低品位余熱資源利用方式的探討

文 // 謝正武 齊欣 中節(jié)能科技投資有限公司

低品位余熱資源利用方式的探討

文 // 謝正武 齊欣 中節(jié)能科技投資有限公司

近年來，我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的余熱資源，特別是高溫和中溫余熱資源利用取得顯著效果。但是，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的低溫余熱資源（低品味余熱資源）利用還有一定的差距，且行業(yè)內(nèi)不同企業(yè)之間也很不均衡。隨著節(jié)能工作的不斷深入，低溫余熱資源的利用日益成為節(jié)能工作的一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)，本文分析了低品味余熱資源的特點(diǎn)，總結(jié)了目前的利用方式和技術(shù)進(jìn)展。

1 余熱資源等級(jí)劃分

工業(yè)余熱主要指工業(yè)企業(yè)熱能轉(zhuǎn)換設(shè)備及用能設(shè)備在生產(chǎn)過程中排放的廢熱、廢水、廢氣等低品位能源。余熱資源普遍存在于鋼鐵、化工、石油、建材、輕工和食品等行業(yè)，這些行業(yè)都存在豐富的等級(jí)不同的余熱資源，利用余熱回收技術(shù)將這些低品位能源加以回收利用，是節(jié)能的重要手段之一。

按照余熱資源載體的溫度高低，可以把余熱資源按品味進(jìn)行劃分，溫度高則代表余熱資源的可做功能力高，即便是直接傳熱也可以方便利用，即是所謂“高品位余熱資源”。溫度低，則代表該余熱資源品味較低。余熱資源的等級(jí)劃分見表1。

現(xiàn)在工業(yè)企業(yè)中品味較高的高溫和中溫余熱資源絕大部分得到了很好的利用，對(duì)低品位余熱資源的利用也已經(jīng)進(jìn)行了不少探索。但是總的來說，低品位余熱資源的利用還處于起步階段。

2 低品位余熱資源的來源及利用難點(diǎn)

余熱資源的主要來源為：①煙氣的余熱；②高溫產(chǎn)品和爐渣的余熱；③冷卻介質(zhì)的余熱；④可燃廢氣、廢液和廢料的余熱；⑤廢汽、廢水余熱；⑥化學(xué)反應(yīng)余熱。

比較典型的低品位余熱資源有：①鍋爐（加熱爐）等排放的煙氣，一般在140～180℃；②高爐渣、煉鋼渣的沖渣水，溫度在60～90℃；③循環(huán)冷卻水，大部分在30～50℃；油田采出水，在30～60℃。

低品位余熱資源的利用難點(diǎn)在于：①大部分低品位余熱資源含有腐蝕性的物質(zhì)，對(duì)設(shè)備長(zhǎng)期安全運(yùn)行構(gòu)成不小的影響；②有的低品位余熱資源具有間歇性的特點(diǎn)，難于連續(xù)運(yùn)行；③由于品味較低，難以在現(xiàn)場(chǎng)附近尋找到合適的供熱（冷）負(fù)荷；④用于發(fā)電，效率較低，技術(shù)還有待成熟，經(jīng)濟(jì)效益偏低。

表1 余熱資源的品位劃分

3 低品位余熱資源的利用方式探討

低品位余熱資源的利用可以分為直接熱利用、制冷制熱和熱功轉(zhuǎn)換三種方式。

3.1 直接熱利用

熱交換技術(shù)設(shè)備對(duì)低溫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給自身工藝的耗能過程，是余熱回收直接高效的方法之一。由于低溫余熱資源溫度較低，需要找到合適的利用場(chǎng)合，還要考慮輸送過程中的損耗因素。

比較常見的有：循環(huán)水（油田采出水、高爐沖渣水等）用于采暖供熱、鍋爐煙氣用于余熱空氣（或給水）、加熱爐煙氣余熱用于加熱物料等。

宣鋼、首鋼、濟(jì)鋼、太鋼等企業(yè)都開展了高爐沖渣水用于居民采暖供熱的工程項(xiàng)目，取得了很好的節(jié)能效果。首鋼京唐鋼鐵公司將高爐沖渣水用于海水淡化，成功解決了低溫余熱回收裝置的全年長(zhǎng)期運(yùn)行問題，這是一種十分合理的利用方式。在電力行業(yè)中，國(guó)外最早是德國(guó)和日本開始使用鍋爐煙氣余熱回收裝置，國(guó)內(nèi)上海外高橋發(fā)電廠三期、大唐寧德電廠、上海漕涇電廠等都成功采用了鍋爐煙氣余熱回收裝置，提升了鍋爐運(yùn)行效率。北京市的部分鍋爐房，在燃用天然氣的鍋爐尾部煙道安裝低溫省煤器，降低了天然氣用量。有的油田也進(jìn)行了油田采出水供熱的嘗試。

3.2 制冷制熱

在直接熱交換沒有合適的利用場(chǎng)合的情況下，也可以將低溫余熱用于吸收式制冷或者熱泵制熱，改變余熱能量的等級(jí)。

清華大學(xué)和江蘇雙良分別開發(fā)了利用電廠循環(huán)水做熱泵的熱源，使用少量的抽汽作為驅(qū)動(dòng)能源，采用熱泵將循環(huán)水溫度提升到95℃以后送入城市供熱管網(wǎng)，節(jié)能效果顯著?；て髽I(yè)需要制冷的工藝裝置較多，利用溴化鋰吸收式制冷裝置，利用余熱作為熱源，制取冷量作為生產(chǎn)使用，也是非常合理的利用低溫余熱的節(jié)能措施。不過，一般來說，除了化工企業(yè)內(nèi)部能實(shí)現(xiàn)低溫余熱自用以外，其他企業(yè)的低溫余熱資源本企業(yè)內(nèi)部消化都有一定的難度，一般都需要和本企業(yè)以外的區(qū)域產(chǎn)生聯(lián)系，才能充分利用低品位余熱資源。

3.3 熱功轉(zhuǎn)換

熱功轉(zhuǎn)換就是將低品位余熱資源轉(zhuǎn)換為機(jī)械能或者電能加以利用。一般來說，如果低品位余熱資源在“直接熱利用”或者“制冷制熱”兩種方式都存在較大困難的前提下，熱功轉(zhuǎn)換不失為一種選擇。

如果僅轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，則需要在余熱資源利用現(xiàn)場(chǎng)有合理的機(jī)械負(fù)載。進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為電能，則可以進(jìn)行稍遠(yuǎn)一些的輸送，使用方式更加靈活。

熱功轉(zhuǎn)換的主要技術(shù)手段為螺桿膨脹機(jī)發(fā)電技術(shù)、汽輪機(jī)發(fā)電技術(shù)（使用有機(jī)工質(zhì)）、飽和蒸汽發(fā)電拖動(dòng)技術(shù)等。

由于低品位余熱資源的品味較低，用于熱功轉(zhuǎn)換的能源利用效率很低，很多時(shí)候經(jīng)濟(jì)效益不是十分明顯，需要進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

4 低品位余熱資源利用的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 以相變換熱為代表的高效熱管換熱技術(shù)

低品位余熱資源的利用由于溫差較小，通常要使用較大的傳熱面積，這也代表著鋼材使用量的增加和占地面積的增加，使得傳統(tǒng)換熱器并不適合于低品位余熱資源的利用場(chǎng)合。而采用相變換熱為基礎(chǔ)的高效熱管換熱技術(shù)，能夠大大提高傳熱系數(shù)，減少鋼材的耗量，同時(shí)也便于控制受熱面的壁面溫度。

4.2 換熱器耐腐蝕磨損技術(shù)

工業(yè)余熱資源普遍存在腐蝕性的因素，煙氣里面含有酸性氣體和粉塵，廢水中含有氯離子等。這些腐蝕性因素對(duì)換熱器的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重的影響。要想利用低品位余熱，就必須解決好腐蝕問題，采用特定的換熱器材質(zhì)，合理布置換熱器的結(jié)構(gòu)，都有助于減緩換熱器的腐蝕，也要注意換熱器利用的經(jīng)濟(jì)性。

4.3 熱泵及低溫余熱溴化鋰制冷技術(shù)

使用熱泵及低溫余熱溴化鋰制冷，可以將低溫余熱升級(jí)利用，但是也面臨提高能效利用效率和受熱面腐蝕的問題，需要在熱泵和溴化鋰制冷機(jī)的設(shè)計(jì)中考慮這一問題。

4.4 螺桿膨脹機(jī)發(fā)電技術(shù)

螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)技術(shù)作為低品位發(fā)電減排技術(shù)，螺桿膨脹機(jī)是一種容積式發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠利用過熱蒸汽、飽和蒸汽、熱水、熱液和其他熱源等，可以使用70℃以上的熱水和130℃（也有資料介紹在180～200℃）以上的不含硫煙氣作為熱源，也可以使用低壓蒸汽。由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，螺桿膨脹機(jī)的單機(jī)功率有限，多在1000kW以下，適合于余熱資源較少的場(chǎng)合。

這項(xiàng)技術(shù)仍然在不斷完善，主要是自用電較大，發(fā)電效率較低，使得發(fā)電利用的經(jīng)濟(jì)性受到一定的影響。國(guó)內(nèi)有江西華電、杭州開山股份等公司有相關(guān)產(chǎn)品。

4.5 有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電及其它低溫發(fā)電技術(shù)

對(duì)于工業(yè)中大量存在的200℃，甚至300℃以下的低品位余熱，難以使用常規(guī)的蒸汽/飽和蒸汽/熱水作為工質(zhì)進(jìn)行發(fā)電利用。這時(shí)候，可以考慮采用有機(jī)工質(zhì)循環(huán)方案。

有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC) 不是用水作工質(zhì)，而是使用低沸點(diǎn)的有機(jī)物為工質(zhì)來吸收廢氣余熱，汽化，進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，系統(tǒng)簡(jiǎn)單緊湊。目前采用的工質(zhì)有機(jī)工質(zhì)有正丁烷、氯乙烷等低溫沸點(diǎn)有機(jī)物，也有的采用有機(jī)工質(zhì)的混合物。此項(xiàng)技術(shù)國(guó)外研究較多，美國(guó)、德國(guó)、日本等都有專業(yè)從事ORC技術(shù)研發(fā)利用的企業(yè)。我國(guó)目前這項(xiàng)技術(shù)正處于發(fā)展之中，目前杭州汽輪機(jī)公司、清華大學(xué)和其他一些單位正在做研究工作。

其他低溫發(fā)電技術(shù)，包括Kalina循環(huán)發(fā)電等，使用的工質(zhì)是氨水混合物。理論上Kalina循環(huán)發(fā)電比ORC的發(fā)電效率高出15%，但是實(shí)際運(yùn)行中并沒有很明顯的優(yōu)勢(shì)。

5 低溫余熱回收利用的原則

從盡可能充分利用低品位余熱資源的角度出發(fā)，建議低溫余熱資源利用遵循以下原則：

（1）首先應(yīng)該盡可能優(yōu)化生產(chǎn)工藝，合理組織換熱流程，降低工藝用能，在生產(chǎn)工藝中盡可能地減少低溫余熱的產(chǎn)生。

（2）低溫余熱資源的利用要綜合考慮廠區(qū)內(nèi)和周邊地區(qū)的工業(yè)、民用等用熱（冷、電）需求，不能孤立地考慮，利用的時(shí)候應(yīng)按照用戶距離“先近后遠(yuǎn)”及利用周期“優(yōu)先長(zhǎng)周期”的原則，做好利用規(guī)劃。

（3）低溫余熱資源的利用應(yīng)根據(jù)余熱的品質(zhì)、數(shù)量和用戶需求，按照能級(jí)匹配的方式實(shí)現(xiàn)梯級(jí)利用，盡可能減少傳熱溫差。

（4）在低溫余熱資源的利用方式，按照“直接熱利用—制冷制熱—熱功轉(zhuǎn)換”的順序，合理安排利用方式。

（5）具體設(shè)計(jì)利用方案時(shí)，還要考慮是否傳熱元件的耐腐蝕性和利用技術(shù)成熟度，做好經(jīng)濟(jì)效益分析和對(duì)比。

6 結(jié)論和建議

在設(shè)計(jì)低品位余熱資源利用方案時(shí)，應(yīng)該首先調(diào)查廠區(qū)內(nèi)及周邊地區(qū)的用熱（冷）需求，按照前述的原則，綜合制定利用方案，再選擇經(jīng)濟(jì)上可行、技術(shù)上合理的利用方案加以實(shí)施。