高效率工业余热利用技术研究进展

摘 要：工业余热利用是实现节能减排和环境保护的发展战略的重要内容。根据余热能量传递过程的差异，本文对热交换、热功转换及制冷制热等三类主要余热利用技术的研究进展进行概述。另外本文通过分析表明，加强ORC循环、Kalina循环等中低温余热利用技术的研发，是提高我国余热综合利用率的有效手段。

关键词：余热利用技术；中低温余热利用；余热发电

0 前言

能源危机和环境保护是制约当今时代发展的两大重要难题，因而节能减排和有效利用能源，是解决能源和环境问题的根本途径[1，2]。我国当前的单位GDP能耗相对发达国家偏高，其中我国工业领域的能耗已经占到总能耗的70%，因而工业领域能源利用占据主导地位，工业领域能源利用率低的原因，除产业结构不合理、生产工艺落后等客观因素之外，余热利用不足是重要因素。

余热是指通过燃料通过燃烧过程产生的热量在完成某工艺过程后所剩余的有价值的能量，它是可燃物料和一次能源转换过程后的产物，在实际工程中屡见不鲜，例如工矿企业热能转换设备及用能设备在生产过程中排放的废气、废热及废水等。

上世纪70年代以来，余热回收利用一直是世界各国关注的热点，世界各国余热回收利用技术迅猛发展，其中以日本、德国和美国的技术最具代表性。我国相关技术研究起步较晚，经过多年发展，目前国内中高温余热利用技术发展较为成熟，但技术普及率仍有待提高；而低温余热利用技术由于技术上尚难解决的问题还有待开发。其中中低温余热在余热能量中占有极大的份额[3]，目前中低温热能被普遍认为是未来能源利用的主要组成部分，世界许多国家均将中低温热能的开发利用列为其能源发展战略上的首要目标[5]。余热利用技术按照能量传递转换方式大致可划分为热交换、制冷制热及热功转换等三大类，接下来的部分将对上述技术及其应用前景进行详细介绍。

1 热交换技术

热交换技术是最直接的工业余热回收技术，指在保持能量形态不变的前提下，通过相应的换热设备，将其中的余热能量直接返回给自身的工艺过程。热交换技术能降低一次能耗，而且对余热回收基本没有温度限制，技术上已经非常成熟，效率较高。

2 热功转换技术

热交换技术并未不改变能量的形态，对余热资源进行回收时仅仅使温度品位变低，其实质还是对能量的降级利用，由于回收大量存在的中低温余热资源的热交换技术经济性较差，因而被回收的热量可能无法满足工艺流程提出的要求。热功转换技术则与热交换技术不同，通过将余热转换为电能，提高了余热能量的品位，且更便于输送和使用，有效地克服热交换技术存在的不足，成为工业余热回收中的重要技术。

热电效应转换技术，即seebeck效应，是一种直接将热能转变为电能的技术，但是该技术由于受到材料性能的制约，导致存在发电效率较低，造价较昂贵等一系列问题。热电效应对于中高温热源驱动的350～600℃的10kW以下的机组以及移动式热源余热利用技术具有较大的应用潜力。

Stirling循环是由等温压缩、等容加热、等温膨胀以及等容放热四个过程组成的闭式循环，而Ericsson循环的过程与之相似，但是加热过程与Stirling循环不同，是由等温压缩、等压加热、等温膨胀、等压放热等四个过程组成[4]。尽管Ericsson和Stirling循环理论上循环效率较高，但上述循环为了实现整个部件的可逆传热，需要提供无限长传热时间和无限大换热面积，这在实际过程中很难达到。目前Stirling循环和Ericsson循环主要应用于高温热源驱动的500～900℃的50kW以下的小装机容量系统。

水蒸汽朗肯循环已经应用了几百年，技术发展成熟，是发电设备所采用的最广泛形式。值得一提的是，水蒸汽朗肯循环也能被用于低温热能发电当中，双压蒸发、复合闪蒸或汽轮机中间补气等应用于水泥余热发电的技术是其中的典型代表。但是因为余热发电过程中热源的温度比较低，并且受到应用对象规模和水蒸汽自身热物性等因素的影响，从系统效率、经济性以及系统稳定维护性考虑，水蒸汽朗肯循环主要应用于中高温大装机容量300～750℃的机组。

3 制冷制热技术

（一）余热制冷技术

余热制冷技术采用吸附式或吸收式的制冷系统，与传统压缩式制冷机组相比，对低品位热能进行有效利用，避免高品位的电力消耗，从而缓解电力供应不足的难题； 由于所采用的制冷剂不含有破坏臭氧层的CFC 类物质，天然环保，故节电能力和环保效益显著，在20 世纪末，该技术得以广泛的应用。

吸附式采用解吸（发生）-冷凝-蒸发-吸附（吸收）的与吸收式制冷技术热力循环特性相似的循环往复过程。但是由于吸收式制冷通过发生器和吸收器实现解析和吸收过程，因而通常采用流动性良好的液体，如LiBr-H2O、NH3-H2O等水溶液作为工质；通过吸附器实现吸附式制冷的解析和吸附过程，吸附方式分为物理吸附和化学吸附两种，一般采用固体介质，例如分子筛-H2O和CaCl2-NH3等作为吸附剂。

总体来说，吸收式余热制冷技术具有较高的制冷效率，适用用于回收大规模的余热，技术成熟，制冷量可达几十千瓦到几兆瓦，目前国内已获得广泛应用。而吸附式制冷技术不需要精馏装置或溶液泵，不存在对金属腐蚀和制冷剂污染盐溶液结晶等问题，而且适用范围广，能有效地利用50℃以下的低品位热源，可用于振动、旋转或倾颠等场所，但是技术上仍存在需要进一步研究和开发的问题。

（二）热泵技术

在工业生产中，存在着大量的略高于环境温度的30℃～60℃的废热，如工业冲渣水、冷却废水、火电厂循环水、水田废水以及低温的烟气、水汽等，而热泵技术常被用于回收此类温度低，但余热量大的余热资源。

热泵通过消耗部分机械能、高温热能和电能等高品质能量，将低温余热源的热量通过制冷热力循环"泵送"到高温热源，如温度达50℃及以上的热水，可满足工农商业各方面对热水有需求的建筑物采暖和蒸馏浓缩等工作。目前应用的热泵机组的供热系数一般为3～5，即消耗1KW电能，可以产生3～5KW的热量。

当前生产应用的热泵技术中以压缩式热泵为主，其中水源热泵技术得到广泛应用于火电厂系统循环水余热、核电厂循环水余热、油田、化工制药等行业余热回收。例如，热泵机组能提高电厂锅炉补充水的品位，以工艺产热水或循环水等作为热源，能将锅炉给水由原先的15℃～25℃提升到50℃的高品位，降低了锅炉对燃煤的需求，达到节能的目标。

（三）低温余热发电技术

余热发电作为可以实现大规模低温余热利用的一种重要热功转换技术，本节单独对其进行讨论。余热发电包括OCR循环、水蒸汽朗肯循环及Kalina循环等。值得一提的是，余热发电作为整个工业生产系统中的补充环节，需要满足整个生产工艺和生产设备的需要，具有热源含尘量大、腐蚀性强，热负荷不稳定，安装场地受限等特点。

由于水蒸汽朗肯循环应用历史悠久，技术最成熟，是目前国内余热发电的主流技术。现阶段所使用的余热蒸汽发电技术主要包括单双压余热发电技术、以及闪蒸余热发电技术、补燃余热发电技术等。单压系统结构相对简单，投资较少，容易进行运行操作维护工作。双压系统和闪蒸发电技术均采用补汽式汽轮机，两者均适用于低温热源较多的情况，其中双压补汽式汽轮机补充的是低压过热蒸汽，而闪蒸系统补充的是饱和蒸汽，双压比单压系统在相同的条件下能多发电10%左右，但系统较为复杂。而补燃余热发电技术能利用厂网相对较少的富余高炉燃气，使汽轮机单位汽耗率有效降低，较大提高系统发电量，同时在一定程度上平衡了烟气、废气温度的波动，经济性和环境友好性较好。

但是目前余热蒸汽发电技术仍存在很多问题，比如汽轮机对负荷变化的适应能力仍需进一步提高，汽轮机补汽口配汽调节难以配合波动的补汽参数及补汽量，难以达到补汽的要求等，需要对当前系统作进一步优化。目前优化的主要方向主要包括以下方面：

（1）研究余热系统的热力参数，例如蒸汽压力、进口的烟气温度以及节点的温差等对余热系统的影响，并通过调整热力参数使得系统最优化；

（2）研究新型密封结构，降低因锅炉漏气造成的热损失；

（3）进一步提高汽轮机对变工况的适应能力，特别是控制系统的优化，并调整发电与工业生产的关系；

（4）对系统汽轮机通流部分进行深入的流场分析，进一步优化补汽结构；

（5）研究新型实用的防侵蚀材料，在保证汽轮机运行安全的前提下，节约成本。

另一方面，在热源温度较低的情况下，由于水蒸汽自身热物性特点和应用对象规模要求，以水为工质的朗肯循环经济效益非常有限。ORC循环和Kalina循环对温度范围在150～350℃之间的中低温余热适用性和利用率较好。未来ORC循环和Kalina循环的发展预计主要包括以下几个方面：

（1）优化换热设备，从而提高其换热效率；

（2）研究和寻找换热效率高、安全、环保、经济的替代工质；

（3）研发和优化循环的结构，如根据应用和需求的不同，采用热电联产或热电冷联产等复合循环方式；

（4）研发变工况下安全稳定运行的ORC循环发电系统及膨胀动力机；

（5）对Kalin循环及ORC发电系统汽轮机及其它设备蒸汽参数进行优化。

4 结语

我国工业余热资源丰富，但利用率低，工业余热的回收利用是我国发展能源产业的重要组成部分。根据能量传递转换方式的不同，余热利用技术可分为三种：热交换、热功转换和余热制冷制热技术。其中，热交换技术只能降级利用余热，适用范围比较有限；热功转换技术不仅能提高余热品位，而且输送和使用均十分方便，但设备复杂，技术难度较大；余热制冷制热技术包括余热制冷技术和热泵技术两种，但还需要进一步深入研究。

余热发电则将余热转换为高品位的电功，方便输送和使用，是切实可行的低温利用途径。当前国内主流的低温余热发电技术是余热蒸汽发电，主要对350℃以上的烟气进行回收，对150～350℃中低温热能，国内相关技术不成熟。因此，优化余热蒸汽发电技术，强化ORC循环和Kalina循环的研究，是推进我国能源发展战略工作的关键。

参考文献：

[1]蔡九菊，王建军，陈春霞等.钢铁企业余热资源的回收利用[J]. Iron and Steel， 2007.

[2]崔民选.中国能源发展报告[M].北 京： 社会科学文献出版社，2010.

[3]李海燕，刘静.低品位余热利用技术的研究现状、困境和新策略[J].科技导报，2010，28（17）.

[4]连红奎，李艳，束光阳子等.我国工业余热回收利用技术综述[J].节能技术，2011，29（166）.

[5]安青松，史琳.中低温热能发电技术的热力学对比分析[J].华北电力大学学报，2012，39（2）.

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