低溫余熱資源的利用方式和技術(shù)

隨著節(jié)能工作的不斷深入，低溫余熱資源的利用日益成為節(jié)能工作的一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)，本文分析了低品味余熱資源的特點(diǎn)，總結(jié)了目前的利用方式和技術(shù)進(jìn)展。

1、余熱資源等級(jí)劃分

工業(yè)余熱主要指工業(yè)企業(yè)熱能轉(zhuǎn)換設(shè)備及用能設(shè)備在生產(chǎn)過程中排放的廢熱、廢水、廢氣等低品位能源。利用余熱回收技術(shù)將這些低品位能源加以回收利用，是節(jié)能的重要手段之一。按照余熱資源載體的溫度高低，可把余熱資源按品味進(jìn)行劃分，溫度高則代表余熱資源的可做功能力高，即是所謂“高品位余熱資源”。溫度低，則代表該余熱資源品味較低。

2、低品位余熱資源的來源及利用難點(diǎn)

余熱資源的主要來源為：①煙氣的余熱；②高溫產(chǎn)品和爐渣的余熱；③冷卻介質(zhì)的余熱；④可燃廢氣、廢液和廢料的余熱；⑤廢汽、廢水余熱；⑥化學(xué)反應(yīng)余熱。

比較典型的低品位余熱資源有：①鍋爐（加熱爐）等排放的煙氣，一般在140~180℃；②高爐渣、煉鋼渣的沖渣水，溫度在60~9 0℃；③循環(huán)冷卻水，大部分在30~50℃；油田采出水，在30~60℃。

低品位余熱資源的利用難點(diǎn)在于：①大部分低品位余熱資源含有腐蝕性的物質(zhì)，對(duì)設(shè)備長(zhǎng)期安全運(yùn)行構(gòu)成不小的影響；②有的低品位余熱資源具有間歇性的特點(diǎn)，難于連續(xù)運(yùn)行；③由于品味較低，難以在現(xiàn)場(chǎng)附近尋找到合適的供熱（冷）負(fù)荷；④用于發(fā)電，效率較低，技術(shù)還有待成熟，經(jīng)濟(jì)效益偏低。

3、低品位余熱資源的利用方式探討

低品位余熱資源的利用可以分為直接熱利用、制冷制熱和熱功轉(zhuǎn)換三種方式。

3.1直接熱利用

熱交換技術(shù)設(shè)備對(duì)低溫余熱的利用是通過換熱設(shè)備將余熱能量直接傳給自身工藝的耗能過程，是余熱回收直接高效的方法之一。由于低溫余熱資源溫度較低，需要找到合適的利用場(chǎng)合，還要考慮輸送過程中的損耗因素。

比較常見的有：循環(huán)水用于采暖供熱、鍋爐煙氣用于余熱空氣、加熱爐煙氣余熱用于加熱物料等。

3.2制冷制熱

在直接熱交換沒有合適的利用場(chǎng)合的情況下，也可將低溫余熱用于吸收式制冷或者熱泵制熱，改變余熱能量的等級(jí)。

利用電廠循環(huán)水做熱泵的熱源，使用少量的抽汽作為驅(qū)動(dòng)能源，采用熱泵將循環(huán)水溫度提升到95℃以后送入城市供熱管網(wǎng)，節(jié)能效果顯著。

化工企業(yè)需要制冷的工藝裝置較多，利用溴化鋰吸收式制冷裝置，利用余熱作為熱源，制取冷量作為生產(chǎn)使用，也是非常合理的利用低溫余熱的節(jié)能措施。

3.3熱功轉(zhuǎn)換

熱功轉(zhuǎn)換就是將低品位余熱資源轉(zhuǎn)換為機(jī)械能或者電能加以利用。一般來說，如果低品位余熱資源在“直接熱利用”或者“制冷制熱”兩種方式都存在較大困難的前提下，熱功轉(zhuǎn)換不失為一種選擇。如果僅轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，則需要在余熱資源利用現(xiàn)場(chǎng)有合理的機(jī)械負(fù)載。進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為電能，則可以進(jìn)行稍遠(yuǎn)一些的輸送，使用方式更加靈活。

熱功轉(zhuǎn)換的主要技術(shù)手段為螺桿膨脹機(jī)發(fā)電技術(shù)、汽輪機(jī)發(fā)電技術(shù)、飽和蒸汽發(fā)電\拖動(dòng)技術(shù)等。

4、低品位余熱資源利用的關(guān)鍵技術(shù)

4.1以相變換熱為代表的高效熱管換熱技術(shù)

低品位余熱資源的利用由于溫差較小，通常要使用較大的傳熱面積，這也代表著鋼材使用量的增加和占地面積的增加，使得傳統(tǒng)換熱器并不適合于低品位余熱資源的利用場(chǎng)合。而采用相變換熱為基礎(chǔ)的高效熱管換熱技術(shù)，能夠大大提高傳熱系數(shù)，減少鋼材的耗量，同時(shí)也便于控制受熱面的壁面溫度。

4.2換熱器耐腐蝕\磨損技術(shù)

工業(yè)余熱資源普遍存在腐蝕性的因素，煙氣里面含有酸性氣體和粉塵，廢水中含有氯離子等。這些腐蝕性因素對(duì)換熱器的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重的影響。要想利用低品位余熱，就必須解決好腐蝕問題，采用特定的換熱器材質(zhì)，合理布置換熱器的結(jié)構(gòu)，都有助于減緩換熱器的腐蝕，也要注意換熱器利用的經(jīng)濟(jì)性。

4.3熱泵及低溫余熱溴化鋰制冷技術(shù)

使用熱泵及低溫余熱溴化鋰制冷，可以將低溫余熱升級(jí)利用，但是也面臨提高能效利用效率和受熱面腐蝕的問題，需要在熱泵和溴化鋰制冷機(jī)的設(shè)計(jì)中考慮這一問題。

4.4螺桿膨脹機(jī)發(fā)電技術(shù)

螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)技術(shù)作為低品位發(fā)電減排技術(shù)，螺桿膨脹機(jī)是一種容積式發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠利用過熱蒸汽、飽和蒸汽、熱水、熱液和其他熱源等，可以使用70℃以上的熱水和130℃以上的不含硫煙氣作為熱源，也可使用低壓蒸汽。由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，螺桿膨脹機(jī)的單機(jī)功率有限，多在10 0 0kW以下，適合于余熱資源較少的場(chǎng)合。

這項(xiàng)技術(shù)仍然在不斷完善，主要是自用電較大，發(fā)電效率較低，使得發(fā)電利用的經(jīng)濟(jì)性受到一定的影響。

4.5有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電及其它低溫發(fā)電技術(shù)

對(duì)于工業(yè)中大量存在的200℃，甚至300℃以下的低品位余熱，難以使用常規(guī)的蒸汽/飽和蒸汽/熱水作為工質(zhì)進(jìn)行發(fā)電利用，可以考慮采用有機(jī)工質(zhì)循環(huán)方案。

有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）是使用低沸點(diǎn)的有機(jī)物為工質(zhì)來吸收廢氣余熱，汽化，進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，系統(tǒng)簡(jiǎn)單緊湊。目前采用的工質(zhì)有機(jī)工質(zhì)有正丁烷、氯乙烷等低溫沸點(diǎn)有機(jī)物，也有的采用有機(jī)工質(zhì)的混合物。此項(xiàng)技術(shù)國(guó)外研究較多，我國(guó)目前這項(xiàng)技術(shù)正處于發(fā)展之中。理論上Kali n a循環(huán)發(fā)電比ORC的發(fā)電效率高出15%，但是實(shí)際運(yùn)行中并沒有很明顯的優(yōu)勢(shì)。

5、低溫余熱回收利用的原則

從盡可能充分利用低品位余熱資源的角度出發(fā)，建議低溫余熱資源利用遵循以下原則：

（1）首先應(yīng)該盡可能優(yōu)化生產(chǎn)工藝，合理組織換熱流程，降低工藝用能，在生產(chǎn)工藝中盡可能地減少低溫余熱的產(chǎn)生。

（2）低溫余熱資源的利用要綜合考慮廠區(qū)內(nèi)和周邊地區(qū)的工業(yè)、民用等用熱（冷、電）需求，不能孤立地考慮，利用的時(shí)候應(yīng)按照用戶距離“先近后遠(yuǎn)”及利用周期“優(yōu)先長(zhǎng)周期”的原則，做好利用規(guī)劃。

（3）低溫余熱資源的利用應(yīng)根據(jù)余熱的品質(zhì)、數(shù)量和用戶需求，按照能級(jí)匹配的方式實(shí)現(xiàn)梯級(jí)利用，盡可能減少傳熱溫差。

（4）在低溫余熱資源的利用方式，按照“直接熱利用—制冷制熱—熱功轉(zhuǎn)換”的順序，合理安排利用方式。

（5）具體設(shè)計(jì)利用方案時(shí)，還要考慮是否傳熱元件的耐腐蝕性和利用技術(shù)成熟度，做好經(jīng)濟(jì)效益分析和對(duì)比。