余熱回收利用是指將工業(yè)過程產(chǎn)生的余熱再次回收重新利用。主要技術(shù)包括熱交換技術(shù)、熱功轉(zhuǎn)換技術(shù)、余熱制冷制熱技術(shù)。

余熱回收利用

Waste Heat Utilization

特點

降低成本、節(jié)約資源

當(dāng)前，我國能源利用仍然存在著利用效率低、經(jīng)濟(jì)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(dá)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(dá) 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(jìn)我國節(jié)能減排工作的重要內(nèi)容[1]。

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(jī)械、電力等行業(yè)，各種冶煉爐、加熱爐、內(nèi)燃機(jī)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(dá)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(hù)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(jì)性出發(fā)，需要結(jié)合工藝生產(chǎn)進(jìn)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[1]。

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(jī)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)。

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(jì)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。

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(dá) 1 000℃ 以上，出口煙溫約 600℃，平均溫差約 300℃。

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(dá) 360℃。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(dá)1100℃ 以上，出口煙氣溫度亦高達(dá) 600℃ ，可將助燃空氣加熱到 400℃，助燃效果好; 溫度效率可達(dá) 40%以上，但熱回收率較低，平均在 26% ～ 35%。

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(jìn)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(jī)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(jī)物，適合用于低溫余熱回收。

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(yuǎn)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。

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。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(jìn)入管網(wǎng)供熱。同時，余熱鍋爐是低溫汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)中的重要設(shè)備，為汽輪機(jī)等動力機(jī)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(jìn)，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(dá) 100t / h，工作壓力 12. 5 MPa 的干熄焦余熱鍋爐。此外，進(jìn)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(jìn)行改造、革新是余熱鍋爐技術(shù)進(jìn)步的內(nèi)容。