工業(yè)余熱資源梯級(jí)利用（RRUC）方法研究

曹先常上海寶鋼節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司上海工業(yè)節(jié)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟

工業(yè)余熱資源梯級(jí)利用（RRUC）方法研究

曹先常
上海寶鋼節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司
上海工業(yè)節(jié)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟

針對(duì)工業(yè)領(lǐng)域大量余熱資源利用效率低的現(xiàn)象進(jìn)行了深入分析，提出了“一個(gè)中心、四個(gè)層級(jí)”的余熱資源梯級(jí)利用(RRUC)方法，以填補(bǔ)“能源梯級(jí)利用”理論與“現(xiàn)場(chǎng)工程師”實(shí)踐之間的鴻溝；同時(shí)以某大型燒結(jié)冷卻機(jī)為對(duì)象，采用“RRUC”規(guī)劃方法前后的節(jié)能效果進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，采用該方法后節(jié)能效果明顯，實(shí)現(xiàn)了效率與效益最大化。

工業(yè)余熱；梯級(jí)利用；RRUC方法

Fund Item: National Important Supporting Research Plan Project (No. 2016YFB0601402), Shanghai Science and Technology Commission Supporting Scientific and Technological Project (No. 15DZ1201801)

我國(guó)工業(yè)用能居高不下，約占總能耗68%，是一次能源的最大用戶[1]。石油、化工、鋼鐵、建材等工業(yè)行業(yè)在生產(chǎn)的同時(shí)伴隨產(chǎn)生大量余熱資源，按照我國(guó)2014年工業(yè)規(guī)模，預(yù)計(jì)年約有5億t標(biāo)準(zhǔn)煤余熱資源伴生，50%以上余熱資源通過各種形式排放浪費(fèi)。以鋼鐵行業(yè)為例，據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，我國(guó)鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)過程中伴生余熱資源約1.2～1.6億t標(biāo)準(zhǔn)煤，各鋼鐵企業(yè)余熱回收率參差不齊，平均回收利用率僅約35%。工業(yè)領(lǐng)域余熱回收利用率每提高1%，則年可增加回收5 000余萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤。

盡管工業(yè)余熱節(jié)能的潛力巨大,但工業(yè)余熱回收利用率一直偏低，僅約30%。主要由于工業(yè)用戶缺少工業(yè)余熱梯級(jí)利用方法和標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)，在能源梯級(jí)利用基本理論與現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐之間存在巨大鴻溝，導(dǎo)致余熱資源利用缺乏系統(tǒng)有效的思考。例如石化、鋼鐵等工業(yè)領(lǐng)域余熱點(diǎn)多、溫度差異大，更多考慮單點(diǎn)余熱回收或單點(diǎn)余熱回收的組合，缺乏系統(tǒng)的思考。

1 能源梯級(jí)利用基本原理[1-4]

根據(jù)熱力學(xué)第一、第二定律，能量不僅有量的多少，還有質(zhì)的高低。即在熱能轉(zhuǎn)換利用時(shí)，不僅存在數(shù)量問題，還有熱能的品位問題。用以實(shí)現(xiàn)熱能向機(jī)械能轉(zhuǎn)換的熱力循環(huán)是熱機(jī)發(fā)展的理論基礎(chǔ)和能源動(dòng)力系統(tǒng)研究的核心內(nèi)容，而其中的核心科學(xué)問題就是熱能的梯級(jí)利用。也就是充分利用不同品位的能量。

吳仲華[1]先生從科學(xué)原理出發(fā)，闡述熱力系統(tǒng)中能的梯級(jí)利用與品位概念，倡導(dǎo)總能系統(tǒng)，提出了能源利用必須“分配得當(dāng)、各得其所、溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”，才能達(dá)到最有效利用的目的，也就是著名的“溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”原理。

“溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”原理從能的“質(zhì)與量”相結(jié)合的思路出發(fā)，進(jìn)行系統(tǒng)中各元件的組合和集成，其本質(zhì)是如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)動(dòng)力、中溫、低溫余熱等不同品位的能量的隅合與轉(zhuǎn)換利用。熱力循環(huán)是利用燃燒后工質(zhì)溫度與環(huán)境溫度之間的溫區(qū)范圍內(nèi)的熱能，所以系統(tǒng)集成的好壞取決于這部分熱能是否得到充分和有效的利用。按照能量品位高低對(duì)能量進(jìn)行梯級(jí)利用，從總體上安排好功、熱(冷)與物料、熱力學(xué)能等各種能量之間的匹配關(guān)系與轉(zhuǎn)換利用，從系統(tǒng)的高度、綜合利用各種能源，以取得更好的總效果，而不僅是著眼于單一生產(chǎn)設(shè)備或工藝的能源利用率或其他性能指標(biāo)的提高[2-3]。

對(duì)于各種熱能轉(zhuǎn)換利用系統(tǒng)，系統(tǒng)集成的核心科學(xué)問題都是熱能梯級(jí)利用原理，圖1是熱能的梯級(jí)利用原理示意圖[4]。能的梯級(jí)利用原則已成為能源動(dòng)力系統(tǒng)集成開拓的關(guān)鍵核心科學(xué)問題。

2 工業(yè)余熱資源梯級(jí)利用規(guī)劃方法

2.1 工業(yè)余熱資源梯級(jí)利用總體思路

圖1 熱能的梯級(jí)利用原理示意圖[4]

根據(jù)不同工業(yè)余熱資源的品位高低和周邊環(huán)境能源需求，需要按照“因地制宜、熱盡其用、溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”的一個(gè)中心原則，分別或綜合采用“回用、替代、提質(zhì)、轉(zhuǎn)換”四個(gè)層級(jí)的梯級(jí)利用規(guī)劃方法進(jìn)行統(tǒng)籌安排和系統(tǒng)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)區(qū)域或系統(tǒng)能源利用率最大化。通過方法化、標(biāo)準(zhǔn)化，形成“一個(gè)中心、四個(gè)層級(jí)”余熱資源分級(jí)規(guī)劃方法，作為工業(yè)余熱資源回收利用總體思路，將能源梯級(jí)利用原理轉(zhuǎn)化為現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐的具體步驟和方法，搭建一座“能源梯級(jí)利用”理論與“現(xiàn)場(chǎng)工程師”實(shí)踐之間的“橋梁”，促進(jìn)能源梯級(jí)利用基本理論與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的融合。

2.2 “一個(gè)中心”原則

一個(gè)中心原則是指“因地制宜、熱盡其用、溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”的中心原則。

具體微觀企業(yè)層面首先考慮“因地制宜”，在關(guān)注余熱資源特點(diǎn)、數(shù)量、品位的特征的同時(shí)，更要關(guān)注“設(shè)備”、“系統(tǒng)”、“區(qū)域”、“社會(huì)”四類不同范圍環(huán)境條件及用能需求，為此將“因地制宜”作為余熱梯級(jí)利用原則的首要原則才能有助于梯級(jí)利用思想落地，避免過于理論化導(dǎo)致難以實(shí)施；其次考慮系統(tǒng)思考，熱盡其用，從設(shè)備、系統(tǒng)、區(qū)域、社會(huì)四個(gè)角度統(tǒng)籌考慮，避免局部考慮；第三重點(diǎn)抓住“溫度”關(guān)鍵指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)余熱資源溫度和用戶溫度的“對(duì)口”；最后形成一個(gè)“梯級(jí)利用”的系統(tǒng)，從系統(tǒng)角度再次審視和優(yōu)化。

圖2 工業(yè)余熱資源梯級(jí)綜合利用流程示意圖

2.3 “4個(gè)層級(jí)”梯級(jí)利用(RRUC)方法

“4個(gè)層級(jí)”的梯級(jí)利用規(guī)劃方法提出了一個(gè)具體規(guī)劃分析的步驟和方法，余熱資源依次按照“回用（Reuse）、替代（Replacement）、提質(zhì)（Upgrading）、轉(zhuǎn)換（Conversion）”（簡(jiǎn)稱RRUC）4個(gè)層級(jí)進(jìn)行綜合規(guī)劃，最終實(shí)現(xiàn)能源經(jīng)濟(jì)效率、效益最大化。余熱資源只有在前一層級(jí)無(wú)法完全利用的前提下才考慮下一層級(jí)利用方法，其中前3個(gè)層級(jí)方法以熱熱交換為主、第四個(gè)層級(jí)方法能源轉(zhuǎn)換。

實(shí)施步驟如圖2所示，具體方法包括以下幾方面。

（1）第一層級(jí)——回用：以用能設(shè)備為中心，通過熱量傳遞或交換，將余熱返回到原有設(shè)備系統(tǒng)中，減少用能設(shè)備外部燃料等高品位能源輸入、提高能效的過程或方法。關(guān)鍵是減少設(shè)備外部高品位燃料消耗，實(shí)現(xiàn)余熱資源減量化。主要措施包括：熱設(shè)備狀態(tài)維護(hù)、高效燃燒、保溫管理、空燃比控制優(yōu)化、空氣預(yù)熱、燃料預(yù)熱等。

（2）第二層級(jí)——替代：結(jié)合設(shè)備所在的工藝或周邊系統(tǒng)，通過熱量傳遞或交換，將余熱返回到設(shè)備所在的工藝內(nèi)其它設(shè)備或周邊系統(tǒng)中，取代工藝或系統(tǒng)外部能源輸入、提高能效的過程或方法。關(guān)鍵是減少設(shè)備所在工藝段或系統(tǒng)外部能源輸入，減少能源輸送損失，實(shí)現(xiàn)區(qū)域能量自平衡。主要措施包括：熱電聯(lián)產(chǎn)、燃料替代、蒸汽替代、電力替代、熱風(fēng)替代等。

（3）第三層級(jí)——提質(zhì)：通過直接或間接熱量交換或熱力循環(huán)，以中品位或高品位能源為驅(qū)動(dòng)，將較低品位熱源的熱能將轉(zhuǎn)移到較高品位熱源并進(jìn)行利用的過程或方法。關(guān)鍵是通過少量能源為代價(jià)實(shí)現(xiàn)低品位能源能級(jí)提升并與用戶匹配利用，實(shí)現(xiàn)能效最大化。主要措施包括吸收式熱泵、蒸汽噴射泵、多能互補(bǔ)等。

（4）第四層級(jí)——轉(zhuǎn)換：將余熱資源轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能、電能、冷能等其它形式能源的過程或方法。關(guān)鍵是將廢棄無(wú)法利用的余熱資源通過能源轉(zhuǎn)換產(chǎn)生高品位能源并加以利用，實(shí)現(xiàn)能盡其用。具體措施包括余熱發(fā)電、余熱制冷等。

2.4 余熱資源4個(gè)關(guān)鍵要素分析

如圖3示意了一種鋼鐵系統(tǒng)中余熱資源梯級(jí)利用的方法[5]。其中以余熱資源、回收技術(shù)、利用技術(shù)以及用能終端來(lái)進(jìn)行深入分析與優(yōu)化。本方法主要涉及回收與利用兩大環(huán)節(jié)，充分體現(xiàn)了余熱資源特性、回收高效性、利用匹配性、用能終端經(jīng)濟(jì)性，體現(xiàn)了“一個(gè)中心、四個(gè)層級(jí)”系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)能源利用效率最大化。

3 典型案例實(shí)踐與分析

某大型燒結(jié)機(jī)設(shè)計(jì)年產(chǎn)成品燒結(jié)礦700余萬(wàn) t，配套的液密封環(huán)冷機(jī)回收礦料顯熱，其有效冷卻面積約700 m2，設(shè)有4×105 Nm3/h風(fēng)量的冷卻鼓風(fēng)機(jī)5臺(tái)。熱燒結(jié)礦在冷卻過程中其熱能變?yōu)閺U氣顯熱，廢氣溫度隨環(huán)冷機(jī)部位的不同而不同，給料部位溫度最高，約在450℃，卸料部位溫度最低，約在80℃。通過余熱回收系統(tǒng)可以有效地利用燒結(jié)工藝過程中產(chǎn)生的廢熱，降低能源消耗、提高熱效率，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程中的變廢為寶[6]。

3.1 燒結(jié)環(huán)冷機(jī)廢氣余熱利用現(xiàn)狀

常規(guī)環(huán)冷機(jī)廢氣去向分燒結(jié)點(diǎn)火、余熱鍋爐產(chǎn)蒸汽、外排3部分組成，如圖4所示。從環(huán)冷機(jī)中溫段（1號(hào)、2號(hào)排氣筒）廢氣綜合溫度約350℃，利用雙壓余熱鍋爐技術(shù)回收蒸汽直接使用或發(fā)電使用，廢氣熱量回收后返回環(huán)冷機(jī)重新對(duì)燒結(jié)礦進(jìn)行冷卻；同時(shí)300℃以中低溫廢氣（3、4、5號(hào)排氣筒）因?yàn)闇囟鹊腿颗趴眨瑢?dǎo)致能源浪費(fèi)。

圖3 鋼鐵系統(tǒng)中余熱資源梯級(jí)利用方法

圖4 燒結(jié)環(huán)冷機(jī)廢氣余熱利用現(xiàn)狀

3.2 燒結(jié)環(huán)冷機(jī)廢氣余熱梯級(jí)利用方案分析

針對(duì)以上問題，采用“一個(gè)中心、四個(gè)層級(jí)”梯級(jí)利用規(guī)劃方法，形成燒結(jié)環(huán)冷機(jī)廢氣余熱梯級(jí)利用方案，其系統(tǒng)示意如圖5所示。

環(huán)冷機(jī)中溫段（1號(hào)、2號(hào)排氣筒）廢氣余熱的利用方式與常規(guī)方式一樣，不同的是充分利用了環(huán)冷機(jī)的低溫段余熱資源，環(huán)冷機(jī)低溫段（3號(hào)排氣筒）可利用的廢氣溫度約150～220℃，其通過高壓熱水交換器，回收低溫廢氣熱能與前段余熱鍋爐產(chǎn)生的次低壓蒸汽一起用于低溫ORC發(fā)電，以提高余熱資源利用效率，余熱回收后的廢氣匯合環(huán)冷機(jī)低溫段（4號(hào)排氣筒）煙氣通過風(fēng)機(jī)送到燒結(jié)機(jī)臺(tái)車面上的煙氣罩內(nèi)，環(huán)冷機(jī)更低溫廢氣余熱可用于生產(chǎn)生活熱水供現(xiàn)場(chǎng)使用，最終實(shí)現(xiàn)第3、4、5號(hào)排氣筒低溫余熱的回收與利用。燒結(jié)環(huán)冷機(jī)廢氣余熱梯級(jí)利用方案受熱源、用戶、環(huán)境等因素影響而不盡相同，最終以“效率”、“效益”雙優(yōu)最為最后評(píng)價(jià)的基準(zhǔn)。

圖5 燒結(jié)環(huán)冷機(jī)廢氣余熱資源梯級(jí)利用系統(tǒng)示例

3.3 兩種方案效果比較分析

采用“RRUC”規(guī)劃分析后，每年可新增回收余熱資源2016萬(wàn)kWh電力、3.1萬(wàn)t蒸汽、12萬(wàn)t熱水，折合標(biāo)準(zhǔn)煤約1.09萬(wàn)t，余熱回收提高20.8%。表1顯示了采用梯級(jí)利用規(guī)劃方法前后效果對(duì)比分析。

燒結(jié)環(huán)冷廢氣余熱梯級(jí)利用與常規(guī)燒結(jié)余熱發(fā)電技術(shù)相比，在不影響燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)的前提下，對(duì)燒結(jié)冷卻機(jī)的熱能進(jìn)行了進(jìn)一步的梯級(jí)利用，最大限度利用低溫余熱，減少?gòu)U熱對(duì)環(huán)境的污染的同時(shí)，獲得了額外的電能和冷量，提高了余熱回收率。

表1 梯級(jí)利用前后效果分析

4 結(jié)語(yǔ)

（1）工業(yè)余熱資源豐富，余熱利用率提升空間大，節(jié)能潛力巨大，其回收利用沒有污染物排放，沒有新增能源消耗，屬于清潔能源，應(yīng)該受社會(huì)關(guān)注和政策的支持。

（2） “一個(gè)中心、四個(gè)層級(jí)”工業(yè)余熱資源梯級(jí)利用方法（簡(jiǎn)稱RRUC方法），將能源梯級(jí)利用技術(shù)理論簡(jiǎn)化為現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐可以操作的規(guī)劃步驟和方法，實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用基本理論與現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐的融合。

（3）針對(duì)具體案例，通過“RRUC”余熱資源梯級(jí)利用方法分析表明，燒結(jié)環(huán)冷廢氣余熱梯級(jí)利用與常規(guī)燒結(jié)余熱發(fā)電技術(shù)相比，余熱回收率、?效率得到顯著提升，RRCU方法為現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐起到良好的指導(dǎo)作用。

[1]吳仲華.能的梯級(jí)利用與燃?xì)廨啓C(jī)總能系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1988.

[2]林汝謀.燃?xì)廨啓C(jī)總能系統(tǒng)發(fā)展和應(yīng)用[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù),1990,3(4):6-8.

[3]林汝謀,徐大懋,蔡睿賢.總能系統(tǒng)新概念與中國(guó)火電動(dòng)力的發(fā)展[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù),1994,7(3):1-5.

[4]林汝謀,金紅光,蔡睿賢.燃?xì)廨啓C(jī)總能系統(tǒng)及其能的梯級(jí)利用原理[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù),2008,21(1):1-12.

[5]曹先常. 軋鋼低品位余熱資源綜合梯級(jí)利用研究[J].寶鋼技術(shù).2011.6:15-19.

[6]陳志良,曹先常,劉詠梅,等.燒結(jié)冷卻機(jī)低溫廢氣余熱利用技術(shù)探討. 第八屆全國(guó)能源與熱工年會(huì)論文集[C]2015-08,640-643.

Study on Industrial Waste Heat Resource Cascade Utilization（RRUC）Method

Cao Xianchang
Shanghai Baosteel Energy Saving Environment Protection Technology Co.,Ltd
Shanghai Industrial Energy Saving Industry Technology Innovation Strategic Alliances

Focused on huge industrial waste heat resource of low efficiency condition, the author analyzes and puts forward ‘one center and four levels’ waste heat resource cascade utilization（RRUC）method to fill the gap between ‘energy cascade utilization’ theory and ‘engineers on spot’ practice. Meanwhile the author applies （RRUC）method and analyzes energy saving effect before and after RRUC plan through some large type sintercooler as case study. The results show that applying RRUC plan maximizes efficiency and benefit with obvious energy saving effect.

Industrial Waste Heat, Cascade Utilization, RRUC Method

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題資助（編號(hào)：2016YFB0601402）；上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科技攻關(guān)計(jì)劃資助（編號(hào)：15DZ1201801）

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.08.005

曹先常：（1974-），男，博士，教授級(jí)高工，總工程師。主要從事節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新、大型國(guó)企能源管理、復(fù)雜能源系統(tǒng)優(yōu)化、節(jié)能環(huán)保專項(xiàng)規(guī)劃、合同能源管理推進(jìn)等工作。