低品位余热资源利用方式的探讨

近年来，我国工业领域内的余热资源，特别是高温和中温余热资源利用取得显着效果。但是，与发达国家相比，工业领域内的低温余热资源(低品味余热资源)利用还有一定的差距，且行业内不同企业之间也很不均衡。随着节能工作的不断深入，低温余热资源的利用日益成为节能工作的一个热点和难点，本文分析了低品味余热资源的特点，总结了目前的利用方式和技术进展。

1、余热资源等级划分

工业余热主要指工业企业热能转换设备及用能设备在生产过程中排放的废热、废水、废气等低品位能源。余热资源普遍存在于钢铁、化工、石油、建材、轻工和食品等行业，这些行业都存在丰富的等级不同的余热资源，利用余热回收技术将这些低品位能源加以回收利用，是节能的重要手段之一。按照余热资源载体的温度高低，可以把余热资源按品味进行划分，温度高则代表余热资源的可做功能力高，即便是直接传热也可以方便利用，即是所谓“高品位余热资源”。温度低，则代表该余热资源品味较低。

低品位余热资源利用方式的探讨

现在工业企业中品味较高的高温和中温余热资源绝大部分得到了很好的利用，对低品位余热资源的利用也已经进行了不少探索。但是总的来说，低品位余热资源的利用还处于起步阶段。

2、低品位余热资源的来源及利用难点

余热资源的主要来源为：①烟气的余热;②高温产品和炉渣的余热;③冷却介质的余热;④可燃废气、废液和废料的余热;⑤废汽、废水余热;⑥化学反应余热。比较典型的低品位余热资源有：① 锅炉(加热炉)等排放的烟气，一般在140~180℃;②高炉渣、炼钢渣的冲渣水，温度在60~9 0℃;③循环冷却水，大部分在30~50℃;油田采出水，在30~60℃。低品位余热资源的利用难点在于：①大部分低品位余热资源含有腐蚀性的物质，对设备长期安全运行构成不小的影响;②有的低品位余热资源具有间歇性的特点，难于连续运行;③由于品味较低，难以在现场附近寻找到合适的供热(冷)负荷;④用于发电，效率较低，技术还有待成熟，经济效益偏低。

3、低品位余热资源的利用方式探讨

低品位余热资源的利用可以分为直接热利用、制冷制热和热功转换三种方式。

3.1 直接热利用

热交换技术设备对低温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。由于低温余热资源温度较低，需要找到合适的利用场合，还要考虑输送过程中的损耗因素。

比较常见的有：循环水(油田采出水、高炉冲渣水等)用于采暖供热、锅炉烟气用于余热空气(或给水)、加热炉烟气余热用于加热物料等。

宣钢、首钢、济钢、太钢等企业都开展了高炉冲渣水用于居民采暖供热的工程项目，取得了很好的节能效果。首钢京唐钢铁公司将高炉冲渣水用于海水淡化，成功解决了低温余热回收装置的全年长期运行问题，这是一种十分合理的利用方式。在电力行业中，国外最早是德国和日本开始使用锅炉烟气余热回收装置，国内上海外高桥发电厂三期、大唐宁德电厂、上海漕泾电厂等都成功采用了锅炉烟气余热回收装置，提升了锅炉运行效率。北京市的部分锅炉房，在燃用天然气的锅炉尾部烟道安装低温省煤器，降低了天然气用量。有的油田也进行了油田采出水供热的尝试。

3.2 制冷制热

在直接热交换没有合适的利用场合的情况下，也可以将低温余热用于吸收式制冷或者热泵制热，改变余热能量的等级。

清华大学和江苏双良分别开发了利用电厂循环水做热泵的热源，使用少量的抽汽作为驱动能源，采用热泵将循环水温度提升到95℃以后送入城市供热管网，节能效果显着。化工企业需要制冷的工艺装置较多，利用溴化锂吸收式制冷装置，利用余热作为热源，制取冷量作为生产使用，也是非常合理的利用低温余热的节能措施。不过，一般来说，除了化工企业内部能实现低温余热自用以外，其他企业的低温余热资源本企业内部消化都有一定的难度，一般都需要和本企业以外的区域产生联系，才能充分利用低品位余热资源。

3.3 热功转换

热功转换就是将低品位余热资源转换为机械能或者电能加以利用。一般来说，如果低品位余热资源在“直接热利用”或者“制冷制热”两种方式都存在较大困难的前提下，热功转换不失为一种选择。如果仅转换为机械能，则需要在余热资源利用现场有合理的机械负载。进一步转换为电能，则可以进行稍远一些的输送，使用方式更加灵活。

热功转换的主要技术手段为螺杆膨胀机发电技术、汽轮机发电技术(使用有机工质)、饱和蒸汽发电\拖动技术等。由于低品位余热资源的品味较低，用于热功转换的能源利用效率很低，很多时候经济效益不是十分明显，需要进行详细的技术经济比较。

4、低品位余热资源利用的关键技术

4.1 以相变换热为代表的高效热管换热技术

低品位余热资源的利用由于温差较小，通常要使用较大的传热面积，这也代表着钢材使用量的增加和占地面积的增加，使得传统换热器并不适合于低品位余热资源的利用场合。而采用相变换热为基础的高效热管换热技术，能够大大提高传热系数，减少钢材的耗量，同时也便于控制受热面的壁面温度。

4.2 换热器耐腐蚀\磨损技术

工业余热资源普遍存在腐蚀性的因素，烟气里面含有酸性气体和粉尘，废水中含有氯离子等。这些腐蚀性因素对换热器的长期稳定运行构成严重的影响。要想利用低品位余热，就必须解决好腐蚀问题，采用特定的换热器材质，合理布置换热器的结构，都有助于减缓换热器的腐蚀，也要注意换热器利用的经济性。

4.3 热泵及低温余热溴化锂制冷技术

使用热泵及低温余热溴化锂制冷，可以将低温余热升级利用，但是也面临提高能效利用效率和受热面腐蚀的问题，需要在热泵和溴化锂制冷机的设计中考虑这一问题。

4.4 螺杆膨胀机发电技术

螺杆膨胀动力机技术作为低品位发电减排技术，螺杆膨胀机是一种容积式发动机，能够利用过热蒸汽、饱和蒸汽、热水、热液和其他热源等，可以使用70℃以上的热水和130℃(也有资料介绍在180～20 0℃)以上的不含硫烟气作为热源，也可以使用低压蒸汽。由于结构特点，螺杆膨胀机的单机功率有限，多在1000kW以下，适合于余热资源较少的场合。

这项技术仍然在不断完善，主要是自用电较大，发电效率较低，使得发电利用的经济性受到一定的影响。国内有江西华电、杭州开山股份等公司有相关产品。

4.5 有机朗肯循环发电及其它低温发电技术

对于工业中大量存在的200 ℃，甚至300℃以下的低品位余热，难以使用常规的蒸汽/饱和蒸汽/热水作为工质进行发电利用。这时候，可以考虑采用有机工质循环方案。

有机朗肯循环(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。目前采用的工质有机工质有正丁烷、氯乙烷等低温沸点有机物，也有的采用有机工质的混合物。此项技术国外研究较多，美国、德国、日本等都有专业从事ORC 技术研发利用的企业。我国目前这项技术正处于发展之中，目前杭州汽轮机公司、清华大学和其他一些单位正在做研究工作。其他低温发电技术，包括Kalina循环发电等，使用的工质是氨水混合物。理论上Kali n a循环发电比ORC的发电效率高出15%，但是实际运行中并没有很明显的优势。

5、低温余热回收利用的原则

从尽可能充分利用低品位余热资源的角度出发，建议低温余热资源利用遵循以下原则：

(1)首先应该尽可能优化生产工艺，合理组织换热流程，降低工艺用能，在生产工艺中尽可能地减少低温余热的产生。

(2)低温余热资源的利用要综合考虑厂区内和周边地区的工业、民用等用热(冷、电)需求，不能孤立地考虑，利用的时候应按照用户距离“先近后远”及利用周期“优先长周期”的原则，做好利用规划。

(3)低温余热资源的利用应根据余热的品质、数量和用户需求，按照能级匹配的方式实现梯级利用，尽可能减少传热温差。

(4)在低温余热资源的利用方式，按照“直接热利用—制冷制热—热功转换”的顺序，合理安排利用方式。

(5)具体设计利用方案时，还要考虑是否传热元件的耐腐蚀性和利用技术成熟度，做好经济效益分析和对比。

6、结论和建议

在设计低品位余热资源利用方案时，应该首先调查厂区内及周边地区的用热(冷)需求，按照前述的原则，综合制定利用方案，再选择经济上可行、技术上合理的利用方案加以实施。