关于余热余能与能源的合理利用

三、余热余能的潜力分析

余热余能潜力分析的目的主要是为了更好地利用它，并引起人们的重视。由于提高余热余能的利用水平，使更多的、原来无用的余热余能得到了合理利用，变废为宝。为了正确地提高余热余能的利用水平，更好地挖掘其潜力，必须有一个合理的分析方法及原则。过去，人们多以热力学第一定律来考虑能量的平衡与利用，通过建立热平衡关系来分析问题。这样在实际工作中虽然也取得了大量的成绩，但却忽略了很重要的问题：不仅该有的潜力未能发现，也不能在某些情况下正确地选用余热余能的利用措施。例如用天然气锅炉烧蒸汽与美宝炉烘干物料等的高位低用，浪费了大量的火用，使燃料的高位能白白浪费，变成了相应的低位热。从第一定律的热平衡看，系统已无利用的潜力，但从火用平衡角度而言，其回收的潜力则很大。所以，目前应同时考虑热力学第一、第二定律，不仅要考虑热平衡，更要考虑火用平衡。即不仅要考虑能源量的大小，同时还要考虑能源质的差异。为此，要求我们在余热余能的利用过程中，充分地考虑能的梯级利用，实现“温度对口、梯级利用”及“品位对口、梯级利用”。这样不仅可以全面地看到其可利用潜力，还可以为其合理利用指出正确的方法、措施。

现结合能源利用数量比较多的行业进行分析说明如下：

1、电力行业

目前，我国的能源有30%左右被电力行业利用了，其中主要为煤炭。上世纪末，发电系统的热效率为35%左右，经过十余年的大力发展，我国发电的总装机容量为12.5亿千瓦左右。大型火电厂以60万千瓦的、高参数的大机组为主力军，其中火电占了8.5亿千瓦左右。系统热效率达到了40%左右，最高达到了44%左右。而发达国家已经将火力发电系统的热效率提升至60~70%左右，并且CO2达到零排放。为什么我们国家过去和现在的系统热效率低于发达国家20%左右？这里的主要问题是我们缺乏从火用平衡及其相关原则的角度去考察问题，当然也与我国的能源结构以煤为主有关。要想解决问题，必须从新的理念出发。从热平衡来看，火力发电的损失大部分是锅炉的排烟损失及汽轮机冷凝损失的余热给带至大气，我国火电效率再提高已十分困难；但如果从火用平衡的角度思考问题，只要设法降低锅炉的燃烧火用损失及其相关的传热火用损失，在系统中充分地注意高位高用，合理集成，这样一来火用（热）效率也会大大提升。因为火用损失部分被利用，发电后的热损失也相应地下降，满足了热平衡的要求，所以相关的热损失也会相应地降低。发达国家煤电系统发电效率达到60%左右，这个过程即是一项合理利用余热余能的典型。也就是说，如果我们改变理念，以创新的视角来改造我们的发电系统，我国发电系统尚有20%以上的利用潜力。也就是说目前从热平衡角度而言，余热损失可降低20%以上。火电发电过程的发电效率的提高，表现为降低了的余热余能，而上述目标实际上是将高位火用损失在改善过程中正确、合理利用的结果。

2、钢铁及有色冶金产业

钢铁及有色冶金产业不仅是一个耗能大户，实际上还是我国制造业的重点行业，目前钢铁行业一年的总产能约为9亿吨，是全世界的首位，占世界总量的50%以上，有色冶金行业也不例外。虽然，在目前的产业结构调整中，可能会有大幅度地下降，但其基本格局不会有大的变化。因为其投入太大、影响也大，钢铁行业在产能过剩的压力下，十分重视相关的余热余能的利用，进行了大量的节能技改。例如，大力推进余热余能的煤气发电、干熄热发电、余热发电、废锅汽轮机发电、燃气蒸汽轮机联合发电等。某钢铁公司，设计规模仅800万吨/年，其余热余能的发电能力就有48万千瓦，占自用电比例高达75%以上。如果继续进行深度改造，还有十余万千瓦的潜力。如果我国的钢铁行业按此规模进行考虑，仅发电即有5000万千瓦左右的装机潜力，发电能力也会达到3500万千瓦左右。过去炼钢的钢水要先浇铸成钢锭，使之冷却放出余热；为了轧钢又要加热至1000℃以上再行轧制。但随着连铸技术的出现，即炼钢以后直接轧制，冷却余热的合理利用使其效率提高了10%左右，为炼钢系统实现负能冶炼出力最大。钢铁行业的大型流体设备（风机、泵类、压缩机等）利用十分广泛，能耗也十分巨大，但是由于匹配不合理产生的节流损失以及冷却加热不合理的损失等浪费的能量极大。如以上述800万吨/年的钢厂为例，其余能的节约量约在20亿千瓦时左右。总之，钢铁与有色冶金产业既是我国的重要产业，又是世界的首户，其余热余能的潜力均在20%以上，余热余能的数量、比例较大，节能的潜力也较大。

3、石油化工行业

这里讲的石油化工行业是泛指：包括石油、石化、基础化工、常规化工、化肥、医药等行业的综合，也是我国最重要的制造产业之一，能源消耗较多的产业之一。据不完全统计，上述行业的总能耗约占全国总能耗的20%以上。在上述行业中，由于化学反应是其基本的生产过程，这样即出现了大量的余热余能。此行业与钢铁行业类似，具有大量的余热余能，可以用来发电。例如，硫酸生产过程中的工质温度约在1000℃左右（过去利用较少），目前仅能用来产生中压蒸汽。但从火用损失角度分析而言，完全可以用来产生10MPa，540℃左右的蒸汽，这样发电能力即可能增加40%以上。大量的化工产品需要烘干，为此相当多的企业采用以天然气或煤燃烧后的烟气直接烘干，这样一来高位能即随着过程的排烟余热而损失掉了，利用率极低。如果合理利用，采用燃气蒸汽联合循环或热电联产，上述经余热带走能量（烟气）中的30%可能被回收。化工行业是电能消耗最大的行业，流体机械的数量及能耗都是各行业之首，这里的节流损失、不合理的冷却及加热损失、布置位置不合理产生的不必要流阻损失约占其总电耗的28%以上。目前由于采用了各种调速、合理匹配等措施，回收了大约15%以上的电能。但仍有大量的设备由于各种原因，未能回收这部分余能。石化行业为了工艺的需要消耗数以亿吨/小时的蒸汽，但是由于装置及系统的问题，真正有效的利用仅50%左右，大量的热能随着过程的进行，损失在过程传输与使用不合理之中。如能合理回收，大约有30%左右的量可能被回收。为了输送天然气、石油，必须加压，从而消耗了大量的电能及其它形式的能量。在使用时又产生了大量的节流或排放损失。目前出现的压差发电系统是解决上述问题的好方法之一。

——在采油采气过程中，耗费了大量的电能或其它形式的能量，注气、注水以后又变成了余压余能。如何利用这部分余压余能，值得人们研究。

——石化系统的各种产品主要是各种油品、天然气，除了供给化工、交通、军工、其它系统外，相当一部分用于锅炉燃烧产生蒸汽等。这种形式存在严重的高位低用，产生了大量的高位余能（火用损）。目前全国尚有天然气、油锅炉10万余台，能耗1亿吨标煤/年左右。这部分高位余能如能合理利用，可以多回收电能约80亿度/年。