工业过程余热回收利用技术研究进展

工业过程余热回收利用技术研究进展

能源短缺、环境污染已发展为世界范围的问题，节能减排、降低能耗、提高能源的综合利用率，是解决能源问题的根本途径。我国工业领域的能源消耗量约占全国能源消耗总量的70％。除了生产工艺相对落后、产业结构不合理的因素外，工业余热利用率低，能源没有得到充分综合利用是造成单位GDP能耗高的重要原因。随着能源危机的压力不断加大和人们追求循环经济、可持续性发展的要求越来越高，如何合理的利用工业余热，成为节能减排工作的重要内容。

1、余热的特点

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过剩的热量，但是这些看似低品位的能量仍有被利用的可能和价值。按照温度高低分类，工业余热一般分为600℃以上的高温余热，230℃—600℃的中温余热和230℃以下的低温余热3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。

余热资源来源广泛、温度范围广、存在形式多样，余热的回收量与工艺生产过程、环境条件的变化密切相关，余热的回收利用受施工环境的限制，对余热回收设备要求较高。工业余热资源的利用对设备有如下要求：具有较宽且稳定的运行范围；能适用多变的生产工艺的要求；设备部件可靠性高，布局合理；能够综合利用能量，以提高余热利用率。

2、余热利用技术

由于余热资源的多样性，产生余热资源的环境和工艺过程的不同以及场地固有条件的限制。目前应用的余热回收方式有热交换技术、热泵技术、余热制冷技术、低温有机朗肯循环发电技术和Kalina循环发电技术。

2.1热交换技术

热交换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给自身工艺的耗能过程，是余热回收直接高效的方法之一。所用设备为各种换热器，包括传统结构的各种换热器、热管换热器和余热蒸汽发生器。各种换热器的特点如表1所示。

 

热交换技术中热交换器种类多，且都具有一定使用条件，在生产过程中应结合生产条件、工艺流程，选择合适的换热器。

2.2制冷制热技术

2.2.1余热制冷技术

传统的制冷方式是压缩式制冷，利用外功压缩制冷，能耗较大。近年来可利用廉价能源和低品位热能吸收式或吸附式制冷系统快速发展，采用天然制冷剂(氨——水，溴化锂——水等)，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。

吸附式制冷和吸收式制冷是循环特性十分相似的制冷方式：解吸(发生)——冷凝——蒸发——吸附(吸收)如此循环往复。但是吸收式制冷的工质应为流动性良好的液体，如氨——水、溴化锂水溶液等；吸附式制冷吸附剂一般为固体介质，常使用分子筛．水、氯化钙一氨等工质对。

以溴化锂水溶液为工质的吸收式制冷系统应用最为广泛，它可以利用蒸汽、热水、工业废热、余热、地热等低品位热能为驱动进行制冷，节省电力能源，在工业余热利用方面具有一定的优势。目前溴化锂制冷技术在国内已经得到大规模的利用。

吸附式制冷可利用低达50℃的热源，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腐蚀等问题，适用范围广，可用于振动、倾颠或旋转等场所，能有效地利用低品位的热源。但由于其研究尚未深入，其运行性能还很难与其他制冷方式竞争。

2.2.2热泵技术

工业生产中常常需要消耗大量的热能，同时又有许多低温热能如50℃左右的热水或70—90℃的低温蒸汽以废热形式被排放到环境中，热泵技术常被用来回收利用此类余热资源。例如电厂、橡胶和印染等行业的余热同收。

热泵技术包括压缩式热泵和吸收式热泵。压缩式热泵以消耗一部分高质能(电能、机械能或高温热能)作为补偿，通过制冷机热力循环，把低温余热源“泵送”至高温热媒。吸收式热泵可以直接利用各种热能驱动，不需要高温驱动热源即达到“自行”升温的目的，是一项很有效的节能措施。

压缩式热泵在化工行业的应用已经取得了一定成效，例如通过热泵机组提升锅炉给水品位，使原有的锅炉给水由20—25℃提升到50℃。50℃以上的热水，可以满足工业的蒸馏浓缩、干燥或建筑物采暖等对热水的需求。虽然吸收式热泵起步较晚，但是也取得了很大的进展，如燕山石油化工公司研究院与大连理工大学化工学院共同开发了回收工厂废热的吸收式热泵中试装置。

2.3低温有机朗肯循环

有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，简称ORC)不是用水作工质，而是使用低沸点的有机物为工质来吸收废气余热，汽化，进入汽轮机膨胀做功，带动发电机发电，系统简单紧凑，如图1所示。

 

采用这种发电方式对低温范围余热利用有显著优点：余热物流与工质不直接接触，有机工质密度较大，比容小，管道尺寸小，透平通流面积小，对较低温度热源的利用有更高的效率。并且选择合适的有机工质，可以节省过热器的制造费用，流程简单，还可降低环境对其影响。例如若选择干流体和等熵流体，可不设置过热器，直接将饱和的有机工质蒸汽送人透平机内膨胀做功后，在透平出口仍是干蒸汽，也不会对透平产生液滴侵蚀。

通常有机工质的选择应满足如下条件：1)在相同蒸发温度和冷凝温度下，绝热焓降大；2)在相同条件下，换热系数大；3)工质临界参数、常压下沸点等热物理性质适宜；4)化学稳定性好、不分解、腐蚀性小、毒性小、环保、不易燃易爆；5)经济性好，即来源丰富，价格低。但是在实际应用中，工质很难同时满足上述全部条件，而且随着国际上对有机工质环保要求的El益提高，可用工质不断更新。因此需要根据热源类型及温度品位，综合考虑。采用不同有机工质(或者有机工质的混合物)，可回收不同温度范围的低温热能，系统简单，运行维护成本低。例如比较有代表性的是：Mago针对不同温度层次的热源，选用R134a、R123a和Rll3等烷基衍生物，苯，甲苯和水等干湿流体为工质，进行朗肯循环的热力分析和性能评价，得出对于温度小于370℃的热源，低沸点有机工质的朗肯循环发电系统比水蒸气发电效率更高，更经济。

ORC系统由于其在低温余热同收上的突出优势，特别是用低温余热发电技术，在国外的一些发达国家，如日本、美国很早就有了应用，并且已经形成了比较成熟的技术，具体见表2。而我国对ORC技术的研究起步较晚，对于ORC技术的利用目前尚处于研究开发阶段。

 

2.4 Kalina循环

Kalina循环是以氨水混合物为工质的循环系统，最简单的热力循环是一级蒸馏循环，即一定浓度的氨水溶液经过水泵加压、预热器升温之后，进入余热锅炉蒸发，形成过热氨水蒸汽进人透平膨胀做功，然后利用复杂的蒸馏冷却子系统解决氨水混合物冷凝问题，使透平乏汽重新形成一定浓度的工质溶液，再到达给水泵，完成一个循环，详见图2。

 

Kalina循环以氨水混合物为工质具有很多优势：氨水的沸点比水低，能够利用水蒸气生产不能利用的废热，降低设备制造的花费。氨水来源广泛，价格较低。Kalina循环在蒸发过程中工质等压变温蒸发，减少工质吸收过程中的不可逆性，而又因为冷凝过程中的基本工质含氨低，克服混合工质有机朗肯循环冷凝损失大的弱点，能够更合理有效的回收利用低温余热。

3、热力学原理分析

综上所述，热交换技术利用工业余热的方法只是通过换热设备将余热能量直接传给自身工艺的耗能过程，并没有改变余热的利用形式。制冷制热系统是利用逆向循环的能量转换系统，逆向循环以耗功作为补偿，通过制冷剂的循环把从低温热源吸收的热量(制冷量)和耗功量一起从高温热源放出。压缩式制冷机是以机械能或电能为补偿，吸收(吸附)式制冷机或热泵则是以热能为补偿。蒸汽余热发电，有机朗肯循环余热发电技术，Kalina循环余热发电为代表的余热发电技术是典型的热功能转换技术，具体见表3。

 

4、溴化锂制冷系统计算机模拟方法

计算机仿真模拟的研究方法正随着计算机技术的飞速发展而越来越显示出优越性，在溴化锂制冷技术研究中的应用更证明这一研究方法的可行性。其它形式余热利用方式与溴化锂吸收式制冷基于相同热力学原理，所以在今后的研究中也可以尝试采用计算机模拟方法，建立适宜的模型，克服现阶段研究过程中存在的试验周期长，设备制造投资大的缺点。

采用计算机模拟系统首先应根据MESH方程建立数学模型，它将影响到仿真研究的稳定性、快速性和准确性。系统仿真模型有多种分类方法。总体上可分为动态模型和静态模型以及分布参数模型与集中参数模型2大类"Ⅲ1。在静态模型中又有集中参数和分布参数之区别。表4列出了这几种模型在溴化锂制冷系统应用的特点。

 

Khalid基于物质和能量守恒定律建立了稳态仿真模型，即单效溴化锂制冷机过程模型。与一般的只考虑吸收器中的传热模型不同的是，该模型既考虑了吸收器中的传热过程也考虑了传质过程。Vliet建立了双效溴化锂制冷机变工况性能的数学模型，讨论了不同的设计和操作参数对制冷机制冷量和热力系数的影响。Grossman建立了低温热源驱动的单级热泵变工况性能的计算机模型，研究了废热温度、冷却水温度和稀溶液循环量对机组的影响。我国姚寿广口刊也建立了单、双效溴化锂吸收式制冷机运行的数学模型，开发和设计了变工况性能的模拟优化程序。

溴化锂制冷机热力参数多，手工设计工作量异常复杂繁重，灵活性差，精度不高，针对这种情况，国内外已经开发出了多套用于溴化锂制冷机设计的软件。常见软件见表5。

 

5、结语与展望

节能减排，提高能源的利用率，是解决当前面临的能源危机最有效的措施，也是世界能源发展战略之重要内容。

首先，应该推广应用中高温余热回收利用技术，尤其是提高中小企业余热利用率，推进余热利用技术与工艺节能相结合，优化工艺系统及其相应的余热利用技术。例如，高凝固点物料的常压沸点都很高(如吩噻嗪)沸点达到380℃以上，凝固点高达187℃．因此精馏过程中常常需要减压。这就需要真空系统在真空缓冲罐与塔顶冷凝器之间设计物料捕集器，使从精馏塔冷凝器物料出口被真空泵抽出的物料凝同在捕集器内的冷却盘管上，以保护真空系统不被高凝固点物料堵塞和减少物料损失。这就需要用到比循环水温度更低的冷媒(10℃以下)。因此，可以采用溴化锂吸收式制冷机，将高凝固点物料在塔顶冷凝器上副产的低压蒸汽回收利用。产生低温冷媒水(10℃以下)作为精馏真空系统物料捕集器的冷媒。这样既可实现能源同收再利用，还可以生产低温冷却水，供工艺流程需要的单元使用。

其次，目前我国应用较多的主要有余热锅炉．低温汽轮发电技术，适用于利用350℃以上的中高温余热，但对于低温余热利用率不高。从技术发展角度看，低温有机朗肯循环是利用低温工业余热、太阳能和地热能的经济有效方案，但目前我国尚未普及应用，因此深入开展低温有机朗肯循环余热发电和Kalina循环余热发电技术的开发研究，并积极推广应用，提高低温工业余热、地热和太阳能利用率。最后，计算机仿真模拟在溴化锂制冷机制造优化过程中的应用，有效地克服了溴化锂制冷机研究制造过程中制造成本高，试验投资大，设计周期长的问题。在今后的研究过程中应该积极推广计算机仿真模拟研究方法在其它余热回收方式中的应用，降低设计制造费用，提高余热利用率。