低品位余熱回收利用技術(shù)的研發(fā)

1、低品位余熱回收利用技術(shù)的研發(fā)動力101摘要：低品位余熱是一般不被重視的廢氣能源，雖然能量品質(zhì)低或密度低，但將成為節(jié)能減排的重要組成部分，指出，通過多年的實踐，對低品位余熱利用的研發(fā)與應(yīng)用技術(shù)是可行的，具有現(xiàn)實意義。關(guān)鍵詞：低品位余熱；余熱利用；液態(tài)金屬余熱利用；節(jié)能Abstract:Low-gradewasteheatisanemissionenergywhichhasbeinggenerallynottakenseriously.Althoughtheenergyqualityanddensityislow,itwillbecomeanimportantcomponentofenergy-s

2、avingandemissionreduction.Throughyearsofpractice,theauthorpointsoutthatresearchanddevelopmentoflowgradewasteheatutilizationandapplicationtechnologyisfeasibleandpracticalsignificance.Keywords:low-gradewasteheat;Wasteheatutilization;liquidmetalwasteheatutilization;energy0引言低品位余熱是指品位低、濃度小、能量少，不被人們重視的廢熱

3、能源。低品位余熱目前可分為三類：熱值小于600kcal/Nm的低濃度可燃物、溫度低于800c的顯熱物體、溫度低于400c的低溫尾氣煙氣。能源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，也是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的原動力。中國是以煤炭為基本能源的同家，煤炭比重長期保持在65%以上，而非化石能源占一次能源消費(fèi)的比董僅約8%.閃此面對環(huán)境污染、資源和能源短缺等硬性約束。必須尋求新的能源發(fā)展道路.才有可能突破經(jīng)濟(jì)增長的“瓶頸”。目前，中國能源利用率僅為約30%。大量余熱以各種形式被排放到大氣中，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中所占比例不足8%。因此，回收利用余熱在提高中困一次能源利用率方面具有舉足輕重的作用。目前，中國同收利用的余熱主要來自

4、高溫?zé)煔獾娘@熱和生產(chǎn)過程中排放的可燃?xì)?，中低溫余熱（即低品位余熱）基本上還沒有回收。相對于煤、石油、天然氣等高品位能源而言，低品佗余熱在相同單位內(nèi)包含的能量很低.利用難度大。但從能源利用的格局來看，低品位余熱將作為產(chǎn)能和用能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對節(jié)能減排的戰(zhàn)略起到重要作用?，F(xiàn)有的低品位余熱的回收利用中普遍采用水冷介質(zhì)，受到水資源、運(yùn)輸、地域等多方面的限制。一定程度上阻礙了余熱的大規(guī)模應(yīng)用。2010年初，中國南方多省市及東南亞多個國家和地區(qū)遭受嚴(yán)重旱災(zāi),這一問題顯得尤為突出。因此，尋找可重復(fù)利用的新型無水高效傳熱介質(zhì)是推進(jìn)低品位余熱利用的關(guān)鍵所在。1國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r目前，對低濃度可燃物的利用尚沒有成熟的技

5、術(shù)。隨著環(huán)保的要求，一般采用電捕技術(shù)。而此技術(shù)產(chǎn)生的二次污染難于治理，后改為焚燒后直接排人大氣，幾乎沒對余能進(jìn)行全面的利用。對低品位顯熱的余熱利用，如，煤肝石制磚廠的余熱利用方案都是在隧道窯窯頂放置1個大水箱，依靠煙氣直接加熱的方式把水箱中的水加熱后，向各使用地點供熱水，主要用途為取暖和為職工澡堂供應(yīng)熱水。國內(nèi)外煤肝石燒結(jié)醇顯熱的直接回收利用技術(shù)尚是空白。低溫度煙氣余熱回收目前主要采用同級利用（低溫?zé)崃恐苯哟媪嗽褂玫亩文茉矗?，空氣預(yù)熱、水加熱、儲罐加熱以及升級利用。如，澳化鋰吸收制冷、熱水?dāng)U容發(fā)電、正丁烷有機(jī)工質(zhì)發(fā)電等。低溫余熱的利用應(yīng)優(yōu)先考慮長周期運(yùn)行的同級利用，其次考慮全年中部分

6、時間利用的同級利用，如，采暖。最后才考慮升級利用，即熱泵、制冷、發(fā)電。目前，利用吸收塔和閃蒸塔將低溫余熱進(jìn)行回收，余熱回收率高，是較科學(xué)的路線。2.低品位余熱利用技術(shù)2. 1低品位余熱利用為導(dǎo)向的技術(shù)研發(fā)低品位余熱利用技術(shù)是先進(jìn)技術(shù)和環(huán)境保護(hù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是控制大氣污染，保護(hù)臭氧層，減少溫室氣體排放，開發(fā)新能源的有效手段和途徑，也是企業(yè)提高能源利用效率，降低成本，增強(qiáng)市場競爭力，保護(hù)生態(tài)環(huán)境的措施。2.1.1 低濃度可燃物余熱利用項目的研發(fā)低濃度可燃物余熱利用指的是挖掘熱值<2512J/n?的可燃成分（氣體、固體顆粒）的余熱。在煤炭轉(zhuǎn)化過程中，有大量的含有低濃度可燃物的尾氣排出。采用沉降

7、、補(bǔ)燃、焚燒、換熱等一系列技術(shù)措施，進(jìn)行余熱回收利用，既解決了尾氣能量的回收問題，也實現(xiàn)了尾氣的凈化處理。余熱鍋爐（Q6.8/105031.25,Q3.2/120021.25,Q87105041.25型）都是此項目的應(yīng)用示范。目前，對低濃度可燃物的利用尚沒有成熟的工程技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗可以借鑒。從1997年開始，太原嘉能動力科技有限公司與山西新華化工廠合作，進(jìn)行科技創(chuàng)新。在大量測試、分析、試驗的基礎(chǔ)上，于1998年在中國第一次把低品位余熱鍋爐成功地應(yīng)用到炭化生產(chǎn)線上。在實際運(yùn)行時間不足1年時間，就為該化工有限責(zé)任公司節(jié)約了120X104元的能源費(fèi)用，減少煙塵排放100t,收到了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效

8、益。隨后，在該廠安裝了8臺。目前，此項技術(shù)日臻完善，形成了系列產(chǎn)品。2.1.2 低溫度顯熱的余熱利用項目的研發(fā)低顯熱利用采用分段直接換熱技術(shù)回收熱量。低品位顯熱物是指固體物的溫度<800C,且有一定質(zhì)量的物體。G1Q77803.1.25型余熱鍋爐是此項目的應(yīng)用示范。太原嘉能動力科技有限公司根據(jù)燒結(jié)煤肝石磚隧道窯換熱特征采用分段直接換熱技術(shù)，成功地將煤肝石燒結(jié)醇顯熱利用于山西長治市金環(huán)節(jié)能建材有限公司，為該企業(yè)節(jié)約原煤4500t/a。2009年10月15日得到山西省墻材會議參會人員的肯定，其特點是采用了以物體顯熱直接輻射換熱為主的新方式，最大限度地?fù)Q取了煤肝石燒結(jié)過程中的余熱。2.1.3低

9、溫度尾氣的利用項目研發(fā)低溫度尾氣（尾氣溫度W400C）余熱，已有水熱、氣熱換熱器得到良好應(yīng)用，如，JNF30換熱器。太原嘉能動力科技有限公司正在進(jìn)行利用吸收塔和閃蒸塔將低溫余熱進(jìn)行回收，余熱回收率高。2.2研究進(jìn)展2.2.1吸收式系統(tǒng)漠化鋰吸收式熱泵在工廠余熱回收中的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，它可以回收利用工廠低溫余熱熱源的熱量，將低品位熱轉(zhuǎn)變?yōu)楦咂肺粺?，廣泛應(yīng)用于有余熱資源或有低溫?zé)嵩吹氖汀⑹?、制藥、釀造和鋼鐵等行業(yè)。另外，在煉油工業(yè)、天然氣和熱電冷i聯(lián)供系統(tǒng)中?？梢耘渲梦帐较到y(tǒng)實現(xiàn)對各種低溫余熱的高效利用。2.2.2吸附式系統(tǒng)吸附式制冷技術(shù)作為一種余熱利用的新技術(shù)，其研究開發(fā)正日益成熟。它

10、可以將太陽能或余熱等低品位熱源作為驅(qū)動熱源，采用對環(huán)境友好的工質(zhì)對。設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，一次性投資少，運(yùn)行費(fèi)用低，使用壽命長，無運(yùn)動部件。無噪音，無環(huán)境污染，特別適用于有大量低品位余熱排放的工業(yè)過程及有頻繁震動的移動機(jī)械上。2.2.3新型材料針對冶金、玻璃、水泥、陶瓷等行業(yè)中高能耗的窯爐?；厥諢煔庥酂岬膫鹘y(tǒng)做法是利用耐火材料的顯熱熔變化來儲熱，這種儲熱設(shè)備的體積大、儲熱效果不明顯。改用相變儲熱材料，是研究較為廣泛的一種方法，這樣儲熱設(shè)備體積可減小30%50%還可起到穩(wěn)定運(yùn)行的作用。目前正在研究的新型相變材料有潛熱型功能熱流體、納米復(fù)合相變儲能材料、定型相變蓄能材料和無機(jī)鹽，陶瓷基復(fù)合相變蓄能材料等舊

11、。采用熱電材料進(jìn)行溫差發(fā)電，也是工業(yè)余熱的一個應(yīng)用領(lǐng)域。如利用煉鋼高爐等工業(yè)廢熱和利用汽車發(fā)動機(jī)的余熱進(jìn)行溫差發(fā)電。通過模型證明了采用熱電材料將余熱直接轉(zhuǎn)換成熱。理論上可以到達(dá)卡諾循環(huán)效率的40%。另外。金屬氫化物在空調(diào)、供熱方面的應(yīng)用也逐漸引起人們的重視。2. 2.4熱管技術(shù)熱管是一種由管殼和工質(zhì)組成的高效導(dǎo)熱元件。以相變（蒸發(fā)與凝結(jié)）換熱作為傳熱的主要方式，具有傳熱能力大、溫度控制能力強(qiáng)、傳熱效率高等特點。現(xiàn)在熱管換熱器已在電力、冶金、石化、玻陶、電子、輕工等行業(yè)的余熱網(wǎng)收領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。在鋼鐵企業(yè)中，有別于以往煙氣通過各種換熱器和余熱鍋爐轉(zhuǎn)化為蒸汽或者熱水進(jìn)行熱利用的方式.熱管廢熱

12、發(fā)生器能夠直接利用煙氣余熱。2. 2.5熱聲技術(shù)熱聲熱機(jī)是通過熱聲效應(yīng)實現(xiàn)熱能與聲能的相互轉(zhuǎn)化的裝置。從聲學(xué)角度來說，熱聲效應(yīng)是由于處于聲場中的固體介質(zhì)與振蕩的流體之間相互作用，使得距固體壁面一定范圍內(nèi)沿著（或逆著）聲傳播方向產(chǎn)生一個時均熱流，并在這個區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生或者吸收聲功的現(xiàn)象閻。熱聲熱機(jī)可利用低品位熱源，將難以利用的余熱（如鋁電解槽中槽殼側(cè)部溫度為300%的余熱）轉(zhuǎn)化成便于利用的電能，這也是它應(yīng)用到工業(yè)中的立足點。2.3液態(tài)金屬工業(yè)余熱利用技術(shù)在至今所發(fā)展的各種余熱利用方法中，基本上都是以水作為冷卻工質(zhì)。但是能被人們生產(chǎn)和生活利用的水資源不僅短缺而且地區(qū)分布極不平衡，年際差別很大，再加上污

13、染嚴(yán)重，造成水資源嚴(yán)重不足。中國為此啟動了“引黃工程”、“南水北調(diào)”等水資源利用項目，但是對于這些項目未能惠澤的眾多地區(qū)，尤其是交通不便的偏遠(yuǎn)地區(qū)，水源緊缺、運(yùn)輸困難成為制約其余熱利用技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。因此，發(fā)展非水冷卻工質(zhì)的換熱器成為推廣余熱利用技術(shù)、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要課題。劉靜等首次將低熔點金屬及其合金流體引入到計算機(jī)芯片熱管理領(lǐng)域，從而開啟了旨在解決高端芯片熱障的液態(tài)金屬散熱方法。實驗室前期開展的一系列研究，揭示了室溫金屬流體換熱器高效的傳熱特性和低功耗驅(qū)動優(yōu)勢。實際上，這種先進(jìn)的傳熱方式，不僅限于以高熱流密度芯片著稱的IT行業(yè)，在工業(yè)及生活領(lǐng)域隨處可見的大量低熱流密度、低品位熱能傳遞

14、及應(yīng)用上，也可以發(fā)揮關(guān)鍵作用。這主要源于液態(tài)金屬散熱技術(shù)所體現(xiàn)出來的一系列獨(dú)特價值。歸納起來，液態(tài)金屬傳熱方式具有如下特點及優(yōu)勢：適用于換熱器的室溫金屬流體工質(zhì)工作溫區(qū)廣，比如最典型者錢基合金的最低熔點可達(dá)-19C,最高沸點則高達(dá)2400C,這使其可用于發(fā)展傳熱性能穩(wěn)定的單相換熱器，從而廣泛適用于大量室溫區(qū)的工業(yè)余熱利用領(lǐng)域具有遠(yuǎn)高于單相水的對流換熱系數(shù)，這種高效的換熱能力有助于發(fā)展體積緊湊的換熱器；可采用電磁泵驅(qū)動，無任何機(jī)械運(yùn)動部件，由此發(fā)展的換熱器運(yùn)行穩(wěn)定可靠且無噪音；作為金屬介質(zhì)，液態(tài)金屬傳熱流體可采用電磁泵驅(qū)動，因此換熱器運(yùn)行無機(jī)械損耗，效率高，功耗低，節(jié)能效果明顯；典型的金屬流體如

15、錢基合金流體性質(zhì)穩(wěn)定，常溫下不與空氣或水反應(yīng)，無毒性，且飽和蒸汽壓低，不易蒸發(fā)；表面張力大，不易泄漏；金屬流體成本雖高，但容易回收，在高回收率的情況下液體成本極低，而且金屬流體換熱器維護(hù)方便，不涉及水處理及由此可能產(chǎn)生的可能污染問題，總的運(yùn)行成本較低，這使其可廣泛用于大量工業(yè)領(lǐng)域。以上特點，實際上確保了液態(tài)金屬換熱器作為未來一大類優(yōu)質(zhì)換熱器存在的可能。目前,這種新型換熱器在余熱利用領(lǐng)域的普及，在很大程度上并非是受成本和技術(shù)阻礙，實際上是受到了觀念的制約。3降耗節(jié)能應(yīng)采取的措施從2009年長治市節(jié)能降耗工作進(jìn)程看，要完成“十一五”的目標(biāo)量，任務(wù)是很艱巨，必須采取強(qiáng)力有效的措施，深化改革，抓住重點

16、，充分運(yùn)用行政、經(jīng)濟(jì)、法律等手段，全力推進(jìn)長治市節(jié)能降耗工作進(jìn)程。3. 1以結(jié)構(gòu)調(diào)整來促進(jìn)工業(yè)節(jié)能通過對工業(yè)節(jié)能量影響因素的分析，只有通過調(diào)整工業(yè)結(jié)構(gòu)，鼓勵高產(chǎn)出、低耗能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)行業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級，提高工業(yè)用能效率，才能實現(xiàn)工業(yè)節(jié)能。3.2狠抓重點行業(yè)和企業(yè)的節(jié)能降耗以鋼鐵、電力、建材、石油、化工、煤炭等行業(yè)為重點，全力推進(jìn)工業(yè)節(jié)能，堅決遏制耗能高、污染重產(chǎn)業(yè)過快增長。繼續(xù)大力實施“雙百”企業(yè)節(jié)能監(jiān)控工程，“雙百”企業(yè)能耗總量占全部規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)總能耗57.51%,是工業(yè)企業(yè)節(jié)能的重點。組織開展與省內(nèi)國內(nèi)同行業(yè)能耗先進(jìn)水平對比活動，推動各企業(yè)加大結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)改造力度，降低產(chǎn)品單耗，提

17、高能效，推動長治市工業(yè)行業(yè)實現(xiàn)低耗高效發(fā)展。3. 3促進(jìn)高耗能企業(yè)實現(xiàn)能源使用的科學(xué)化管理當(dāng)前，要重點對新投產(chǎn)或剛剛恢復(fù)生產(chǎn)的高耗能企業(yè)和有新高耗能項目的企業(yè)加強(qiáng)節(jié)能監(jiān)督管理。有關(guān)部門要積極指導(dǎo)和幫助這類企業(yè)做好能源計量、搞好能源核算和分級定額考核以及能源平衡測試等方面的工作，使企業(yè)在能源使用過程中的各個環(huán)節(jié)都能達(dá)到科學(xué)化管理。3. 4著力推進(jìn)科技進(jìn)步與創(chuàng)新繼續(xù)實施余熱余壓發(fā)電、高爐和轉(zhuǎn)爐煤氣回收利用、干熄焦技術(shù)改造、變頻及無功補(bǔ)償裝置改造等節(jié)能工程，抓好重點節(jié)能項目。加快企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系建設(shè)，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合。積極開發(fā)新能源和可再生能源，推廣潔凈煤、煤氣化和煤液化技術(shù)，發(fā)展生物能源，改變能源消

18、費(fèi)結(jié)構(gòu)。4困境和展望盡管眾多先進(jìn)的技術(shù)在一定程度上推動了余熱利用的發(fā)展，但各自的缺陷也在一定程度上制約了余熱利用技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。在澳化鋰吸收式制冷系統(tǒng)中，澳化鋰對金屬材料有腐蝕性，且會出現(xiàn)結(jié)晶導(dǎo)致?lián)Q熱性能下降甚至換熱器無法正常運(yùn)行：與吸收式制冷系統(tǒng)相比。吸附式制冷系統(tǒng)不存在結(jié)晶問題，但需要采用風(fēng)冷、水冷方式進(jìn)行冷卻.受到風(fēng)能和水能的制約：各種新型材料在蓄能.熱轉(zhuǎn)換方面表現(xiàn)出優(yōu)良的特性。但是如果不采取合理的散熱。很難達(dá)到理想的蓄能和發(fā)電水平；熱管制作工藝，如芯體材料的制備、工質(zhì)封裝等相當(dāng)復(fù)雜，對安裝、維護(hù)、工作溫度等有特殊要求。這使其應(yīng)用受到很大限制；利用熱聲技術(shù)進(jìn)行余熱轉(zhuǎn)化的過程中，需要先將熱源的熱量通過換熱器傳到熱聲介質(zhì).而常規(guī)的水冷換熱器在運(yùn)行和維護(hù)方面存在一定的不便。中國工業(yè)余熱同收利用水平雖已有較大提高.但這些余熱利用技術(shù)面臨的障礙，很大程度上限制了中國工業(yè)余熱利用的規(guī)模，致使中國工業(yè)余熱同收利用水平與國際先進(jìn)水平仍存在較大差距。為突破這一困境.除進(jìn)一步對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行深入研究，攻克材料性能、封裝工藝等技術(shù)難關(guān)之外，對換熱設(shè)備及換熱工質(zhì)進(jìn)行改進(jìn)，也是今后較長時期的一個重要發(fā)展方向。5結(jié)語低品位余熱利用是節(jié)能減排重要的組成部分，通過多年的實踐，充分展示了這一技術(shù)對工藝尾氣中低濃度可燃