我国工业余热回收利用技术

　　实现节能减排、提高能源利用率的目标主要依靠工业领域。我国工业领域能源消耗量约占全国能源消耗总量的70%，主要工业产品单位能耗平均比国际先进水平高出30%左右。除了生产工艺相对落后、产业结构不合理的因素外，工业余热利用率低是造成能耗高的重要原因，我国能源利用率仅为33% 左右，比发达国家低约10%，至少50%的工业耗能以各种形式的余热被直接废弃。因此从另一角度看，我国工业余热资源丰富，广泛存在于工业各行业生产过程中，余热资源约占其燃料消耗总量的17%~67% ，其中可回收率达60%，余热利用率提升空间大，节能潜力巨大。工业余热回收利用被认为是一种“新能源”，近年来成为推进我国节能减排工作的重要内容。

　　工业余热资源特点

　　余热资源属于二次能源，是一次能源或可燃物料转换后的产物，或是燃料燃烧过程中释放的热量在完成某一工艺过程后剩下的热量。按照温度品位，工业余热一般分为600℃以上的高温余热， 300~600℃的中温余热和300℃ 以下的低温余热三种;按照来源，工业余热又可分为：烟气余热，冷却介质余热，废汽废水余热，化学反应热，高温产品和炉渣余热，以及可燃废气、废料余热。

　　余热资源来源广泛、温度范围广、存在形式多样，从利用角度看，余热资源一般具有以下共同点：由于工艺生产过程中存在周期性、间断性或生产波动，导致余热量不稳定;余热介质性质恶劣，如烟气中含尘量大或含有腐蚀性物质;余热利用装置受场地等固有条件限制。

　　因此工业余热资源利用系统或设备运行环境相对恶劣，要求有稳定的运行范围，能适应多变的工艺要求，设备部件可靠性高，初期投入成本高。从经济性出发，需要结合工艺生产进行系统整体的设计布置，以提高余热利用系统设备的效率。

　　工业余热利用技术

　　余热温度范围广，能量载体形式多样，又由于所处环境和工艺流程不同及场地固有条件的限制，设备型式多样，如有空气预热器，窑炉蓄热室，余热锅炉，低温汽轮机等。工业余热回收利用有多种分类方式，根据余热资源在利用过程中能量的传递或转换特点，可以将国内目前的工业余热利用技术分为热交换技术、热功转换技术、余热制冷制热技术。

　　1. 热交换技术

　　余热回收应优先用于本系统设备或本工艺流程，尽量减少能量转换次数。对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递给自身工艺的耗能流程，降低一次能源消耗的技术设备，可统称为热交换技术，这是回收工业余热最直接、效率较高的经济方法，相对应的设备是各种换热器，既有传统的各种结构的换热器、热管换热器，也有余热蒸汽发生器(余热锅炉)等。

　　(1)间壁式换热器

　　工业用的换热器按照换热原理基本分为间壁式换热器、混合式换热器和蓄热式换热器。其中间壁式和蓄热式是工业余热回收的常用设备，混合式换热器是依靠冷热流体直接接触或混合来实现传递热量，如工业生产中的冷却塔、洗涤塔、气压冷凝器等，在余热回收中并不常见。

　　间壁式换热器主要有管式、板式及同流换热器等几类，管式换热器虽然热效率较低，平均仅26%~30%，紧凑性和金属耗材等方面也逊色于其他类型换热器，但它具有结构坚固、适用弹性大和材料范围广的特点，是工业余热回收中应用最广泛的热交换设备。冶金企业40%的换热器设备为管式换热器，允许入口烟气温度达1 000℃ 以上，出口烟温约600℃ ，平均温差约300℃。

　　板式换热器有翅片板式、螺旋板式、板壳式换热器等，与管式换热器相比，其传热系数约为管壳式的二倍，传热效率高，结构紧凑，节省材料。冶金行业的联合、中小企业多采用板式换热器预热助燃空气，热回收率平均为28%~35%，入口烟气温度700℃左右，出口温度达360℃。但由于板式换热器的使用温度、压力比管式换热器的限制大，应用范围受到限制。

　　对于各种工业炉窑的高温烟气回收，还常采用同流热交换器，主要有辐射式和对流式两类，应用较为广泛，多用在均热炉、加热炉等设备上回收烟气余热，预热助燃空气或燃料，降低排烟量和烟气排放温度。常见的辐射同流换热器入口烟气温度可达1 100℃ 以上，出口烟气温度亦高达600℃，可将助燃空气加热到400℃，助燃效果好;温度效率可达40%以上，但热回收率较低，平均在26%~35%。

　　(2)蓄热式热交换器

　　蓄热式热交换设备原理是冷热流体交替流过蓄热元件进行热量交换，属于间歇操作的换热设备，适宜回收间歇排放的余热资源，多用于高温气体介质间的热交换，如加热空气或物料等。

　　根据蓄热介质和热能储存形式的不同，蓄热式热交换系统可分为显热储能和相变潜热储能。显热储能应用已久，简单换热设备如常见的回转式换热器，复杂设备如炼铁高炉的蓄热式热风炉。由于显热储能热交换设备储能密度低、体积庞大、蓄热不能恒温等缺点，在工业余热回收中有局限性。相变潜热储能换热设备利用蓄热材料固有热容和相变潜热储存传递能量，高出显热储能设备至少一个数量级的储能密度，因此在储存相同热量的情况下，相变潜热储能换热设备比传统蓄热设备体积减少30%~50%。

　　此外，热量输出稳定，换热介质温度基本恒定，换热系统运行状态稳定是相变潜热储能换热设备的另一优点。相变储能材料根据其相变温度大致分为高温相变材料和中低温相变材料，前者相变温度高、相变潜热大，主要是由一些无机盐及其混合物、碱、金属及合金等和陶瓷基体或金属基体复合制成，适合于450~1 100℃ 及以上的高温余热回收，应用较为广泛;后者主要是结晶水合盐或有机物，适合用于低温余热回收。

　　(3)基于热管的换热设备

　　热管是一种高效的导热元件，通过全封闭真空管内工质的蒸发和凝结的相变过程以及二次间壁换热来传递热量，属于将储热和换热装置合二为一的相变储能换热装置。热管导热性优良，传热系数比传统金属换热器高近一个量级，还具有良好的等温性、可控制温度、热量输送能力强、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、无外加辅助动力设备等一系列优点。热管工作需要根据不同的使用温度选定相应的管材和工质。其中碳钢—水重力热管的结构简单、价格低廉、制造方便、易于推广，使得此类热管得到了广泛的应用。实际应用中热管使用温度在50~400℃之间，用于干燥炉、同化炉和烘炉等的热回收或废蒸汽的回收，以及锅炉或炉窑的空气预热器。

　　(4)余热锅炉

　　采用蒸汽发生器，即余热锅炉回收余热是提高能源利用率的重要手段，冶金行业近80%的烟气余热是通过余热锅炉回收，节能效果显著。

　　余热锅炉中不发生燃烧过程，而是利用高温烟气余热、化学反应余热、可燃气体余热以及高温产品余热等，生产蒸汽或热水，用于工艺流程或进入管网供热。同时，余热锅炉是低温汽轮机发电系统中的重要设备，为汽轮机等动力机械提供做功蒸汽工质。

　　实际应用中，利用350~1 000℃高温烟气的余热锅炉居多，和燃煤锅炉的运行温度相比，属于低温炉，效率较低。由于余热烟气含尘量大，含有较多腐蚀性物质，更易造成锅炉积灰、腐蚀、磨损等问题，因此防积灰、磨损是设计余热锅炉的关键。直通式炉型、大容积的空腔辐射冷却室、设置的密封炉墙、除尘室、大量振打吹灰装置都是余热锅炉为解决积灰、磨损问题在结构上的考虑。另外由于受生产场地空间限制，余热锅炉把换热部件分散安装在工艺流程各部位，而不是像普通锅炉一样组装成一体。

　　近十年随着节能减排工作的推进，国内主要余热锅炉设计制造企业加速发展，余热锅炉正朝着大型化、高参数方向发展，如有色冶金行业每小时蒸发量50 吨、工作压力4.2兆帕的余热锅炉，钢铁冶金行业每小时蒸发量100吨、工作压力12.5 兆帕的干熄焦余热锅炉等。此外，进一步提高锅炉传热效果、热利用率，减轻积灰、磨损等问题，在锅炉循环方式、受热面结构、锅炉内烟气流道及清灰方式等方面进行改造、革新是余热锅炉技术进步的主要内容。

　　2. 热功转换技术

　　热交换技术通过降低温度品位仍以热能的形式回收余热资源，是一种降级利用，不能满足工艺流程或企业内外电力消耗的需求。此外，大量存在的中低温余热资源采用热交换技术回收，效益并不显著。因此，利用热功转换技术提高余热的品位是回收工业余热的又一重要技术。

　　按照工质分类，热功转换技术可分为传统的以水为工质的蒸汽透平发电技术和低沸点有机工质发电技术。由于工质特性显著不同，相应的余热回收系统及设备组成也各具特点。目前主要的应用是以水为工质，以余热锅炉+蒸汽透平或者膨胀机组成低温汽轮机发电系统。

　　低温汽轮机发电可利用的余热资源主要是高于350℃的中高温烟气，如玻璃、水泥等建材行业炉窑烟气或经一次利用后降温到400~600℃的烟气，单机功率在几兆瓦到几十兆瓦，包括钢铁行业氧气转炉余热发电、烧结余热发电，焦化行业干熄焦余热发电，水泥行业低温余热发电等多种余热发电形式。但从余热资源的温度范围来看，该技术属于中高温余热发电技术。