摘要：介紹了我國在工業(yè)生產(chǎn)中余熱資源利用的基本現(xiàn)狀,探討了各種余熱利用技術(shù)的進(jìn)展,分析了水泥窯、工業(yè)爐余熱利用等方面存在的主要問題,為科學(xué)合理地進(jìn)行余熱利用提出了相關(guān)建議。

　　前言

　　在工業(yè)生產(chǎn)中,使用著各種窯爐,如回轉(zhuǎn)窯、加熱爐、轉(zhuǎn)爐、反射爐、沸騰焙燒爐等。這些窯爐都耗用大量的燃料,它們的熱效率都很低,一般只有30%左右,而被高溫?zé)煔?、高溫爐渣、高溫產(chǎn)品等帶走的熱量卻達(dá)到40%～60%,其中可利用的余熱在冶金方面約占燃料消耗量的三分之一,機(jī)械、玻璃、造紙等方面占15%以上。

　　節(jié)能減排是我國經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的一項長遠(yuǎn)戰(zhàn)略方針,也是一項極為緊迫的任務(wù)?；厥沼酂峤档湍芎膶ξ覈鴮崿F(xiàn)節(jié)能減排、環(huán)保發(fā)展戰(zhàn)略具有重要的現(xiàn)實意義。同時,余熱利用在對改善勞動條件、節(jié)約能源、增加生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本等方面起著越來越大的作用,有的已成為工業(yè)生產(chǎn)中不可分割的組成部分。自上世紀(jì)六七十年代以來,世界各國余熱利用技術(shù)發(fā)展很快。目前,我國的余熱利用技術(shù)也得到了長足進(jìn)步,但是與世界**水平還有一定的差距,有一部分余熱尚未被充分利用,有一部分余熱在利用中還存在不少問題。

　　1、余熱利用概述

　　余熱屬于二次能源,它是一次能源和可燃物料轉(zhuǎn)換過程后的產(chǎn)物,是燃料燃燒過程中所發(fā)出的熱量在完成某一工藝過程后所剩下的熱量。一般分成下列七大類:高溫?zé)煔庥酂?、高溫蒸汽余熱、高溫爐渣余熱、高溫產(chǎn)品余熱(包括中間產(chǎn)品)、冷卻介質(zhì)余熱、可燃廢氣余熱、化學(xué)反應(yīng)及殘?zhí)康挠酂帷⒗淠酂岬?。常見的余熱利用方法主要?余熱鍋爐、熱水法、預(yù)熱空氣、煙氣-流體換熱器、加工物料等。

　　由于使用的生產(chǎn)方法、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)設(shè)備以及原料、燃料條件的不同和工藝上千變?nèi)f化的需要,從而給余熱利用帶來很多困難。一般說來余熱熱源往往有以下特點:

　　(1)熱負(fù)荷不穩(wěn)定。不穩(wěn)定是由工藝生產(chǎn)過程決定的。例如:有的生產(chǎn)是周期性的,有的高溫產(chǎn)品和爐渣的排放是間斷性的,有的工藝生產(chǎn)雖然連續(xù)穩(wěn)定,但熱源提供的熱量也會隨著生產(chǎn)的波動而波動。

　　(2)煙氣中含塵量大。如氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煙氣中的含塵量達(dá)80～150g/m3、沸騰焙燒爐150～350g/m3、閃速爐80～130g/m3、煙氣爐80～160g/m3,含塵數(shù)量大大超過一般的鍋爐。同時煙塵的物理、化學(xué)性質(zhì)也特別惡劣,尤其是爐煙溫度高、含塵量大時,更容易粘結(jié)、積灰,從而對余熱回收的設(shè)備有可能產(chǎn)生嚴(yán)重磨損和堵塞的后果。表1和表2示出了幾種典型工業(yè)過程中余熱煙氣成分、灰塵濃度、煙塵化學(xué)成分的分析數(shù)據(jù)。

　　(3)熱源有腐蝕性。余熱煙氣中常常含有二氧化硫等腐蝕性氣體,在煙塵或爐渣中含有各種金屬和非金屬元素,這些物質(zhì)都有可能對余熱回收設(shè)備造成受熱面的高溫腐蝕或低溫腐蝕,參見表2。

　　(4)受安裝場所固有條件的限制。如有的對前后工藝設(shè)備的聯(lián)接有一定的要求,有的對排煙溫度要求保持在一定的范圍內(nèi)等。這些要求與余熱回收設(shè)備常發(fā)生一定的矛盾,必須認(rèn)真研究統(tǒng)籌解決。

　　2、我國余熱利用的現(xiàn)狀

　　據(jù)統(tǒng)計,截至2005年底,我國運行的各種工業(yè)爐約有95萬臺,能耗占全國工業(yè)總能耗的35%以上,其中有大量的余熱仍沒能被充分利用。例如,冶金行業(yè)中可利用的余熱約占其燃料消耗量的1/3,建筑材料約占40%,機(jī)械制造加工業(yè)約占15%,化工、玻璃、搪瓷業(yè)占15%以上,造紙、木材業(yè)占17%;紡織業(yè)約占10%。下面就幾個高能耗行業(yè)的余熱利用現(xiàn)狀展開論述。

　　2.1水泥窯余熱利用

　　利用純低溫余熱發(fā)電技術(shù)來回收水泥窯余熱,已經(jīng)在水泥行業(yè)內(nèi)被廣泛采用,并作為我國“十一五”十大重點節(jié)能工程之一的余熱余壓利用工程被推廣。經(jīng)中國水泥協(xié)會初步統(tǒng)計,2008年全國新型干法水泥生產(chǎn)線總投產(chǎn)120條新線,新增水泥熟料產(chǎn)能.4萬噸,其中6000t/d生產(chǎn)線6條,5000t/d生產(chǎn)線66條,3000t/d生產(chǎn)線5條,其它生產(chǎn)線43條。加上2008年之前已有的新型干法水泥生產(chǎn)線,截至2008年底,全國共有新型干法水泥生產(chǎn)線922條,熟料產(chǎn)能.4萬噸。國家發(fā)改委制定的“十一五”發(fā)展目標(biāo)是:2010年水泥預(yù)期產(chǎn)量在12.5億噸,其中新型干法水泥比重提高到70%,新型干法水泥噸熟料熱耗由130kg下降到110kg標(biāo)準(zhǔn)煤,采用余熱發(fā)電的生產(chǎn)線達(dá)40%。截至2008年6月,全國水泥行業(yè)在新型干法水泥生產(chǎn)線上已經(jīng)配套建設(shè)各種類型的純低溫余熱電站約186座(包括已經(jīng)投產(chǎn)運行和正在建設(shè)的),形成年余熱發(fā)電量98億度的能力,相當(dāng)于年節(jié)約380萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤、減排二氧化碳980萬噸。

　　新型干法水泥窯余熱煙氣一般為400℃以下的廢氣:一部分是窯尾預(yù)熱器產(chǎn)生的高粉塵(70～100g/m3)濃度的窯尾煙氣;另一部分為窯頭冷卻熟料的低粉塵(～30g/m3)濃度的窯頭煙氣。根據(jù)水泥窯生產(chǎn)工況的特點,煙氣排氣量和溫度均有較大的波動范圍,同時排出的煙氣中含有一定量的粉塵,窯尾排出的煙氣粉塵主要是生料,磨礪性不強(qiáng),但有一定的粘附性,容易在余熱鍋爐受熱面上沉積形成沾污,降低傳熱系數(shù);而窯頭廢氣中的粉塵主要是熟料顆粒,煙氣成分接近空氣,但其磨礪性較強(qiáng),容易使余熱鍋爐受熱面產(chǎn)生磨損。

　　2.2冶金行業(yè)余熱利用

　　冶金企業(yè)屬于耗能型企業(yè),其能耗占全國能耗的10%左右,占工業(yè)部門能耗的15%左右,能源費用占企業(yè)生產(chǎn)總成本20%～30%。由于能源生產(chǎn)的增長速度尚難以適應(yīng)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求,能源價格的上升和波動已經(jīng)對冶金企業(yè)的生存和發(fā)展構(gòu)成了挑戰(zhàn),節(jié)能降耗已經(jīng)成為冶金企業(yè)長期的戰(zhàn)略任務(wù)。冶金企業(yè)從原料、焦化、燒結(jié)到煉鐵、煉鋼、連鑄以及軋鋼的生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量含有可利用熱量的廢氣、廢水、廢渣,同時在各工序之間存在著含有可利用能量的中間產(chǎn)品和半成品。充分回收和利用這些能量,是企業(yè)現(xiàn)代化程度的標(biāo)志之一。

　　目前,冶金企業(yè)常用的余熱利用方式有:安裝換熱器、余熱鍋爐、爐底管汽化冷卻、冷熱電聯(lián)產(chǎn)等,回收后的熱量主要用于預(yù)熱助燃空氣、預(yù)熱煤氣和生產(chǎn)蒸汽。國內(nèi)冶金企業(yè)換熱器的發(fā)展趨勢是:換熱器的型式由簡單的低效型走向強(qiáng)化傳熱的高效型,熱風(fēng)溫度一般在300℃以上(比過去提高了80～100℃),出換熱器的煙溫由過去的400～500℃降低到250～400℃。以寶鋼鋼鐵股份有限公司為例,其主要的余熱回收技術(shù)有:干熄焦(CDQ)發(fā)電技術(shù)、燒結(jié)余熱回收技術(shù)、高爐余壓發(fā)電技術(shù)、副產(chǎn)煤氣回收技術(shù)、熱送熱裝技術(shù)、加熱爐汽化冷卻技術(shù)、爐窯煙氣余熱回收技術(shù)等。十年來,該公司余能回收量大幅提高了86%。

　　2.3其他行業(yè)余熱利用

　　建筑陶瓷行業(yè)消耗的熱能中,主要集中于干燥和燒成工序,它們的能耗占整個企業(yè)能耗的80%以上。其中,約有61%用于燒成工序,干燥工序能耗約20%。我國陶瓷行業(yè)的能源利用率為28%～30%,而發(fā)達(dá)國家的能源利用率一般高達(dá)50%以上。建筑陶瓷企業(yè)的窯爐所產(chǎn)生的煙氣帶走的熱量是巨大的,而目溫度較高可達(dá)400～500℃,占窯爐總熱量的25%～35%,噴霧塔所產(chǎn)生的煙氣和水氣熱能雖然溫度較低(80～120℃),但熱量巨大。人們對這部分余熱利用已經(jīng)重視起來,目前已經(jīng)逐漸開始推廣利用窯爐余熱直接加熱干燥坯體或噴霧泥漿、在換熱器中用煙氣余熱加熱助燃空氣和氣態(tài)燃料、設(shè)置余熱鍋爐生產(chǎn)蒸汽以及用于冷熱電聯(lián)產(chǎn)。

　　此外,余熱利用在玻璃窯工業(yè)、硅冶煉工業(yè)等行業(yè)中也日漸得到重視,出現(xiàn)了與生產(chǎn)相結(jié)合的余熱利用的方法。

　　3、余熱利用的技術(shù)進(jìn)展

　　3.1水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)

　　圖1示出了5000t/d新型干法水泥生產(chǎn)線余熱發(fā)電工程系統(tǒng)圖。一般一條生產(chǎn)線設(shè)置2臺余熱鍋爐,分別稱為窯頭余熱鍋爐(AQC)和窯尾余熱鍋爐(SP)。水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)大致經(jīng)歷了中空窯高溫余熱發(fā)電、預(yù)熱器及預(yù)分解窯帶補(bǔ)燃爐的余熱發(fā)電、帶預(yù)熱器及預(yù)分解窯的純低溫余熱發(fā)電3個發(fā)展階段。純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)是在帶補(bǔ)燃鍋爐的低溫余熱發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,通過十幾年來眾多生產(chǎn)線余熱鍋爐的運行實踐,我國幾大設(shè)計院和制造廠初步摸索和掌握了水泥窯余熱鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能設(shè)計的原理,解決了鍋爐漏風(fēng)、積灰、磨損、腐蝕等運行中曝露出的問題,為目前**開發(fā)純低溫余熱發(fā)電技術(shù)奠定了可靠的基礎(chǔ)。目前國內(nèi)余熱發(fā)電技術(shù)要采用單壓、雙壓、閃蒸等3種熱力系統(tǒng),在相同煙氣參數(shù)條件下,按照技術(shù)經(jīng)濟(jì)的觀點,這3種系統(tǒng)中,單壓系統(tǒng)發(fā)電能力較低,雙壓系統(tǒng)發(fā)電能力較高,而閃蒸單級補(bǔ)汽系統(tǒng)其發(fā)電能力介于兩者之間。

　　水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)主要是利用預(yù)分解窯系統(tǒng)中窯尾預(yù)熱器排出的廢氣余熱及窯頭熟料冷卻機(jī)排掉的廢氣余熱。根據(jù)廢氣溫度和廢氣量的不同,余熱發(fā)電系統(tǒng)的余熱發(fā)電能力也不同,對于水泥熟料產(chǎn)量從700t/d到5000t/d,甚至達(dá)到t/d的生產(chǎn)線,其余熱發(fā)電系統(tǒng)單臺機(jī)組發(fā)電功率為4500～kW不等。當(dāng)窯尾預(yù)熱器排出的廢氣溫度為350～430℃、窯頭熟料冷卻機(jī)排掉的廢氣溫度為200～380℃時,通過余熱鍋爐回收其中的余熱產(chǎn)生溫度為330～400℃、壓力為1.25～2.45MPa一定流量的過熱蒸汽,驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電,同時產(chǎn)生低壓飽和蒸汽作為補(bǔ)汽進(jìn)入汽輪機(jī)。表3給出了某實際使用的2500t/d規(guī)模水泥窯生產(chǎn)線中采用的窯頭和窯尾余熱鍋爐的規(guī)范參數(shù)。

　　以下是我們在廣泛調(diào)研國內(nèi)眾多運行的水泥窯低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)后,對我國目前低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)及余熱鍋爐技術(shù)的評價:

　　(1)基于節(jié)能經(jīng)濟(jì)性,選擇純低溫余熱發(fā)電作系統(tǒng);

　　(2)基于提高發(fā)電能力,選擇雙壓(補(bǔ)汽)的發(fā)電系統(tǒng);

　　(3)基于提高蒸汽出力,選擇立式的減少煙道漏風(fēng)的余熱鍋爐結(jié)構(gòu);

　　(4)基于減少積灰和提高傳熱能力,選擇橫向沖刷錯列管束和機(jī)械振打清灰技術(shù);

　　(5)基于煙塵磨損考慮,選擇比較低的煙氣流速;

　　(6)基于提高傳熱系數(shù),提高蒸汽產(chǎn)量,對煙塵含量低的AQC爐選擇螺旋翅片管;

　　(7)基于減小漏風(fēng)系數(shù),選擇立式余熱鍋爐結(jié)構(gòu)和雙層金屬護(hù)板;

　　(8)基于立式余熱鍋爐結(jié)構(gòu)布置需要,選擇水平布置的蒸發(fā)管束;

　　(9)基于傳統(tǒng)的制造工藝,選擇蛇形管束受熱面。

　　3.2工業(yè)爐余熱利用技術(shù)

　　工業(yè)爐余熱利用的技術(shù)主要有:安裝換熱器或采用蓄熱燃燒技術(shù),預(yù)熱助燃空氣或煤氣,安裝余熱鍋爐加熱熱水或產(chǎn)生蒸汽,預(yù)熱被加熱的物料。充分回收余熱,節(jié)約燃料。一般助燃空氣溫度每提高100℃,可節(jié)約燃料5%。通過預(yù)熱空氣、燃料或工件,使煙氣余熱加熱空氣返回爐內(nèi),可使火焰穩(wěn)定、提高燃料溫度和燃燒效率和設(shè)備熱效率,節(jié)能效果更好。

　　生產(chǎn)蒸汽的余熱回收設(shè)備主要是余熱鍋爐和汽化冷卻裝置。有條件的企業(yè)應(yīng)設(shè)置余熱鍋爐,不過有時使用余熱鍋爐并不合算,因為余熱鍋爐屬于低溫爐,可以而且應(yīng)當(dāng)使用低品質(zhì)的熱源,高溫爐的煙氣余熱應(yīng)當(dāng)回到高溫爐內(nèi),以節(jié)省高品質(zhì)燃料。

　　(1)針對煙氣和熱風(fēng)的保溫差,采取措施充分保存與回收余熱的排煙,使余熱回收裝置前的煙氣熱損失和回爐熱風(fēng)的顯熱損失分別降到5%和3%左右。而之前由于煙氣從爐膛冒出、吸入冷風(fēng),地下煙道漏水、漏氣,旁通煙道短路和管道絕熱不良,使多數(shù)鍋爐在回收裝置前的煙氣熱損失高達(dá)30%～50%,回爐熱風(fēng)的顯熱損失為20%～33%。

　　(2)針對排煙溫度高和換熱器能力小。目前已經(jīng)開發(fā)出了各種高效經(jīng)濟(jì)的換熱器和能使用全熱風(fēng)的燃燒裝置,回收后煙溫可下降到180～250℃,不再需要安裝價格昂貴而利用率不高的余熱鍋爐,使?fàn)t氣余熱從爐外回收轉(zhuǎn)到爐內(nèi)回收的方向來,并提出了“余熱全自回收”的新概念,即設(shè)法降低排出的煙溫和煙量,并使余熱回收過程中的各項熱損失減少,然后通過高效換熱器將余熱*大限度地回收并全部送入爐內(nèi)。

　　3.3余熱鍋爐技術(shù)

　　余熱鍋爐是利用工業(yè)生產(chǎn)過程中的余熱來產(chǎn)生蒸汽(熱水)的設(shè)備,過去也稱為廢熱鍋爐,燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電過程余熱鍋爐稱為熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)。文獻(xiàn)《工業(yè)鍋爐技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展思路探討》總結(jié)了近年來余熱鍋爐技術(shù)的*新進(jìn)展和創(chuàng)新思路,主要有以下幾點:

　　(1)采用理論分析和參數(shù)優(yōu)化的研究方法進(jìn)行余熱鍋爐本體熱量分配、工質(zhì)參數(shù)優(yōu)化和余熱鍋爐整體布置選型研究,該研究將決定余熱鍋爐應(yīng)達(dá)到的設(shè)計目標(biāo)。

　　(2)采用試驗研究的方法研究粉塵的物理、化學(xué)和外部工作過程特性,采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行通流結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究;采用試驗研究的方法進(jìn)行熱交換受熱面結(jié)構(gòu)設(shè)計及傳熱、阻力特性研究。主要研究粉塵顆粒特性,粉塵沉積、污染特性,磨損及防磨技術(shù),粉塵預(yù)分離技術(shù),清灰及除灰技術(shù),受熱面及通流結(jié)構(gòu)密封設(shè)計,高效傳熱元件設(shè)計,并對高效傳熱元件的換熱、阻力特性進(jìn)行研究。

　　(3)研究余熱鍋爐本體設(shè)計所必須的熱力、水循環(huán)、煙風(fēng)阻力計算方法并編制相關(guān)的計算機(jī)輔助設(shè)計計算軟件。

　　(4)采用理論分析和優(yōu)化設(shè)計的研究方法研究余熱鍋爐對生產(chǎn)工藝系統(tǒng)取熱參數(shù)在變動工況下的適應(yīng)性以及對熱工參數(shù)的影響機(jī)制,并在余熱鍋爐方案設(shè)計的基礎(chǔ)上對余熱鍋爐方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,為系統(tǒng)設(shè)計出能夠?qū)崿F(xiàn)提高蒸發(fā)量和余熱廢氣利用效率為總體目標(biāo)的余熱鍋爐。

　　3.4具有相變換熱的余熱利用技術(shù)

　　在使用過程中,氣體燃料和液體燃料燃燒后的煙氣中均含有10%以上的水蒸氣,一直以來,為了避免水蒸氣在尾部受熱面產(chǎn)生冷凝造成尾部受熱面的低溫腐蝕,排煙溫度一般在170℃以上。煙氣中水蒸氣所含的汽化潛熱隨煙氣通過煙囪一同排入大氣,造成了能源的大量浪費。

　　以天然氣為例,目前國內(nèi)運行的傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t其排煙溫度一般在150～250℃。燃燒后煙氣中將生成約20%(體積份額)的水蒸氣,理論上每立方米天然氣燃燒可生成1.5kg水蒸氣,而每千克的水蒸氣在20℃完全冷凝釋放的汽化潛熱為2453kJ。這樣,每立方米天然氣燃燒生成的水蒸氣將含有約3.6MJ的熱量,相當(dāng)于1kWh。如果能夠回收煙氣中的汽化潛熱和物理顯熱,能源利用效率可以提高10%以上,同時,冷凝液還可以吸收煙氣中的有害氣體(SO2、NOx等)和微粒,具有良好的環(huán)保效果。

　　長期以來,由于受燃?xì)鈨r格的影響,燃?xì)庋b置特別是燃?xì)忮仩t的運行費用偏高,因此降低熱損失,提高熱效率也成為急需解決的問題。表4是把煙氣溫度從220℃降低到不同的溫度后回收的顯熱和潛熱熱量以及熱效率增益,復(fù)合換熱節(jié)能的潛力是巨大的。

　　目前相變換熱煙氣余熱利用的途徑主要還是集中在冷凝式鍋爐方面。所謂冷凝式鍋爐主要是指通過冷凝鍋爐煙氣中的水蒸氣,使其釋放汽化潛熱,降低排煙溫度,減小排煙熱損失,從而提高鍋爐熱效率的一種熱交換設(shè)備。常規(guī)鍋爐將煙氣中大部分顯熱傳遞給水或蒸汽,而冷凝式鍋爐不僅將更大一部分顯熱傳遞給水或蒸汽,而且還吸收了部分煙氣中的水蒸氣冷凝后釋放的汽化潛熱。因此冷凝鍋爐充分利用了煙氣的顯熱以及煙氣中水蒸氣的汽化潛熱,將鍋爐排煙損失降到*小,從而*大程度地利用了鍋爐排煙中的熱量。相對于常規(guī)鍋爐,鍋爐效率可提高10%以上,節(jié)能潛力相當(dāng)可觀。除了提高熱能利用率外,煙氣冷凝過程中,煙氣中的氣體組分被冷凝水吸收或者反應(yīng),使得排煙中有害氣體SOx和NOx含量減少。隨著人們節(jié)能和環(huán)保意識的增強(qiáng),人們越來越重視煙氣冷凝在節(jié)能和環(huán)保上的作用,冷凝式鍋爐的發(fā)展十分迅速。

　　3.5熱管技術(shù)

　　熱管是一種依靠自身內(nèi)部工質(zhì)相變實現(xiàn)傳熱,具有很強(qiáng)導(dǎo)熱性能的傳熱元件,它源于美國上世紀(jì)60年代在地球衛(wèi)星上成功運用。熱管是由鋼、銅、鋁管內(nèi)灌充導(dǎo)熱介質(zhì),并抽成一定的真空后密封而成。管內(nèi)的工質(zhì)由多種無機(jī)活性金屬及其化合物混合而成,具有超常的熱活性和熱敏感性,遇熱而吸,遇冷而放。這種熱超導(dǎo)工質(zhì)在一定溫度下被激活,并以分子震蕩相變形式來傳遞熱量,傳導(dǎo)溫度沒有衰減并能以極快的速度傳遞(音速傳遞)。熱管因其獨特結(jié)構(gòu)和相變傳熱機(jī)理,具有如下特點:

　　(1)安全可靠性高。不存在管內(nèi)超壓,不怕干燒,因液體工質(zhì)汽化后,熱管的內(nèi)壓不隨溫度變化而變化,而且熱管余熱回收器是二次間壁換熱,與常規(guī)的換熱設(shè)備一般都是間壁換熱不同;

　　(2)導(dǎo)熱性強(qiáng)。導(dǎo)熱速度快、強(qiáng)度大、效率高(傳熱效率達(dá)98%以上),節(jié)能效果明顯;

　　(3)等溫性好。傳熱阻力小,在很小的溫差下,傳遞很大的熱通量;

　　(4)熱流密度可變性。熱管可以獨立改變蒸發(fā)段或冷卻段的面積;

　　(5)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)。受環(huán)境的限制相對常規(guī)換熱設(shè)備小,通過適當(dāng)?shù)臒崃髯儞Q把熱管管壁溫度調(diào)整在低溫流體的露點之上,從而可防止露點腐蝕。同時熱管在導(dǎo)熱時會產(chǎn)生自振動,使灰不易粘附在管壁和翅片上,不易堵灰;熱管可根據(jù)環(huán)境的需要而設(shè)計;

　　(6)使用壽命長、應(yīng)用領(lǐng)域廣。使用壽命在10年以上,單根熱管可拆卸更換,維護(hù)簡單、成本低,超導(dǎo)熱管形狀具有更大的靈活性,更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域,能適應(yīng)各種惡劣的工作環(huán)境。

　　3.6基于其他工質(zhì)的余熱利用技術(shù)

　　常規(guī)的余熱利用技術(shù)主要是基于水-水蒸汽的循環(huán)系統(tǒng),一些新型余熱利用系統(tǒng)采用的工質(zhì)還可以為低沸點工質(zhì)、混合工質(zhì)。例如,在低沸點有機(jī)物朗肯循環(huán)(ORC)發(fā)電系統(tǒng)中,換熱器將余熱傳給蒸發(fā)器,有機(jī)工質(zhì)蒸發(fā)成符合工作參數(shù)的蒸氣進(jìn)入汽輪機(jī)做功帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電,做功后的工質(zhì)在冷凝器中冷凝,通過循環(huán)泵回到蒸發(fā)器實現(xiàn)工質(zhì)的循環(huán);在以氨水混合物為工質(zhì)的Kalina循環(huán)系統(tǒng)中,工質(zhì)變溫蒸發(fā),減少工質(zhì)吸熱過程的不可逆性,冷凝溫度變化較小,減少了混合工質(zhì)在冷凝過程中的不可逆性,抑制了混合工質(zhì)在動力循環(huán)冷端部分的不利因素,同時實現(xiàn)了在較低壓力下工質(zhì)完全冷凝;在以多種混合物為工質(zhì)的新型動力制冷復(fù)合循環(huán)中,復(fù)合了朗肯循環(huán)和吸收式制冷循環(huán),達(dá)到了制冷和電力輸出的雙重效果,可以用于電站循環(huán)的底循環(huán),或其它低溫?zé)崮芾脠鏊?/p>

　　當(dāng)利用低溫有機(jī)工質(zhì)時,主要設(shè)備有:蒸發(fā)器、汽輪機(jī)、冷凝器和有機(jī)工質(zhì)循環(huán)泵。對低等及中等的焓熱,ORC技術(shù)比常規(guī)的水蒸氣朗肯循環(huán)有很多優(yōu)點,主要是在回收顯熱方面有較高的效率,由于循環(huán)中顯熱/潛熱比例不相等,ORC技術(shù)中此比例大。因此采用ORC技術(shù)比水蒸氣循環(huán)會回收較多的熱量。上述顯熱/潛熱比例不同,可由圖2的T-S圖得到。

　　4-1過程:鍋爐及過熱器中的等壓加熱過程,其中:(4-5)段,由未飽和水等壓預(yù)熱成飽和水;(5-6)段,再等壓等溫汽化為飽和蒸汽;(6-1)段再等壓加熱成過熱蒸汽。

　　1-2過程:過熱蒸汽在汽輪機(jī)中的絕熱膨脹過程,工質(zhì)對外做功。

　　2-3過程:在冷凝器中的等壓放熱凝結(jié)過程。

　　3-4過程:水在給水泵內(nèi)的絕熱壓縮過程,在T-S圖上,3、4兩點幾乎重合。

　　從T-S圖上可以看到,當(dāng)有機(jī)蒸氣在汽輪機(jī)中膨脹時,它趨向過渡或變得更干燥些,而水蒸氣則在膨脹過程中變得更潮濕。因此,有機(jī)蒸氣進(jìn)入汽輪機(jī)前不需要過熱。

　　在過去四十余年中,國內(nèi)外針對有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)已經(jīng)開展了廣泛的理論分析和實驗研究,還進(jìn)行了相應(yīng)的工程實踐。例如,我國在1993年底建成的那曲地?zé)犭娬?裝機(jī)容量為1MW,采用以色列奧瑪特ORMAT公司的雙工質(zhì)有機(jī)朗肯循環(huán)機(jī)組系統(tǒng),熱源溫度為110℃,有機(jī)工質(zhì)采用異戊烷。又如,1999年德國海德堡水泥集團(tuán)采用ORMAT公司的技術(shù)在德國的Lengfurt水泥廠3000t/d的生產(chǎn)線上,建成了世界首座水泥廠ORC純低溫余熱發(fā)電站。該系統(tǒng)熱源溫度為275℃,有機(jī)工質(zhì)采用正戊烷。ORC技術(shù)在工業(yè)爐上的應(yīng)用見表5,此技術(shù)所利用的熱源溫度*低達(dá)104℃。

　　3.7火力發(fā)電廠余熱利用技術(shù)進(jìn)展

　　對于火力發(fā)電廠來說,排煙熱損失是電站鍋爐各項熱損失中*大的一項,一般在5%～12%。一般情況下,排煙溫度每升高15～20℃,排煙熱損失增加1.0%。我國許多電站鍋爐的排煙溫度實際運行值都高于設(shè)計值20～50℃,某些機(jī)組甚至達(dá)到180℃以上,大幅度降低排煙溫度將極大地提高電站鍋爐的經(jīng)濟(jì)性。

　　近些年來,國內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)經(jīng)過努力,在國內(nèi)一些電廠成功設(shè)計安裝了余熱回收利用系統(tǒng),為電廠帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益,但是由于各種原因,火電廠的排煙溫度仍然居高不下,排煙溫度偏高是一個普遍現(xiàn)象,大量的排煙余熱可以予以利用。

　　另一方面,隨著火力發(fā)電廠抗硫酸露點腐蝕鋼的使用,濕法脫硫技術(shù)的成熟和廣泛使用,將現(xiàn)役的按正常設(shè)計130～150℃運行的火電廠的電站鍋爐排煙溫度進(jìn)一步降低的技術(shù)條件已經(jīng)成熟。通過回收電站鍋爐排煙余熱,電站鍋爐熱效率提高3%～4%;一般排煙余熱可從130～150℃降低到90℃左右,可將60℃的凝結(jié)水提高到80℃左右,用該熱水可提高空氣溫度40℃左右,一般可以將電廠效率提高0.6%以上;每度電的發(fā)電煤耗可以降低2g左右,單機(jī)容量為1000MW的火力發(fā)電機(jī)組每年可節(jié)約煤炭t。

　　從能源利用角度看,火電廠余熱資源巨大,如果加以回收利用,不僅可以降低排煙溫度,回收煙氣余熱,提高鍋爐效率,還可以增加機(jī)組出力,提高電廠系統(tǒng)效率。

　　3.8其他技術(shù)進(jìn)展

　　(1)工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)。燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)吸熱平均溫度高,純蒸汽動力循環(huán)放熱平均溫度低,把這兩種循環(huán)聯(lián)合起來組成燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)顯然可以提高循環(huán)熱效率。高爐煤氣等低熱值煤氣燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(CCPP)技術(shù)是充分利用鋼鐵企業(yè)高爐等副產(chǎn)煤氣,*大可能地提高能源利用效率,發(fā)揮煤氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)優(yōu)勢的**技術(shù),該技術(shù)用高爐煤氣作燃料,熱電轉(zhuǎn)換效率從朗肯循環(huán)的30%～38%提高到45%。

　　(2)余熱熱水的利用技術(shù)。余熱熱水可以重新作為生產(chǎn)工藝用水或產(chǎn)生蒸汽作為生活用水,也可以通過熱泵、制冷系統(tǒng)、低沸點工質(zhì)動力系統(tǒng)等辦法加以利用。

　　4、討論

　　4.1水泥窯余熱利用存在的問題

　　我國水泥企業(yè)余熱發(fā)電主要存在以下3方面的問題:

　　(1)水泥企業(yè)余熱發(fā)電與電力行業(yè)相協(xié)調(diào)的問題。這需要政府相關(guān)部門和企業(yè)加強(qiáng)這方面的協(xié)調(diào),在稅收、投資、法規(guī)政策等方面有所作為。

　　(2)技術(shù)裝備國產(chǎn)化、降低造價、提高熱效率增加發(fā)電量的問題。由于純低溫余熱發(fā)電技術(shù)中煙氣進(jìn)口溫度水平低,傳熱溫差小,煙塵性質(zhì)特殊,要保證獲得穩(wěn)定的熱工性能,就必需細(xì)致而**的設(shè)計。但是目前缺少煙氣進(jìn)口飛灰預(yù)分離和進(jìn)出口流場的均勻化結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,缺少更加科學(xué)有效的水循環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,缺少煙塵顆粒運動和受熱面外部沖刷過程特性的基礎(chǔ)研究,缺乏余熱鍋爐本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計創(chuàng)新,缺乏優(yōu)化發(fā)電系統(tǒng)的理論指導(dǎo)等。

　　(3)水泥生產(chǎn)技術(shù)與余熱發(fā)電技術(shù)相融合的問題。由于學(xué)科研究的差別,水泥窯生產(chǎn)和余熱鍋爐發(fā)電兩大系統(tǒng)之間缺乏系統(tǒng)的整體優(yōu)化。

　　4.2工業(yè)爐余熱利用的原則

　　工業(yè)爐余熱利用技術(shù)經(jīng)過多年實踐和發(fā)展,已經(jīng)逐漸使我們認(rèn)識到,必須根據(jù)余熱種類、介質(zhì)溫度、數(shù)量及利用的可能性來確定使用回收利用設(shè)備的類型及規(guī)模。其總的原則是:

　　(1)遵循能量梯級的原則,高溫余熱要優(yōu)先用于需要高溫的設(shè)備,減少能量轉(zhuǎn)換次數(shù);

　　(2)余熱回收后應(yīng)優(yōu)先用于本系統(tǒng)設(shè)備,降低一次能源消耗;

　　(3)加強(qiáng)回收后的保溫措施,安全措施要齊備,確保發(fā)生意外事故時不影響本工藝的正常生產(chǎn)。

　　4.3循環(huán)工質(zhì)的選擇

　　循環(huán)工質(zhì)(特別是一些新的環(huán)保型工質(zhì))的選擇是余熱發(fā)電技術(shù)研究的重要內(nèi)容。如何選擇工質(zhì)使其技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)性好,并且符合環(huán)保要求,是余熱發(fā)電技術(shù)的重要問題之一。首先從技術(shù)可行性角度講,其*重要的因素就是工質(zhì)在循環(huán)過程中的壓力不能過高,也不能太低,必須在裝置抗壓性和密封性允許的范圍之內(nèi)。另外,工質(zhì)需盡量選擇干性工質(zhì),以保證透平工作的安全性。其次從經(jīng)濟(jì)性角度講,主要從系統(tǒng)的效率因素考慮,系統(tǒng)的效率盡可能高。不同的有機(jī)物工質(zhì)主要通過以下3個方面來影響系統(tǒng)的效率:

　　(1)工質(zhì)熱物性影響整個系統(tǒng)的循環(huán)特性;

　　(2)工質(zhì)的傳熱特性影響換熱器換熱特性以及在其它部件中的換熱損失;

　　(3)工質(zhì)的流動特性影響系統(tǒng)的流動損失。

　　從環(huán)保角度,工質(zhì)應(yīng)該是環(huán)境友好的,包括對臭氧層沒有破壞作用,且溫室效應(yīng)低。評價工質(zhì)的環(huán)保性質(zhì)主要有兩個指標(biāo):分別是臭氧層衰減指數(shù)(ODP)和溫室效應(yīng)指數(shù)(GWP)。上世紀(jì)七八十年代建造的大量低溫?zé)崮茈娬鞠到y(tǒng),大多是采用各種CFC(指含氯、氟、碳的完全鹵代烴)等對環(huán)境有破壞的有機(jī)物工質(zhì),如今將被大量淘汰。今后應(yīng)盡量選擇環(huán)保的HFC(含氫、氟、碳的不完全鹵代烴)。另外,工質(zhì)選擇還需要考慮以下一些因素:傳熱性和流動性、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性、毒性、價格等。特別還需要注意工質(zhì)可燃性,應(yīng)該盡量采用不可燃的工質(zhì),以使系統(tǒng)更具安全性。

　　4.4余熱利用的建議

　　從技術(shù)方面看,高溫余熱利用技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展已比較成熟,一些成功的案例也表明其經(jīng)濟(jì)效益比較明顯,但潛力巨大的中低溫余熱利用技術(shù)尚需進(jìn)一步發(fā)展。另外,由于信息傳播渠道及企業(yè)缺乏資金等問題,制約了余熱利用技術(shù)的大量推廣。一方面,高耗能企業(yè)缺少正確認(rèn)識這些節(jié)能技術(shù)和利用清潔發(fā)展機(jī)制(CDM)、合同能源管理(EPC)等**機(jī)制推進(jìn)實現(xiàn)技術(shù)進(jìn)步的機(jī)會;另一方面,國內(nèi)外**技術(shù)服務(wù)商也無法了解這些企業(yè)的情況。針對上述余熱利用技術(shù)推廣過程中的問題和障礙,提出如下建議:

　　(1)建議通過開展余熱資源調(diào)研、收集匯編國內(nèi)外相關(guān)**技術(shù)、方法、**的管理機(jī)制及案例等方式加強(qiáng)信息傳播,并加強(qiáng)中低溫余熱利用技術(shù)的研究,促進(jìn)余熱技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

　　(2)由于技術(shù)難度較大、投資回收期較長、經(jīng)濟(jì)性不明顯等原因,企業(yè)在利用中低溫余熱時積極性不高。但中低溫余熱利用節(jié)能潛力巨大,建議給予企業(yè)財政、稅收上的支持和優(yōu)惠。

　　(3)中低溫余熱利用項目投資一般較大,在企業(yè)資金不充裕的情況下無法開展。而中國目前的節(jié)能服務(wù)公司(ESCO)多數(shù)為中小型公司,在投資項目時主要考慮總投資和投資回收期,不利于中低溫余熱的利用。建議國家支持組建大型ESCO公司。

　　(4)建議有余熱利用潛力的企業(yè)和ESCO公司進(jìn)行EPC項目時,盡量做到將多種用能系統(tǒng)綜合考慮,整體改進(jìn),并注重自動控制系統(tǒng)的精細(xì)化使用。

　　5、結(jié)論

　　本文在對我國余熱利用現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上,分析了近年來余熱利用的主要技術(shù)進(jìn)展,包括水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù),工業(yè)爐余熱利用技術(shù),余熱鍋爐技術(shù),具有相變換熱的余熱利用技術(shù)、熱管技術(shù)等,剖析了一些行業(yè)在余熱利用中存在的問題,提出了余熱利用技術(shù)的原則和建議。

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