論和技術(shù)，對(duì)于一些不僅量級(jí)大、品級(jí)也好的工業(yè)余熱，例如生產(chǎn)工藝中化學(xué)反應(yīng)、模具冷卻的熱等等，還沒有形成成熟的熱回收方案，目前還多視為不可利用的。這也說明，工業(yè)余熱的利用還有巨大的潛力。相信隨著熱利用的理論和技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)余熱的利用技術(shù)會(huì)越臻成熟。