我国工业余热回收利用技术综述

我国工业余热回收利用技术综述

杨利民

石家庄良村热电有限公司 河北省石家庄市 052160

摘要：节能是继煤炭、天然气及石油、水电、核能之后的又一重要能源，在我国日益紧张的能源形势中发挥着不可替代的作用，且节能作为一种清洁能源，对缓解工业发展带来的环境污染问题，更有着不可磨灭的功绩。节能工作渗透在生产生活的方方面面，其中工业余热利用就是节能工作中非常重要的一部分。

关键词：工业余热；回收利用技术；

前言：能源是经济发展和社会进步的重要物质基础。它不仅是国民经济发展的动力，也是衡量一个国家综合国力和人民生活水平以及国家文明发达程度的重要指标。保证稳定的能源，过去是、现在是、将来仍然是每个国家发展战略的重中之重。随着经济发展速度的加快，能源消耗量迅速增大，能源利用方式不断改进和深化。

一、工业余热资源特点

余热资源属于二次能源，是一次能源或可燃物料转换后的产物，或是燃料燃烧过程中所发出的热量在完成某一工艺过程后所剩下的热量。按照温度品位，工业余热一般分为600℃以上的高温余热，300～600℃的中温余热和300℃以下的低温余热三种；按照来源，工业余热又可被分为：烟气余热，冷却介质余热，废汽废水余热，化学反应热，高温产品和炉渣余热，以及可燃废气、废料余热口J。具体来说，烟气余热量大，温度分布范围宽，占工业余热资源总量的50％以上，分布广泛，如冶金、化工、建材、机械、电力等行业，各种冶炼炉、加热炉、内燃机和锅炉的排气排烟，而且有些工业窑炉的烟气余热量甚至高达炉窑本身燃料消耗量的30％一60％，节能潜力大，是余热利用的主要对象。虽然余热资源来源广泛、温度范围广、存在形式多样，但从余热利用角度看，余热资源一般具有以下共同点：由于工艺生产过程中存在周期性、间断性或生产波动，导致余热量不稳定；余热介质性质恶劣，如烟气中含尘量大或含有腐蚀性物质；余热利用装置受场地、原生产等同有条件限制。因此工业余热资源利用系统或设备运行环境相对恶劣，要求有宽且稳定的运行范围，能适应多变的生产工艺要求，设备部件可靠性高，初期投入成本高，从经济性出发，需要结合工艺生产进行系统整体的设计布置，综合利用能量，以提高余热利用系统设备的效率。

二、我国工业余热回收利用技术

1.热交换技术。余热回收应优先用于本系统设备或本工艺流程，降低一次能源消耗，尽量减少能量转换次数，因此工业中常常通过空气预热器、回热器、加热器等各种换热器回收余热加热助燃空气、燃料(气)、物料或工件等，提高炉窑性能和热效率，降低燃料消耗，减少烟气排放；或将高温烟气通过余热锅炉或汽化冷却器生成蒸汽热水，用于工艺流程。这一类技术设备对余热的利用不改变余热能量的形式，只是通过换热设备将余热能量直接传递给自身工艺的耗能流程，降低一次能源消耗，可统称为热交换技术，这是回收工业余热最直接、效率较高的经济方法，相对应的设备是各种换热器，既有传统的各种结构的换热器、热管换热器，也有余热蒸汽发生器(余热锅炉)等。工业用的换热器按照换热原理基本分为间壁式换热器、混合式换热器和蓄热式换热器。其中间壁式和蓄热式是工业余热回收的常用设备，混合式换热器是依靠冷热流体直接接触或混合来实现传递热量，如工业生产中的冷却塔、洗涤塔、气压冷凝器等，在余热回收中并不常见。间壁式换热器主要有管式、板式及同流换热器等几类，管式换热器虽然在热效率较低，平均在26％一30％，紧凑性和金属耗材等方面也逊色于其它类型换热器，但它具有结构坚固、适用弹性大和材料范围广的特点，是工业余热回收中应用最广泛的热交换设备。其中碳钢一水重力热管的结构简单、价格低廉、制造方便、易于推广，使得此类热管得到了广泛的应用。实际应用中用于工业余热回收的热管使用温度在50～400℃之间，用于干燥炉、固化炉和烘炉等的热回收或废蒸汽的回收，以及锅炉或炉窑的空气预热器。

2．余热锅炉。采用蒸汽发生器，即余热锅炉回收余热是提高能源利用率的重要手段，冶金行业近80％的烟气余热是通过余热锅炉回收，节能效果显著。余热锅炉中不发生燃烧过程，从本质上讲只是一个气一柑蒸汽的换热器，可利用高温烟气余热、化学反应余热、可燃气体余热以及高温产品余热等，生产高压、中压或低压蒸汽或热水，用于工艺流程或进入管网供热。同时，余热锅炉是低温汽轮机发电系统中的重要设备，为汽轮机等动力机械提供做功蒸汽工质。实际应用中，利用350—1000℃高温烟气的余热锅炉居多，和燃煤锅炉的运行温度相比，属于低温炉，效率较低。由于余热烟气含尘量大，含有较多腐蚀性物质，更易造成锅炉积灰、腐蚀、磨损等问题，因此防积灰、磨损是设计余热锅炉的关键。直通式炉型、大容积的空腔辐射冷却室、设置的密封炉墙、除尘室、大量振打吹灰装置都是余热锅炉为解决积灰、磨损问题在结构上的考虑。另外由于受工艺生产场地空间限制，余热锅炉把换热部件分散安装在工艺流程各部位，而不是像普通锅炉一样组装成一体。

3.制冷制热技术。与传统压缩式制冷机组相比，吸收式或吸附式制冷系统可利用廉价能源和低品位热能而避免电耗，解决电力供应不足；采用天然制冷剂，不含对臭氧层有破坏的CFC类物质，具有显著的节电能力和环保效益，在20世纪末得到了广泛的推广应用。吸收式和吸附式制冷技术的热力循环特性十分相近，均遵循“发生(解析)一冷凝一蒸发一吸收(吸附)”的循环过程，但吸收式制冷的吸收物质为流动性良好的液体，制冷工质为氨一水、溴化锂水溶液等，其发生和吸收过程通过发生器和吸收器实现；吸附式制冷吸附剂一般为同体介质，吸附方式分为物理吸附和化学吸附，常使用分子筛一水、氯化钙一氨等工质对，解析和吸附过程通过吸附器实现。以溴化锂水溶液为工质的吸收式制冷系统应用最广泛，一般可利用80～250℃范围的低温热源，但由于用水做制冷剂，只能制取O℃或5℃以上的冷媒温度，多用于空气调节或工业用冷冻水，其性能系数COP因制冷工质对热物性和热力系统循环方式的不同而有很大变化，实际应用的机组COP多不超过2，远低于压缩式制冷系统，但是此类机组可以利用低温工业余热、太阳能、地热等低品位热能，不消耗高品质电能，而在工业余热利用方面有一定优势。吸收式余热制冷机组制冷效率高，适用于大规模热量的余热回收，制冷量小可到几十千瓦，高可达几兆瓦，在国内已获得大规模应用，技术成熟，产品的规格和种类齐全。吸附式制冷机的制冷工质对种类很多，包括物理吸附工质对、化学吸附工质对和复合吸附工质对，适用的热源温度范围大，可利用低达50℃的热源，而且不需要溶液泵或精馏装置，也不存在制冷机污染、盐溶液结晶以及对金属的腐蚀等问题。吸附式制冷系统结构简单，无噪音，无污染，可用于颠簸震荡场合，如汽车、船舶，但制冷效率相对低，常用的制冷系统性能系数多在0.7以下，受限于制造工艺，制冷量小，一般在几百千瓦以下，更适合利用小热量余热回收，或用于冷热电联产系统。

结束语：低温余热由于相应的利用技术不成熟基本被废弃，造成余热整体利用率低。其中被废弃的200℃甚至300℃以下的低温工业余热虽然品位低、利用技术难度高，但具有很大比例的余热能量，如在石化行业可达80％。对于此类低温工业余热，基于有机朗肯循环ORC的热力发电系统是有效、经济的利用工业低温热能的技术。

参考文献：

[1]王维兴．钢铁工业的节能潜力分析[J]．冶金能源，2019，(3)．

[2]李洪福，温燕明，孙德民．钢铁企业用电自给可行性探讨[J]．钢铁，2019，(1)．