工业余热利用现状及技术展望_周耘

科技情报开发与经济
SCI-TECH INFORMATION DEVELOPMENT ＆ ECONOMY
2010 年 第 20 卷 第 23 期
文章编号:1005－6033（2010）23－0162-03
工业余热利用现状及技术展望 *
收稿日期:2010－06－25
周 耘，王 康，陈思明
（无锡压缩机股份有限公司，江苏无锡，214026）
──────────────── * 基金项目：江苏省科技厅项目（2007-0915）。
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2 工业余热一般利用途径
2.1 余热的直接利用 余热的直接利用是最常见的回收利用方式。具体的应用领
域有： （1）预热空气。利用加热炉高温排烟预热其本身所需空气，
以提高燃料效率，节约燃料消耗。 （2）干燥。利用工业生产过程的排气来干燥加工零部件和材
工业余热按其能量形态可以分为三大类，即可燃性余热、载 热性余热和有压性余热。 1.2.1 可燃性余热
可燃性余热是指能用工艺装置排放出来的、具有化学热值 和物理显热，还可作燃料利用的可燃物，即排放的可燃废气、废 液、废料等，如放散的高炉气、焦炉气、转炉气、油田伴生气、炼油 气、矿井瓦斯、炭黑尾气、纸浆黑液、甘蔗渣、木屑、可燃垃圾等。 1.2.2 载热性余热
又重新泵回冷却机锅炉省煤器。这样，冷却机锅炉省煤器段的工
质流量比锅炉后段增大数倍，冷热流体热容量相当，可防止出现
局部温差过小，甚至造成局部反传热而影响传热效果，从而保证
废气余热的充分利用，使出炉烟气温度降至 90 ℃左右。
（4）对现有冷却机进行了废气二次循环改造，以提高入炉废
气温度，减少废气流量。在缩小冷却机锅炉体积的同时，增大了
（1）采用减速式两点混汽式汽轮机，可利用参数较低的主蒸 汽及从闪蒸器出来的饱和蒸汽发电。
（2）设置具有专利技术的余热锅炉— ——预热器锅炉、冷却机 锅炉和一台高压闪蒸器及一台低压闪蒸器，充分利用余热资源， 应用热水闪蒸技术闪蒸出来的饱和蒸汽混入汽轮机做功。预热 器锅炉和冷却机锅炉的特点见表 1。冷却机锅炉省煤器段出水分 3 路：一路直接进冷却机锅炉汽包，一路作为预热器锅炉汽包的 给水，另外一路进入高压闪蒸器。
图 2 沼气余热利用方案一 163
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方案二：禽肉加工业的发展必然要用到生产性冷库，所以在 远距离输送冷量和热量不经济的情况下，可以使用发电余热作 为冷库的动力，剩余的热量还可以提供给诸如屠宰场等生产环 节。余热驱动的氨吸收式制冷机组具有温室气体排量低、环保、 能源利用率高等特点，在冷库制冷系统中得到了广泛的应用（见 图 3）。
1 工业余热的来源和分类
1.1 工业余热简介 工业余热来源于各种工业炉窑、热能动力装置、热能利用设
备、余热利用装置和各种有反应热产生的化工过程等。目前，各 行业的余热总资源约占其燃料消耗总量的 17％～67％，可回收利 用的余热资源约为余热总资源的 60％。合理充分利用工业余热 可以降低单位产品能耗，取得可观的经济效益。 1.2 工业余热的分类
再利用其排气通过余热锅炉产生蒸汽，进入汽轮机做功，形成燃 气—蒸汽联合循环，以提高余热的利用效率，加之使用汽轮机抽 气或排气供热，余热经多次利用，就更扩大了其回收利用的效 果。
在余热回收利用系统中，若采用热泵技术，可进一步提高余 热的能级和利用效果，S Spoelstra 等人对使用高温热泵回收的工 业废热进行了研究。他们改良升级了异丙醇热泵和盐/氨水混合 蒸汽热泵这两种可用于废热利用的系统，并分别进行了模拟实 验，其结果表明：前者具有更高的焓效率和 COP，且无副产品的 形成，因而能更有效地回收利用余热，其平均内部收益率（IRR） 达到了 14％。
热管是一种良好的新型工业废热利用设备，它具有结构简 单、不存在交叉污染等特点。最普通的热管是由一密封的管状容 器组成，器壁具有毛细芯结构材料，该管状容器充以蒸发液体。 热管的作用是基于蒸发—冷凝循环原理。毛细芯结构材料的作 用如同泵一样，它将冷凝流体送回热输入端，由废热使热管的液 体工质蒸发，蒸发的潜热随蒸汽送至热管的冷端冷凝，释放出潜 热。然后，冷凝的液体再由毛细芯结构送回到热端，如此循环，高 效率地传递热能（见图 5）。常温热管运用于温度控制和回收生产 过程的废热。热管还可用于空气干燥器、加热、通风、空调设备和 空气预热器等。
安徽省宁国水泥厂提供一套先进、成熟、可靠的低温余热发 电设备，安装在宁国水泥厂 4 000 t/d 水泥生产线上，发电机组装 机容量为 6 480 kW，设计年发电量为 4 087 万 kWh，单位熟料发 电能力为 33.88 kWh/t。该项技术使水泥生产中大量的中、低温余 热得到了充分利用。水泥厂余热资源的特点是流量大、品位低。 针对上述特点，在热力系统设计时采取如下措施：
图 4 热轮
蒸发段 图 5 热管
5 结论
本文介绍了工业余热的概念以及来源，研究了余热利用现 状和现有技术, 并结合一些实例阐述了余热利用的实用途径和 发展前景，结论如下：
余热的综合利用方式是根据工业余热温度的高低而采取不 同的方法，以做到“热尽其用”，因而它是最有效的利用余热的途 径。例如，利用高温余热产生的蒸汽，通过供热机组取得热电合 供的效果；利用有一定压力的高温废气，先通过燃气轮机做功，
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需要保持一定的温度，以促进农作物的生长。常用的做法是：在
温室内加装散热器，或者铺设地热盘管，使其成为温室内的供暖
系统。剩余的热量可以为温室的供暖系统提供热量，以促进植物
生长。
沼气 燃气内燃机
变压器
电力负荷
冷却水
烟气
发酵 烟气—水 罐 换热器
余热锅炉
换热器
采暖负荷
LiBr 吸收式制冷机 空调负荷
其他热用户
表 1 预热器锅炉及冷却机锅炉的特点
项目 工质循环形式
烟气流向 管道走向 管道排列形式 管道种类 除灰装置
预热器锅炉 强制循环 水平 垂直 错排 光管 振打系统
冷却机锅炉 自然循环 自上而下
水平 错排 螺旋翅管
—
（3）高压闪蒸器出水作为低压闪蒸器的给水（即二级闪蒸系
统），两股闪蒸饱和汽分别进入汽轮机做功，而低压闪蒸器出水
3 工业余热利用现状实例分析
3.1 热量的直接利用实例分析
哈尔滨卷烟厂能源科近几年对余热利用做了大量工作。哈
尔滨卷烟厂余热主要来自制丝生产过程中的带压凝结水和部分
乏汽，余热的直接利用是以此乏汽回水为热源，以锅炉蒸汽为补充
热源，通过热交换，提供厂房和办公楼的采暖及全厂职工洗澡，从
而到达节能目的。系统中包括回水二次蒸发箱、板式汽（水）—水换
摘 要：介绍了工业余热的来源和分类，分析了余热利用现状和现有技术,并结合具体
实例，研究了余热利用的实用性途径和发展前景。
关键词：工业余热；综合利用；实例分析
中图分类号：TK01+8
文献标识码：A
众所周知，能源是关系国计民生、与日常生活息息相关的大 问题。但我国目前的能源利用模式和能源利用技术还不能适应经 济社会快速发展的要求，供需矛盾日益突出。鉴于能源供需紧张的 现状和现阶段工业余热大量过剩及利用率低等各种问题，大力开 展工业余热的有效利用不失为可持续发展的一大战略途径。
料，如铸工车间的铸砂模型等；还可以干燥天燃气、沼气等燃料。 在医学上，工业余热还能用来干燥医用机械。
（3）生产热水和蒸汽。利用低温余热来产生 70 ℃～80 ℃或更 高、更低温度的热水和低压蒸汽，供应生产工艺和生活的不同需 求。
（4）制冷或供热。利用低温余热来加热吸收式制冷机的蒸发 器，或作为热泵的低温热源，达到制冷或供热的目的。
周边沼气厂的余热综合利用为例，分两种方案加以分析。
方案一：沼气发电厂如果靠近居民生活区，或者养殖基地本
身有空调和采暖的实际需要，余热可以在夏天通过热水型溴化
锂吸收式冷水机组为建筑供冷，冬天通过水—水热交换器产生
热水为建筑供暖，过渡季节可以带动余热锅炉为工业或生活提
供热水或蒸汽（见图 2）。对农业示范基地而言，温室大棚内部都
换热量，且提高了整个系统的热能品位。
（5）由于预热器出口废气还要用于烘干原料，所以预热器锅
炉不设省煤器，只设蒸发器和过热器，从而使出炉烟温度达 250
℃，仍可用原料烘干。
3.3 余热的综合利用实例分析
余热的综合利用是最有效的利用余热的途径。现在工业上，
沼气余热的综合利用是最常见、最有效的。下面以大型养殖基地
热器、套管式水—水换热器、冷凝水箱及辅助设备（见图 1）。
来自锅炉的蒸汽
采暖用水
生产及空调 用汽设备
疏水器
蒸汽水缸
三台板式汽
排
—水换热器
汽
管
二
次
蒸
套管式
发 水—水换
箱
热器
冷凝 水箱
回锅炉 泵
图 1 哈尔滨卷烟厂余热利用原理图
Baidu Nhomakorabea
厂区所有的回水回归到集汽水缸，然后进入二次蒸发箱迅 速降压并产生二次蒸汽和凝结水。正常工作时，含汽凝结水由集 汽水缸流出，沿切线方向进入二次蒸发箱，由于旋转运动造成的 离心分离作用使凝结水沿二次蒸发箱向下流出，进入套管式 水—水换热器，而分离出来的二次蒸汽由凝水面向上方引出进 入汽—水换热器；由二次蒸发箱上部引出的二次蒸汽分别进入 3 台板式汽—水换热器，经换热后的热水大约在 85 ℃，可满足采暖 供热需求；由二次蒸发箱下部引出的高温凝结水经设在加热水 箱内的套管式水—水换热器将水箱冷水加热，由水泵送至职工 浴池，每天可供全厂 2 000 名职工洗澡；经过汽—水热交换后的 冷凝水最后回归冷凝水箱回收，再由水泵打回锅炉。 3.2 余热的动力回收实例分析
冷凝段
沼气 燃气内燃机
变压器
电力负荷
冷却水
烟气
发酵 烟气—水 热水/蒸汽 罐 换热器
补充锅炉
氨吸收式 制冷机组
其他热用户
冷库负荷
图 3 沼气余热利用方案二
4 工业余热回收最新技术
近年来，工业余热的利用方法越来越多元化，越来越来高 效，涌现了很多余热回收利用的新型装置和技术。 4.1 热轮
热轮由多孔和高比热容量的材料制成，有转盘式和转鼓式 两种结构型式。当热轮的转盘或转鼓低速旋转时，热气体的热量 传递给热轮；若热轮继续旋转，它便将所获得的热量传递给进入 的冷空气（见图 4）。热轮的热传递效率现已达到 75％～80％，应用 温度也可达 870 ℃左右。由于热轮结构的原因，会有少量的废气 进入气管内，因而产生一定程度的污染。若污染量超过许可限 度，则可附加清洗段来减少污染程度。热轮一般用于采暖和低 温、中温废热的回收，以及干燥炉、养护炉和空气的预热器中。 4.2 热管
常见的大多数余热是载热性余热，它包括排出的废气和产 品、物料、废物、工质等所带走的高温热以及化学反应热等，如锅 炉与窑炉的烟道气，燃气轮机、内燃机等动力机械的排气，焦炭 钢铁铸件、水泥、炉渣的高温显热，凝结水、冷却水、放散热风等 带走的显热，以及排放的废气潜热等。 1.2.3 有压性余热
有压性余热通常又叫余压（能），它是指排气、排水等有压液 体的能量。另外，因为工业余热的温度是衡量其质量（品位）的重 要标尺，而其温度的高低亦影响了余热回收利用的方式，所以余 热也通常按温度高低分为：高温余热，T≥650 ℃；中温余热，230 ℃≤T＜650 ℃；低温余热，T＜230 ℃。
国外对余热的直接利用已经开展得比较成熟 。R Tugrul Ogulata 等设计了一种热量回收系统，以用于纺织行业中纺织品 的烘干过程。在纺织品烘干过程中，被用来干燥的空气温度升 高，湿度增加并且被一些灰尘以及化学物质所污染，因此不能用 于再次干燥。在传统工业中，这些“废气”会被直接排放到大气 中，其中的热量就被浪费掉。Ogulata 设计了一种废气循环系统， 运用同流换热器，将用过的高温、高湿的废气对纺织品进行预 热，并循环利用，很好地降低了能耗。 2.2 余热的动力回收
对于中高温余热，最好使其产生动力，直接作用于水泵、风 机、压缩机，或带动发电机发电。例如，各种工业窑炉和动力机械 的排烟温度大都在 500 ℃以上，甚至达 1 000 ℃左右，可装设余 热锅炉产生蒸汽，推动汽轮机产生动力或发电；对于中温余热， 为提高动力回收的效率，宜采用低沸点介质 （如正丁烷 F－114 等），按朗肯循环进行能量转换，达到余热动力回收的目的。 2.3 余热的综合利用