工业余热利用现状及技术展望

  众所周知，能源是关系国计民生、与日常生活息息相关的大问题。但我国目前的能源利用模式和能源利用技术还不能适应经济社会快速发展的要求，供需矛盾日益突出。鉴于能源供需紧张的现状和现阶段工业余热大量过剩及利用率低等各种问题，大力开展工业余热的有效利用不失为可持续发展的一大战略途径。

 

  1工业余热的来源和分类

 

  1.1工业余热简介 工业余热来源于各种工业炉窑、热能动力装置、热能利用设备、余热利用装置和各种有反应热产生的化工过程等。目前，各行业的余热总资源约占其燃料消耗总量的17％～67％，可回收利用的余热资源约为余热总资源的60％。合理充分利用工业余热可以降低单位产品能耗，取得可观的经济效益。1.2工业余热的分类 工业余热按其能量形态可以分为三大类，即可燃性余热、载热性余热和有压性余热。

 

  1.2.1 可燃性余热 可燃性余热是指能用工艺装置排放出来的、具有化学热值和物理显热，还可作燃料利用的可燃物，即排放的可燃废气、废液、废料等，如放散的高炉气、焦炉气、转炉气、油田伴生气、炼油气、矿井瓦斯、炭黑尾气、纸浆黑液、甘蔗渣、木屑、可燃垃圾等。

 

  1.2.2 载热性余热 常见的大多数余热是载热性余热，它包括排出的废气和产品、 物料、废物、工质等所带走的高温热以及化学反应热等，如锅炉与窑炉的烟道气，燃气轮机、内燃机等动力机械的排气，焦炭钢铁铸件、水泥、炉渣的高温显热，凝结水、冷却水、放散热风等带走的显热，以及排放的废气潜热等。1.2.3 有压性余热 有压性余热通常又叫余压（能），它是指排气、排水等有压液体的能量。另外，因为工业余热的温度是衡量其质量（品位）的重要标尺，而其温度的高低亦影响了余热回收利用的方式，所以余热也通常按温度高低分为：高温余热，T≥650℃；中温余热，230℃≤T＜650℃；低温余热，T＜230℃。2 工业余热一般利用途径 2.1 余热的直接利用 余热的直接利用是最常见的回收利用方式。具体的应用领 域有：

 

  （1）预热空气。利用加热炉高温排烟预热其本身所需空气，以提高燃料效率，节约燃料消耗。

 

  （2）干燥。利用工业生产过程的排气来干燥加工零部件和材料，如铸工车间的铸砂模型等；还可以干燥天燃气、沼气等燃料。在医学上，工业余热还能用来干燥医用机械。

 

  （3）生产热水和蒸汽。利用低温余热来产生70℃～80℃或更高、更低温度的热水和低压蒸汽，供应生产工艺和生活的不同需求。

 

  （4）制冷或供热。利用低温余热来加热吸收式制冷机的蒸发器，或作为热泵的低温热源，达到制冷或供热的目的。 国外对余热的直接利用已经开展得比较成熟。RTugrulOgulata等设计了一种热量回收系统，以用于纺织行业中纺织品的烘干过程。在纺织品烘干过程中，被用来干燥的空气温度升高，湿度增加并且被一些灰尘以及化学物质所污染，因此不能用于再次干燥。在传统工业中，这些“废气”会被直接排放到大气中，其中的热量就被浪费掉。Ogulata设计了一种废气循环系统，运用同流换热器，将用过的高温、高湿的废气对纺织品进行预热，并循环利用，很好地降低了能耗。2.2 余热的动力回收 对于中高温余热，最好使其产生动力，直接作用于水泵、风机、压缩机，或带动发电机发电。例如，各种工业窑炉和动力机械的排烟温度大都在500℃以上，甚至达1000℃左右，可装设余热锅炉产生蒸汽，推动汽轮机产生动力或发电；对于中温余热，为提高动力回收的效率，宜采用低沸点介质（如正丁烷F－114等），按朗肯循环进行能量转换，达到余热动力回收的目的。

 

  2.3 余热的综合利用 余热的综合利用方式是根据工业余热温度的高低而采取不同的方法，以做到“热尽其用”，因而它是最有效的利用余热的途径。例如， 利用高温余热产生的蒸汽，通过供热机组取得热电合供的效果；利用有一定压力的高温废气，先通过燃气轮机做功，再利用其排气通过余热锅炉产生蒸汽，进入汽轮机做功，形成燃气—蒸汽联合循环，以提高余热的利用效率，加之使用汽轮机抽气或排气供热，余热经多次利用，就更扩大了其回收利用的效果。

 

  在余热回收利用系统中，若采用热泵技术，可进一步提高余热的能级和利用效果，SSpoelstra等人对使用高温热泵回收的工业废热进行了研究。他们改良升级了异丙醇热泵和盐/氨水混合蒸汽热泵这两种可用于废热利用的系统，并分别进行了模拟实验，其结果表明：前者具有更高的焓效率和COP，且无副产品的形成，因而能更有效地回收利用余热，其平均内部收益率（IRR）达到了14％。

 

  3 工业余热利用现状实例分析

 

  3.1 热量的直接利用实例分析 哈尔滨卷烟厂能源科近几年对余热利用做了大量工作。哈 尔滨卷烟厂余热主要来自制丝生产过程中的带压凝结水和部分乏汽，余热的直接利用是以此乏汽回水为热源，以锅炉蒸汽为补充热源，通过热交换，提供厂房和办公楼的采暖及全厂职工洗澡，从而到达节能目的。 系统中包括回水二次蒸发箱、板式汽（水）—水换热器、套管式水—水换热器、冷凝水箱及辅助设备。

 

  厂区所有的回水回归到集汽水缸，然后进入二次蒸发箱迅速降压并产生二次蒸汽和凝结水。正常工作时，含汽凝结水由集汽水缸流出，沿切线方向进入二次蒸发箱，由于旋转运动造成的离心分离作用使凝结水沿二次蒸发箱向下流出，进入套管式水—水换热器，而分离出来的二次蒸汽由凝水面向上方引出进入汽—水换热器；由二次蒸发箱上部引出的二次蒸汽分别进入

 

  3台板式汽—水换热器，经换热后的热水大约在85℃，可满足采暖供热需求；由二次蒸发箱下部引出的高温凝结水经设在加热水箱内的套管式水—水换热器将水箱冷水加热，由水泵送至职工浴池，每天可供全厂2000名职工洗澡；经过汽—水热交换后的冷凝水最后回归冷凝水箱回收，再由水泵打回锅炉。

 

  3.2 余热的动力回收实例分析 安徽省宁国水泥厂提供一套先进、成熟、可靠的低温余热发电设备，安装在宁国水泥厂4000t/d水泥生产线上，发电机组装机容量为6480kW，设计年发电量为4087万kWh，单位熟料发电能力为33.88kWh/t。该项技术使水泥生产中大量的中、低温余热得到了充分利用。水泥厂余热资源的特点是流量大、品位低。针对上述特点，在热力系统设计时采取如下措施：

 

  （1）采用减速式两点混汽式汽轮机，可利用参数较低的主蒸汽及从闪蒸器出来的饱和蒸汽发电。

 

  （2）设置具有专利技术的余热锅炉———预热器锅炉、冷却机锅炉和一台高压闪蒸器及一台低压闪蒸器，充分利用余热资源，应用热水闪蒸技术闪蒸出来的饱和蒸汽混入汽轮机做功。预热器锅炉和冷却机锅炉的特点见表1。冷却机锅炉省煤器段出水分3路：一路直接进冷却机锅炉汽包，一路作为预热器锅炉汽包的给水，另外一路进入高压闪蒸器。

 

  （3）高压闪蒸器出水作为低压闪蒸器的给水（即二级闪蒸系统），两股闪蒸饱和汽分别进入汽轮机做功，而低压闪蒸器出水又重新泵回冷却机锅炉省煤器。这样，冷却机锅炉省煤器段的工质流量比锅炉后段增大数倍，冷热流体热容量相当，可防止出现局部温差过小，甚至造成局部反传热而影响传热效果，从而保证废气余热的充分利用，使出炉烟气温度降至90℃左右。

 

  （4）对现有冷却机进行了废气二次循环改造，以提高入炉废气温度，减少废气流量。在缩小冷却机锅炉体积的同时，增大了换热量，且提高了整个系统的热能品位。

 

  （5）由于预热器出口废气还要用于烘干原料，所以预热器锅炉不设省煤器，只设蒸发器和过热器，从而使出炉烟温度达250℃，仍可用原料烘干。3.3 余热的综合利用实例分析 余热的综合利用是最有效的利用余热的途径。现在工业上，沼气余热的综合利用是最常见、 最有效的。下面以大型养殖基地周边沼气厂的余热综合利用为例，分两种方案加以分析。 方案一：沼气发电厂如果靠近居民生活区，或者养殖基地本身有空调和采暖的实际需要，余热可以在夏天通过热水型溴化锂吸收式冷水机组为建筑供冷，冬天通过水—水热交换器产生热水为建筑供暖，过渡季节可以带动余热锅炉为工业或生活提供热水或蒸汽。对农业示范基地而言，温室大棚内部都需要保持一定的温度，以促进农作物的生长。常用的做法是：在温室内加装散热器，或者铺设地热盘管，使其成为温室内的供暖系统。剩余的热量可以为温室的供暖系统提供热量，以促进植物生长。

 

  方案二：禽肉加工业的发展必然要用到生产性冷库，所以在远距离输送冷量和热量不经济的情况下，可以使用发电余热作为冷库的动力，剩余的热量还可以提供给诸如屠宰场等生产环节。余热驱动的氨吸收式制冷机组具有温室气体排量低、环保、能源利用率高等特点，在冷库制冷系统中得到了广泛的应用。

 

  4工业余热回收最新技术 近年来，工业余热的利用方法越来越多元化，越来越来高 效，涌现了很多余热回收利用的新型装置和技术。

 

  4.1 热轮 热轮由多孔和高比热容量的材料制成，有转盘式和转鼓式两种结构型式。当热轮的转盘或转鼓低速旋转时， 热气体的热量传递给热轮；若热轮继续旋转，它便将所获得的热量传递给进入的冷空气。热轮的热传递效率现已达到75％～80％，应用温度也可达870℃左右。由于热轮结构的原因， 会有少量的废气进入气管内，因而产生一定程度的污染。若污染量超过许可限度，则可附加清洗段来减少污染程度。热轮一般用于采暖和低温、中温废热的回收，以及干燥炉、养护炉和空气的预热器中。

 

  4.2 热管 热管是一种良好的新型工业废热利用设备，它具有结构简单、不存在交叉污染等特点。最普通的热管是由一密封的管状容器组成，器壁具有毛细芯结构材料，该管状容器充以蒸发液体。热管的作用是基于蒸发—冷凝循环原理。毛细芯结构材料的作用如同泵一样，它将冷凝流体送回热输入端，由废热使热管的液体工质蒸发，蒸发的潜热随蒸汽送至热管的冷端冷凝，释放出潜热。然后，冷凝的液体再由毛细芯结构送回到热端，如此循环，高效率地传递热能。常温热管运用于温度控制和回收生产过程的废热。热管还可用于空气干燥器、加热、通风、空调设备和空气预热器等。

 

  5结论 本文介绍了工业余热的概念以及来源，研究了余热利用现状和现有技术,并结合一些实例阐述了余热利用的实用途径和发展前景，结论如下：

 

  （1）建立大型的集中余热回收利用站，将附近各个工厂的余热集中一起并加以分类，再送往各类工厂用作不同途径。

 

  （2）在各工厂建立网络式余热运输管道，可按照余热的品质将其输送到相应不同工厂予以利用。

 

  （3）开发余热利用新途径，重点着眼于热论和热管技术的应用研究。