當(dāng)前，我國能源利用仍然存在著利用效率低、經(jīng)濟效益差，生態(tài)環(huán)境壓力大的主要問題，節(jié)能減排、降低能耗、提高能源綜合利用率作為能源發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃的重要內(nèi)容，是解決我國能源問題的根本途徑，處于優(yōu)先發(fā)展的地位。

 

  實現(xiàn)節(jié)能減排、提高能源利用率的目標(biāo)主要依靠工業(yè)領(lǐng)域。處在工業(yè)化中后期階段的中國，工業(yè)是主要的耗能領(lǐng)域，也是污染物的主要排放源。我國工業(yè)領(lǐng)域能源消耗量約占全國能源消耗總量的70%，主要工業(yè)產(chǎn)品單位能耗平均比國際先進水平高出30%左右。除了生產(chǎn)工藝相對落后、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理的因素外，工業(yè)余熱利用率低，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，比發(fā)達國家低約10%，至少50%的工業(yè)耗能以各種形式的余熱被直接廢棄。因此從另一角度看，我國工業(yè)余熱資源豐富，廣泛存在于工業(yè)各行業(yè)生產(chǎn)過程中，余熱資源約占其燃料消耗總量的17% ～ 67%，其中可回收率達60%，余熱利用率提升空間大，節(jié)能潛力巨大，工業(yè)余熱回收利用又被認(rèn)為是一種“新能源”，近年來成為推進我國節(jié)能減排工作的重要內(nèi)容。

 

  1 工業(yè)余熱資源特點

 

  余熱資源屬于二次能源，是一次能源或可燃物料轉(zhuǎn)換后的產(chǎn)物，或是燃料燃燒過程中所發(fā)出的熱量在完成某一工藝過程后所剩下的熱量。按照溫度品位，工業(yè)余熱一般分為600℃ 以上的高溫余熱，300 ～ 600℃的中溫余熱和300℃以下的低溫余熱三種; 按照來源，工業(yè)余熱又可被分為: 煙氣余熱，冷卻介質(zhì)余熱，廢汽廢水余熱，化學(xué)反應(yīng)熱，高溫產(chǎn)品和爐渣余熱，以及可燃廢氣、廢料余熱。

 

  具體來說，煙氣余熱量大，溫度分布范圍寬，占工業(yè)余熱資源總量的50% 以上，分布廣泛，如冶金、化工、建材、機械、電力等行業(yè)，各種冶煉爐、加熱爐、內(nèi)燃機和鍋爐的排氣排煙，而且有些工業(yè)窯爐的煙氣余熱量甚至高達爐窯本身燃料消耗量的30% ～60%，節(jié)能潛力大，是余熱利用的主要對象。冷卻介質(zhì)余熱是指在工業(yè)生產(chǎn)中為了保護高溫生產(chǎn)設(shè)備或滿足工藝流程冷卻要求，空氣、水和油等冷卻介質(zhì)帶走的余熱，多屬于中低溫余熱，余熱量占工業(yè)余熱資源總量的20%。廢水廢汽余熱是一種低品位的蒸汽或凝結(jié)水余熱，約占余熱資源總量的10% ～16%; 化學(xué)反應(yīng)余熱占余熱資源總量的10% 以下，主要存在于化工行業(yè); 高溫產(chǎn)品和爐渣余熱主要指坯料、焦炭、熔渣等的顯熱，石化行業(yè)油、氣產(chǎn)品的顯熱等; 可燃廢氣、廢料余熱是指生產(chǎn)過程的排氣、排液和排渣中含有可燃成分，如冶金行業(yè)的高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣等。

 

  雖然余熱資源來源廣泛、溫度范圍廣、存在形式多樣，但從余熱利用角度看，余熱資源一般具有以下共同點: 由于工藝生產(chǎn)過程中存在周期性、間斷性或生產(chǎn)波動，導(dǎo)致余熱量不穩(wěn)定; 余熱介質(zhì)性質(zhì)惡劣，如煙氣中含塵量大或含有腐蝕性物質(zhì); 余熱利用裝置受場地、原生產(chǎn)等固有條件限制。

 

  因此工業(yè)余熱資源利用系統(tǒng)或設(shè)備運行環(huán)境相對惡劣，要求有寬且穩(wěn)定的運行范圍，能適應(yīng)多變的生產(chǎn)工藝要求，設(shè)備部件可靠性高，初期投入成本高，從經(jīng)濟性出發(fā)，需要結(jié)合工藝生產(chǎn)進行系統(tǒng)整體的設(shè)計布置，綜合利用能量，以提高余熱利用系統(tǒng)設(shè)備的效率。

 

  2 工業(yè)余熱利用技術(shù)

 

  余熱溫度范圍廣、能量載體的形式多樣，又由于所處環(huán)境和工藝流程不同及場地的固有條件的限制，生產(chǎn)生活的需求，設(shè)備型式多樣，如有空氣預(yù)熱器，窯爐蓄熱室，余熱鍋爐，低溫汽輪機等。常見的工業(yè)余熱回收利用方式，有多種分類方式，根據(jù)余熱資源在利用過程中能量的傳遞或轉(zhuǎn)換特點，可以將國內(nèi)目前的工業(yè)余熱利用技術(shù)分為熱交換技術(shù)、熱功轉(zhuǎn)換技術(shù)、余熱制冷制熱技術(shù)。

 

  2． 1 熱交換技術(shù)

 

  余熱回收應(yīng)優(yōu)先用于本系統(tǒng)設(shè)備或本工藝流程，降低一次能源消耗，盡量減少能量轉(zhuǎn)換次數(shù)，因此工業(yè)中常常通過空氣預(yù)熱器、回?zé)崞?、加熱器等各種換熱器回收余熱加熱助燃空氣、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?qū)⒏邷責(zé)煔馔ㄟ^余熱鍋爐或汽化冷卻器生成蒸汽熱水，用于工藝流程。這一類技術(shù)設(shè)備對余熱的利用不改變余熱能量的形式，只是通過換熱設(shè)備將余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(tǒng)稱為熱交換技術(shù)，這是回收工業(yè)余熱最直接、效率較高的經(jīng)濟方法，相對應(yīng)的設(shè)備是各種換熱器，既有傳統(tǒng)的各種結(jié)構(gòu)的換熱器、熱管換熱器，也有余熱蒸汽發(fā)生器( 余熱鍋爐) 等。

 

  2． 1． 1 間壁式換熱器

 

  工業(yè)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(yè)余熱回收的常用設(shè)備，混合式換熱器是依靠冷熱流體直接接觸或混合來實現(xiàn)傳遞熱量，如工業(yè)生產(chǎn)中的冷卻塔、洗滌塔、氣壓冷凝器等，在余熱回收中并不常見。

 

  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于其它類型換熱器，但它具有結(jié)構(gòu)堅固、適用彈性大和材料范圍廣的特點，是工業(yè)余熱回收中應(yīng)用最廣泛的熱交換設(shè)備。冶金企業(yè)40% 的換熱器設(shè)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℃［4］。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，其傳熱系數(shù)約為管殼式的二倍，傳熱效率高,結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省材料等。在冶金行業(yè)的聯(lián)合、中小企業(yè)多采用板式換熱器預(yù)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℃［4］。但由于板式換熱器使用溫度、壓力比管式換熱器的限制大，應(yīng)用范圍受到限制。對于各種工業(yè)爐窯的高溫?zé)煔?，還常采用塊孔式換熱器、空氣冷卻器和同流熱交換器等。其中同流換熱器屬于氣－ 氣熱交換器，主要有輻射式和對流式兩類，應(yīng)用較為廣泛，多用在均熱爐、加熱爐等設(shè)備上回收煙氣余熱，預(yù)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%［5］。

 

  2． 1． 2 蓄熱式熱交換器

 

  蓄熱式熱交換設(shè)備是冷熱流體交替流過蓄熱元件進行熱量交換，屬于間歇操作的換熱設(shè)備，適宜回收間歇排放的余熱資源，多用于高溫氣體介質(zhì)間的熱交換，如加熱空氣或物料等。

 

  根據(jù)蓄熱介質(zhì)和熱能儲存形式的不同，蓄熱式熱交換系統(tǒng)可分為顯熱儲能和相變潛熱儲能。顯熱儲能的系統(tǒng)在工業(yè)中應(yīng)用已久，簡單換熱設(shè)備如常見的回轉(zhuǎn)式換熱器; 復(fù)雜設(shè)備如煉鐵高爐的蓄熱式熱風(fēng)爐、玻璃熔爐的蓄熱室。由于顯熱儲能熱交換設(shè)備儲能密度低、體積龐大、蓄熱不能恒溫等缺點，在工業(yè)余熱回收中具有局限性。相變潛熱儲能換熱設(shè)備利用蓄熱材料固有熱容和相變潛熱儲存?zhèn)鬟f能量，具有高出顯熱儲能設(shè)備至少一個數(shù)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(shè)備比傳統(tǒng)蓄熱設(shè)備體積減少30% ～ 50%。

 

  此外，熱量輸出穩(wěn)定，換熱介質(zhì)溫度基本恒定，使換熱系統(tǒng)運行狀態(tài)穩(wěn)定是此類相變潛熱儲能換熱設(shè)備的另一優(yōu)點。相變儲能材料根據(jù)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、堿、金屬及合金、氧化物等和陶瓷基體或金屬基體復(fù)合制成，適合于450 ～ 1100℃及以上的高溫余熱回收，應(yīng)用較為廣泛; 后者主要是結(jié)晶水合鹽或有機物，適合用于低溫余熱回收。

 

  2． 1． 3 基于熱管的換熱設(shè)備

 

  熱管是一種高效的導(dǎo)熱元件，通過在全封閉真空管內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā)和凝結(jié)的相變過程和二次間壁換熱來傳遞熱量，屬于將儲熱和換熱裝置合二為一的相變儲能換熱裝置。熱管導(dǎo)熱性優(yōu)良，傳熱系數(shù)比傳統(tǒng)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(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠距離傳熱、無外加輔助動力設(shè)備等一系列優(yōu)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(jù)不同的使用溫度選定相應(yīng)的管材和工質(zhì)。其中碳鋼－ 水重力熱管的結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、制造方便、易于推廣，使得此類熱管得到了廣泛的應(yīng)用。實際應(yīng)用中用于工業(yè)余熱回收的熱管使用溫度在50 ～ 400℃之間，用于干燥爐、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(yù)熱器。

 

  2． 1． 4 余熱鍋爐

 

  采用蒸汽發(fā)生器，即余熱鍋爐回收余熱是提高能源利用率的重要手段，冶金行業(yè)近80% 的煙氣余熱是通過余熱鍋爐回收，節(jié)能效果顯著。

 

  余熱鍋爐中不發(fā)生燃燒過程，從本質(zhì)上講只是一個氣－ 水/蒸汽的換熱器，可利用高溫?zé)煔庥酂?、化學(xué)反應(yīng)余熱、可燃?xì)怏w余熱以及高溫產(chǎn)品余熱等，生產(chǎn)高壓、中壓或低壓蒸汽或熱水，用于工藝流程或進入管網(wǎng)供熱。同時，余熱鍋爐是低溫汽輪機發(fā)電系統(tǒng)中的重要設(shè)備，為汽輪機等動力機械提供做功蒸汽工質(zhì)。

 

  實際應(yīng)用中，利用350 ～ 1 000℃高溫?zé)煔獾挠酂徨仩t居多，和燃煤鍋爐的運行溫度相比，屬于低溫爐，效率較低。由于余熱煙氣含塵量大，含有較多腐蝕性物質(zhì)，更易造成鍋爐積灰、腐蝕、磨損等問題，因此防積灰、磨損是設(shè)計余熱鍋爐的關(guān)鍵。直通式爐型、大容積的空腔輻射冷卻室、設(shè)置的密封爐墻、除塵室、大量振打吹灰裝置都是余熱鍋爐為解決積灰、磨損問題在結(jié)構(gòu)上的考慮。另外由于受工藝生產(chǎn)場地空間限制，余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(jié)能減排工作的推進，國內(nèi)主要余熱鍋爐設(shè)計制造企業(yè)獲得加速發(fā)展，余熱鍋爐為適應(yīng)工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)能調(diào)整和增長，朝著大型化、高參數(shù)方向發(fā)展，如有色冶金行業(yè)蒸發(fā)量50 t /h、工作壓力4. 2 MPa 的余熱鍋爐，或鋼鐵冶金行業(yè)蒸發(fā)量達100t /h，工作壓力12. 5 MPa 的干熄焦余熱鍋爐。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(huán)方式、受熱面結(jié)構(gòu)、鍋爐內(nèi)煙氣流道及清灰方式等方面進行改造、革新是余熱鍋爐技術(shù)進步的內(nèi)容。

 

  2． 2 熱功轉(zhuǎn)換技術(shù)

 

  熱交換技術(shù)通過降低溫度品位仍以熱能的形式回收余熱資源，是一種降級利用，不能滿足工藝流程或企業(yè)內(nèi)外電力消耗的需求。此外，對于大量存在的中低溫余熱資源，若采用熱交換技術(shù)回收，經(jīng)濟性差或者回收熱量無法用于本工藝流程，效益不顯著。

 

  因此，利用熱功轉(zhuǎn)換技術(shù)提高余熱的品位是回收工業(yè)余熱的又一重要技術(shù)。

 

  按照工質(zhì)分類，熱功轉(zhuǎn)換技術(shù)可分為傳統(tǒng)的以水為工質(zhì)的蒸汽透平發(fā)電技術(shù)和以低沸點工質(zhì)的有機工質(zhì)發(fā)電技術(shù)。由于工質(zhì)特性顯著不同，相應(yīng)的余熱回收系統(tǒng)及設(shè)備組成也各具特點。目前主要的工業(yè)應(yīng)用以水為工質(zhì)，以余熱鍋爐+ 蒸汽透平或者膨脹機所組成的低溫汽輪機發(fā)電系統(tǒng)。相對于常規(guī)火力發(fā)電技術(shù)參數(shù)而言，低溫汽輪機發(fā)電機組利用的余熱溫度低、參數(shù)低、功率小，在行業(yè)內(nèi)多被稱為低溫余熱汽輪機發(fā)電技術(shù)，新型干法水泥窯低溫余熱發(fā)電技術(shù)是典型的中低溫參數(shù)的低溫汽輪機發(fā)電技術(shù)。

 

  低溫汽輪機機發(fā)電可利用的余熱資源主要是大于350℃的中高溫?zé)煔猓鐭Y(jié)窯爐煙氣，玻璃、水泥等建材行業(yè)爐窯煙氣或經(jīng)一次利用后降溫到400～ 600℃的煙氣，單機功率在幾兆瓦到幾十兆瓦，如鋼鐵行業(yè)氧氣轉(zhuǎn)爐余熱發(fā)電、燒結(jié)余熱發(fā)電，焦化行業(yè)干熄焦余熱發(fā)電、水泥行業(yè)低溫余熱發(fā)電，玻璃、制陶制磚等建材爐窯煙氣余熱發(fā)電等多種余熱發(fā)電形式。但從余熱資源的溫度范圍來看，該技術(shù)利用的中高溫余熱，屬于中高溫余熱發(fā)電技術(shù)。

 

  此外，通過余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，除用于生產(chǎn)生活，還有大量剩余常被放散。目前利用這類低壓飽和蒸汽發(fā)電或拖動的技術(shù)主要是采用螺桿膨脹動力機技術(shù)。該技術(shù)具有以下特點: 可用多種熱源工質(zhì)作為動力源，適用于過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽液兩相混合物，也適用于煙氣、含污熱水、熱液體等; 結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，壽命長，振動小; 機內(nèi)流速低，除泄露損失外，其他能量損失少，效率高; 雙轉(zhuǎn)子非接觸式的特性，運轉(zhuǎn)時形成剪切效應(yīng)具有自清潔功能、自除垢能力。螺桿膨脹動力機屬于容積式膨脹機，受膨脹能力限制，直接驅(qū)動螺桿膨脹動力機的熱源應(yīng)用范圍為小于300℃的0. 15 ～ 3. 0 MPa 的蒸汽或壓力0. 8MPa 以上，高于170℃的熱水等，由于結(jié)構(gòu)特點，因此螺桿膨脹動力機單機功率受限，多數(shù)在1 000 kW以下，主要用于余熱規(guī)模較小的場合。

 

  2． 3 制冷制熱技術(shù)

 

  2． 3． 1 余熱制冷技術(shù)

 

  與傳統(tǒng)壓縮式制冷機組相比，吸收式或吸附式制冷系統(tǒng)可利用廉價能源和低品位熱能而避免電耗，解決電力供應(yīng)不足; 采用天然制冷劑，不含對臭氧層有破壞的CFC 類物質(zhì)，具有顯著的節(jié)電能力和環(huán)保效益，在20 世紀(jì)末得到了廣泛的推廣應(yīng)用。

 

  吸收式和吸附式制冷技術(shù)的熱力循環(huán)特性十分相近，均遵循“發(fā)生( 解析) － 冷凝－ 蒸發(fā)－ 吸收( 吸附) ”的循環(huán)過程，但吸收式制冷的吸收物質(zhì)為流動性良好的液體，制冷工質(zhì)為氨－ 水、溴化鋰水溶液等，其發(fā)生和吸收過程通過發(fā)生器和吸收器實現(xiàn); 吸附式制冷吸附劑一般為固體介質(zhì)，吸附方式分為物理吸附和化學(xué)吸附，常使用分子篩－ 水、氯化鈣－ 氨等工質(zhì)對，解析和吸附過程通過吸附器實現(xiàn)。

 

  以溴化鋰水溶液為工質(zhì)的吸收式制冷系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛，一般可利用80 ～ 250℃范圍的低溫熱源，但由于用水做制冷劑，只能制取0℃或5℃以上的冷媒溫度，多用于空氣調(diào)節(jié)或工業(yè)用冷凍水，其性能系數(shù)COP 因制冷工質(zhì)對熱物性和熱力系統(tǒng)循環(huán)方式的不同而有很大變化，實際應(yīng)用的機組COP 多不超過2，遠低于壓縮式制冷系統(tǒng)，但是此類機組可以利用低溫工業(yè)余熱、太陽能、地?zé)?/a>等低品位熱能，不消耗高品質(zhì)電能，而在工業(yè)余熱利用方面有一定優(yōu)勢。

  吸附式制冷機的制冷工質(zhì)對種類很多，包括物理吸附工質(zhì)對、化學(xué)吸附工質(zhì)對和復(fù)合吸附工質(zhì)對，適用的熱源溫度范圍大，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(jié)晶以及對金屬的腐蝕等問題。吸附式制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，無噪音，無污染，可用于顛簸震蕩場合，如汽車、船舶，但制冷效率相對低，常用的制冷系統(tǒng)性能系數(shù)多在0． 7 以下，受限于制造工藝，制冷量小，一般在幾百千瓦以下，更適合利用小熱量余熱回收，或用于冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。

 

  2． 3． 2 熱泵技術(shù)

 

  工業(yè)生產(chǎn)中存在大量略高于環(huán)境溫度的廢熱( 30 ～ 60℃) ，如工業(yè)沖渣水、冷卻廢水、火電廠循環(huán)水、油田廢水、低溫的煙氣、水汽等，溫度很低，但余熱量大，( 水源) 熱泵技術(shù)常被用于回收此類余熱資源。

 

  熱泵以消耗一部分高質(zhì)能( 電能、機械能或高溫?zé)崮? 作為補償，通過制冷機熱力循環(huán)，把低溫余熱源的熱量“泵送”到高溫?zé)崦剑?0℃及以上的熱水，可滿足工農(nóng)商業(yè)的蒸餾濃縮、干燥制熱或建筑物采暖等對熱水的需求。目前，熱泵機組的供熱系數(shù)在3 ～ 5 之間，即消耗1 kW 電能，可制得3 ～ 5 kW熱量，在一定條件環(huán)境下是利用略高于環(huán)境溫度廢水余熱的經(jīng)濟可行的技術(shù)。

 

  當(dāng)前研制生產(chǎn)的大都是壓縮式熱泵，中型熱泵正在開發(fā)，大型熱泵尚屬空白。壓縮式熱泵中以水源熱泵技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，可用于火電廠/核電廠循環(huán)水余熱、印染、輪胎制造、油田、制藥等行業(yè)的余熱回收。例如，電廠以循環(huán)水或工藝產(chǎn)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(jié)能降耗的目的。

 

  2． 4 小結(jié)

 

  綜上所述，余熱利用的技術(shù)設(shè)備種類繁多，但都有一定的適用條件，應(yīng)當(dāng)根據(jù)工業(yè)余熱溫度、余熱量，結(jié)合生產(chǎn)條件、工藝流程、內(nèi)外能量需求，選擇合適的余熱利用方式。

 

  目前國內(nèi)各主要余熱資源都有可選的回收利用技術(shù)或設(shè)備，這些技術(shù)在原理上和國外余熱利用技術(shù)并無本質(zhì)差別，基本上都是通過上文所述的熱交換技術(shù)、熱功轉(zhuǎn)換技術(shù)、制冷制熱技術(shù)進行余熱利用。但由于國外余熱回收技術(shù)已基本成熟，其設(shè)備性能優(yōu)良，應(yīng)用廣泛，極大地提高了能源利用率。而國內(nèi)，高、中溫余熱利用技術(shù)設(shè)備未得到有效推廣普及，低溫余熱由于相應(yīng)的利用技術(shù)不成熟基本被廢棄，造成余熱整體利用率低。其中被廢棄的200℃甚至300℃以下的低溫工業(yè)余熱雖然品位低、利用技術(shù)難度高，但具有很大比例的余熱能量，如在石化行業(yè)可達80%。對于此類低溫工業(yè)余熱，基于有機朗肯循環(huán)ORC 的熱力發(fā)電系統(tǒng)是有效、經(jīng)濟的利用工業(yè)低溫?zé)崮艿募夹g(shù)。

 

  3 基于有機介質(zhì)的低溫工業(yè)余熱發(fā)電技術(shù)

 

  3． 1 低溫有機朗肯循環(huán)

 

  對于工業(yè)中大量廢棄的200℃，甚至300℃以下的低溫余熱，目前無法利用蒸汽/熱水閃蒸系統(tǒng)進行有效回收，更適宜采用經(jīng)濟可行的有機朗肯循環(huán)余熱發(fā)電技術(shù)。

 

  基于有機介質(zhì)的低溫工業(yè)余熱發(fā)電技術(shù)屬于熱功轉(zhuǎn)換技術(shù)，如有機工質(zhì)朗肯循環(huán)、Kalina 循環(huán)。有機朗肯循環(huán)( Organic Rankine Cycle，簡稱ORC) 是以低沸點有機物為工質(zhì)的朗肯循環(huán)，其系統(tǒng)組成及原理示意如圖1 所示，與常規(guī)的蒸汽發(fā)電裝置的熱力循環(huán)原理相同，只是循環(huán)工質(zhì)不同而已，系統(tǒng)更簡單緊湊。采用這種發(fā)電方式對低溫范圍余熱利用有顯著優(yōu)點，余熱物流與工質(zhì)不直接接觸，有機工質(zhì)蒸汽比容小，管道尺寸小，透平通流面積小，單位體積的功率可以較大，非常適宜用于低溫余熱回收。若選擇適宜的有機工質(zhì)，如干流體和等熵流體，可不設(shè)置過熱器，降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，直接將飽和的有機工質(zhì)蒸汽送入透平膨脹做功后，在透平出口仍是干蒸汽，也不會對透平產(chǎn)生液滴侵蝕。

 

  有機工質(zhì)的選取是有機朗肯循環(huán)余熱發(fā)電技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。通常要求工質(zhì)應(yīng)滿足: ( 1) 發(fā)電性能好，即在相同蒸發(fā)溫度和冷凝溫度下，絕熱焓降大;( 2) 傳熱性能好，在相同條件下，換熱系數(shù)大; ( 3) 工質(zhì)臨界參數(shù)、常壓下沸點等熱物理性質(zhì)適宜; ( 4) 化學(xué)穩(wěn)定性好、不分解、腐蝕性小、毒性小、環(huán)保、不易燃易爆; ( 5) 經(jīng)濟性好，既來源豐富，價格低。但是在實際應(yīng)用中，工質(zhì)很難同時滿足上述全部條件，而且隨著國際上對有機工質(zhì)環(huán)保要求的日益提高，可用工質(zhì)不斷更新，因此根據(jù)熱源類型及溫度品位，綜合考慮。采用不同有機工質(zhì)( 或者有機工質(zhì)的混合物) ，可回收不同溫度范圍的低溫?zé)崮埽到y(tǒng)簡單，運行維護成本低，系統(tǒng)組成示意如圖1 所示。所選用的工質(zhì)熱物性有所差異，導(dǎo)致其熱力循環(huán)特征有所不同，相應(yīng)的熱力發(fā)電系統(tǒng)也各具特點.

 

  有機朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備中，熱交換器、泵與管路閥門等的設(shè)計制造可參考化工、制冷行業(yè)的熱交換設(shè)備，發(fā)電機是系列產(chǎn)品，僅透平膨脹機的選型設(shè)計以及密封技術(shù)需要區(qū)別對待，進行非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。

 

  常用的透平膨脹機有多級軸流透平，適用于溫度較高、工質(zhì)流量大、總焓降大、容量大的情況下，但相對內(nèi)效率相對低，工藝較復(fù)雜; 徑流式透平相對內(nèi)效率相對高，結(jié)構(gòu)緊湊、工藝制造簡單，但單機容量小，在國外余熱利用中有很多應(yīng)用實例，適用于余熱回收量較小的情況。

 

  目前，國外ORC 技術(shù)已成功商業(yè)化，涌現(xiàn)出許多ORC 設(shè)計與制造廠商，如美國ORMAT 公司、意大利Turboden、德國GMK 公司等，普惠、GE、三菱等著名葉輪機械設(shè)計制造企業(yè)也成立了專門的ORC公司。目前，國外ORC 技術(shù)的應(yīng)用已從工業(yè)余熱回收轉(zhuǎn)向地?zé)?/a>、太陽能、生物質(zhì)等低品位能源。

 

  我國對ORC 系統(tǒng)的研究應(yīng)用起步晚，目前在ORC 回收低溫工業(yè)余熱的應(yīng)用尚數(shù)空白。近年來，浙江大學(xué)、中南大學(xué)、清華大學(xué)等科研單位對有機工質(zhì)、熱力循環(huán)、進行了一定理論或小型實驗研究。

 

  2008 年以來，清華大學(xué)和杭州中能汽輪動力有限公司聯(lián)合開展對ORC 工業(yè)余熱發(fā)電系統(tǒng)的工程應(yīng)用研究和關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，建立有機朗肯循環(huán)熱力設(shè)計系統(tǒng)和相應(yīng)的透平設(shè)計系統(tǒng)，在工質(zhì)選取、熱力系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化、有機工質(zhì)透平設(shè)計，并進行系統(tǒng)變工況性能分析，將ORC 工業(yè)低溫余熱技術(shù)積極向工程應(yīng)用階段推進。

 

  3． 2 Kalina 循環(huán)

 

  純工質(zhì)有機朗肯循環(huán)，由于工質(zhì)的等溫蒸發(fā)吸熱過程與實際的變溫低溫?zé)嵩磁浜喜痪o密，換熱平均溫差大，不可逆損失較大。為了減小換熱不可逆損失，對純工質(zhì)有機物朗肯循環(huán)提出了幾種改進的方法，如混合工質(zhì)循環(huán)、Kalina 循環(huán)等。Kalina 循環(huán)是以氨水混合物為工質(zhì)的循環(huán)系統(tǒng)，最簡單的熱力循環(huán)是一級蒸餾循環(huán)，基本流程如圖2 所示［14］，即一定濃度的氨水溶液經(jīng)過水泵加壓、預(yù)熱器升溫之后，進入余熱鍋爐蒸發(fā)，形成過熱氨水蒸汽進入透平膨脹做功，然后利用復(fù)雜的蒸餾冷卻子系統(tǒng)解決氨水混合物冷凝問題，使透平乏汽重新形成一定濃度的工質(zhì)溶液，再到達給水泵，完成一個循環(huán)。

 

  Kalina 循環(huán)在蒸發(fā)過程中工質(zhì)等壓變溫蒸發(fā)，減少工質(zhì)吸熱過程的不可逆性，而又因為冷凝過程中的基本工質(zhì)含氨低，克服了混合工質(zhì)有機朗肯循環(huán)冷凝損失大的弱點。有理論分析，Kalina 循環(huán)比純工質(zhì)的ORC 循環(huán)系統(tǒng)性能高出15% 以上，但在實際運行中，由于氨水混合工質(zhì)蒸發(fā)過程的復(fù)雜性以及系統(tǒng)的復(fù)雜性等因素，Kalina 循環(huán)并未表現(xiàn)出非常高的性能。

 

  研究表明，在中低溫余熱回收利用中，針對不同類型的余熱類型，Kalina 循環(huán)和朗肯循環(huán)在余熱回收利用各方面各有優(yōu)勢，對于溫度和流量一定、余熱回收利用后以一定的溫度排出，用于生產(chǎn)過程的余熱源，有機朗肯循環(huán)低溫余熱回收系統(tǒng)更具有優(yōu)勢。

 

  4 結(jié)語

 

  節(jié)能減排、提高能源利用率是我國能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。我國工業(yè)余熱資源豐富，回收利用工業(yè)余熱是節(jié)能減排工作的重點。

 

  按照余熱能量的傳遞轉(zhuǎn)換過程，可將國內(nèi)目前余熱利用技術(shù)分為熱交換技術(shù)、熱功轉(zhuǎn)換技術(shù)和余熱制冷制熱技術(shù)。與熱交換技術(shù)相對應(yīng)的設(shè)備有各種換熱器、熱管、余熱蒸汽發(fā)生器( 余熱鍋爐) 等，基本適用于各種溫度水平的余熱回收，但只能對余熱進行熱利用，用途受到限制。熱功轉(zhuǎn)換技術(shù)難度較大，系統(tǒng)復(fù)雜，但可將余熱回收轉(zhuǎn)換為電功，便于輸送和使用，主要有余熱鍋爐－ 低溫汽輪機發(fā)電技術(shù)，適用于利用大于350℃中高溫余熱，以干熄焦發(fā)電技術(shù)和水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)為典型代表; 余熱制冷制熱技術(shù)有可利用250℃以下余熱的吸收式制冷技術(shù)、可利用30 ～ 60℃余熱的熱泵技術(shù)，但其用途需求有限，只能用于一般的生產(chǎn)或生活制冷制熱，對余熱的回收能力有限。

 

  當(dāng)前中高溫余熱利用技術(shù)普及率不高，低溫余熱未被利用是我國余熱利用率低的原因之一。因此，推進工業(yè)節(jié)能減排工作，一方面要進一步推廣普及中高溫余熱利用技術(shù)，尤其是提高中小型企業(yè)余熱利用率，要推進余熱利用技術(shù)與工藝節(jié)能相結(jié)合，從整個工藝系統(tǒng)分析能源的供給需求，優(yōu)化工藝系統(tǒng)及其相應(yīng)的余熱利用技術(shù)。另一方面，從技術(shù)發(fā)展看，低溫有機朗肯循環(huán)技術(shù)是利用低溫工業(yè)余熱、地?zé)?/a>、太陽能的經(jīng)濟有效方案，但國內(nèi)未掌握該技術(shù)，因此強化研究有機朗肯循環(huán)等低溫余熱發(fā)電技術(shù)，并積極進行工程應(yīng)用推廣，對提高低品位余熱利用率會起到重要作用。

 

  4 結(jié)論

 

  通過上述實驗和分析，我們得到如下結(jié)論:

 

  ( 1) 變物性會使得凸起熱源附近的熱分布區(qū)域有明顯的減小，并且熱分布區(qū)域隨著Gr 數(shù)的增加而更貼近熱源塊。

 

  ( 2) 由于變物性的引入，相比于常物性和Boussinesq 假設(shè)，流線分布變得更均勻，且通道內(nèi)的引入質(zhì)量流速變大。

 

  ( 3) 當(dāng)Gr ＜ 7. 5 × 104 時，考慮變物性對復(fù)雜通道內(nèi)最大溫度和平均Nu 數(shù)的影響不大，而當(dāng)Gr ＞7. 5 × 104 時，需要考慮變物性對換熱的影響。