0我國(guó)工業(yè)余熱利用現(xiàn)狀

1、我國(guó)工業(yè)余熱利用現(xiàn)狀 摘要：工業(yè)發(fā)展帶來(lái)了巨大的污染，工業(yè)余熱的利用是節(jié)能減排的重要環(huán)節(jié)。本文主要介紹了工業(yè)余熱的資源特點(diǎn)，概述了工業(yè)余熱的利用方式，中國(guó)目前低溫工業(yè)余熱技術(shù)，以及分析了工業(yè)余熱利用中存在的問(wèn)題。總結(jié)出目前應(yīng)該大力發(fā)展利用低溫余熱技術(shù)。關(guān)鍵詞：工業(yè)余熱；低溫余熱利用技術(shù)；節(jié)能減排0引言 工業(yè)部門余熱資源總量極為豐富，“十二五”期間可以開(kāi)發(fā)利用的潛力超過(guò)1億噸標(biāo)準(zhǔn)煤?！笆濉笔俏覈?guó)節(jié)能減排承前啟后的關(guān)鍵時(shí)期，國(guó)務(wù)院和有關(guān)部委已就節(jié)能減排工作作出全面的決策部署，明確提出單位GDP能耗降低16%左右、單位GDP二氧化碳排放降低17%左右、規(guī)模以上工業(yè)增加值能耗降低21%左右等多項(xiàng)節(jié)

2、能減排目標(biāo)。工業(yè)部門能源消費(fèi)約占全國(guó)能源消費(fèi)的70%。 目前余熱利用最多的國(guó)家是美國(guó)，它的利用率達(dá)到60%，歐洲的達(dá)到50%，我國(guó)30%。就余熱利用來(lái)看，我國(guó)還有很大的利用空間。中、高溫余熱發(fā)電已經(jīng)形成了比較完備的產(chǎn)業(yè)，而低溫余熱發(fā)電則剛剛開(kāi)始。1.工業(yè)余熱資源特點(diǎn)工業(yè)消耗的能源部門品種包括原煤、洗煤、焦炭、油品、天然氣、熱力、電力等。工業(yè)余熱資源特點(diǎn)主要有：多形態(tài)、分散性、行業(yè)分布不均、資源品質(zhì)較大差異等特點(diǎn)。 對(duì)鋼鐵、水泥、玻璃、合成氨、燒堿、電石、硫酸行業(yè)余熱資源的調(diào)查分析結(jié)果顯示，上述工業(yè)行業(yè)余熱資源量豐富，約占這7個(gè)工業(yè)行業(yè)能源消費(fèi)總量的1/3?！笆濉睍r(shí)期，綜合考慮行業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展

3、趨勢(shì)，這7個(gè)工業(yè)行業(yè)余熱資源總量高達(dá)3.4億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。2010年末，余熱資源開(kāi)發(fā)利用總量折合為8791萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤。其中，余熱資源開(kāi)發(fā)利用量超過(guò)1000萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤的有鋼鐵、合成氨、硫酸、水泥4個(gè)行業(yè)，分別為3560萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤、2450萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤、1244萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤、1124萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤。從余熱資源的行業(yè)分布來(lái)看，上述7個(gè)工業(yè)行業(yè)中，鋼鐵、水泥、合成氨行業(yè)的余熱資源量位居前三，分別為1.71億噸標(biāo)準(zhǔn)煤、9300萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤、3454萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占這7個(gè)工業(yè)行業(yè)余熱資源總量的比重分別為50.3%、27.3%、10.2%；硫酸、電石、燒堿、玻璃余熱資源總量則較少，分別為1940萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤、1408萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)

4、煤、495萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤、311萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤，合計(jì)占7個(gè)工業(yè)行業(yè)余熱資源總量的122%。從工業(yè)余熱資源的地區(qū)分布來(lái)看，“十二五”時(shí)期，上述7個(gè)工業(yè)行業(yè)余熱資源可開(kāi)發(fā)利用潛力居前六位的地區(qū)是河北、江蘇、山東、遼寧、山西、河南，分別為1507萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤、680萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤、664萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤、530萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤、419萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤、361萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤。從余熱資源的來(lái)源來(lái)看，可分為高溫?zé)煔夂屠鋮s介質(zhì)等六類，其中高溫?zé)煔庥酂岷屠鋮s介質(zhì)余熱占比最高，分別占50%和20%，而其他來(lái)源分別是廢水、廢氣余熱占11%，化學(xué)反應(yīng)余熱8%，可燃廢氣、廢液和廢料余熱7%，高溫產(chǎn)品和爐渣的余熱4%。從余熱資源品位來(lái)看，約46%為400

5、及以上的高品質(zhì)余熱資源，其余約54%則為400以下的中低品質(zhì)余熱資源。從余熱量占各行業(yè)燃耗量的比例來(lái)看，建材行業(yè)的余熱占燃耗量的比例最大，約占40%，其他各行業(yè)的余熱資源也豐富。各行業(yè)余熱資源在該行業(yè)的燃耗量的比例如下表1-1：表1-1 各行業(yè)余熱占該行業(yè)燃耗量的比例行業(yè)余熱資源來(lái)源占燃料消耗量的比例冶金軋鋼加熱爐、均熱爐、平爐、轉(zhuǎn)爐高爐、焙燒窯等33%以上化工化學(xué)反應(yīng)熱，如造氣、變換氣、合成氣等的物理顯熱；可燃燒熱，如炭黑尾氣、電石氣等的燃料熱15%以上建材高溫?zé)煔?、窯頂冷卻、高溫產(chǎn)品等約40%玻糖玻璃窯爐、搪瓷窯、坩堝窯等約20%造紙洪缸、蒸鍋、廢氣、黑液等約15%紡織烘干機(jī)、漿紗機(jī)、蒸煮

6、爐等約15%機(jī)械鍛造加熱爐、沖天爐、熱處理爐及汽錘排氣等約15%2.工業(yè)余熱利用技術(shù)工業(yè)余熱資源來(lái)源于工業(yè)生產(chǎn)中各種爐窖、余熱利用裝置和化工過(guò)程中的反應(yīng)等。這些余熱能源經(jīng)過(guò)一定的技術(shù)手段加以利用，可進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成其他機(jī)械能、電能、熱能或冷能等。利用不同的余熱回收技術(shù)回收不同溫度品位的余熱資源對(duì)降低企業(yè)能耗,實(shí)現(xiàn)我國(guó)節(jié)能減排、環(huán)保發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。余熱溫度范圍廣、能量載體的形式多樣，又由于所處環(huán)境和工藝流程不同及場(chǎng)地的固有條件的限制，生產(chǎn)生活的需求，設(shè)備型式多樣，如有空氣預(yù)熱器，窯爐蓄熱室，余熱鍋爐，低溫汽輪機(jī)等。根據(jù)佘熱的溫度范圍，可以將目前的工業(yè)余熱技術(shù)分為中高溫余熱回收技術(shù)和低

7、溫回收技術(shù)。中高溫回收技術(shù)主要有三種技術(shù)：余熱鍋爐、燃?xì)廨啓C(jī)、高溫空氣燃燒技術(shù)。低溫回收技術(shù)主要有有機(jī)工質(zhì)空肯循環(huán)發(fā)電、熱泵技術(shù)、熱管技術(shù)、溫差發(fā)電技術(shù)、熱聲技術(shù)。 從目前工業(yè)余熱現(xiàn)狀來(lái)看，高溫余熱回收技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)的鋼鐵、水泥、冶金等行業(yè)廣泛應(yīng)用。但除了高溫余熱外，還有大量的低溫工業(yè)余熱未得到利用，我國(guó)我國(guó)對(duì)于低溫余熱的利用還處于嘗試和發(fā)展階段,低溫余熱回收技術(shù)不成熟,導(dǎo)致這部分余熱多直接排向環(huán)境，造成了巨大的能源浪費(fèi)。因此，本文著重概述低溫余熱回收技術(shù)。3.有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)3.1有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的原理有機(jī)朗肯循環(huán)是將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的系統(tǒng)，與常規(guī)的蒸汽發(fā)電裝置的熱力循環(huán)原理

8、相似，但有機(jī)工質(zhì)低溫?zé)岚l(fā)電不是用水作工質(zhì)，而是用有機(jī)物為工質(zhì)的朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng), 其工作原理如圖4-1所示。系統(tǒng)由蒸發(fā)器、透平、冷凝器和工質(zhì)泵四大部分組成, 有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器中從低溫?zé)崃髦形諢崃? 生成具一定壓力和溫度的蒸汽, 蒸汽推動(dòng)透平機(jī)械做功, 從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)或拖動(dòng)其它動(dòng)力機(jī)械。從透平機(jī)排出的有機(jī)蒸汽在冷凝器中向冷卻水放熱, 凝結(jié)成液態(tài), 最后借助工質(zhì)泵重新回到蒸發(fā)器, 如此不斷地循環(huán)下去。圖3-1 有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電原理圖3.1.2有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)采用有機(jī)工質(zhì)（如R123、R245fa、R152a、氯乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷等 ）作為循環(huán)工質(zhì)的發(fā)電系

9、統(tǒng)，由于有機(jī)工質(zhì)在較低的溫度下就能氣化產(chǎn)生較高的壓力，推動(dòng)渦輪機(jī)（透平機(jī)）做功，故有機(jī)工質(zhì)循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)可以在煙氣溫度200左右，水溫在80左右實(shí)現(xiàn)有利用價(jià)值的發(fā)電。目前，對(duì)低溫?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：工質(zhì)的熱力學(xué)特性和環(huán)保性能；混合工質(zhì)的應(yīng)用；熱力循環(huán)的優(yōu)化等。國(guó)外有機(jī)朗肯循環(huán)低溫?zé)岚l(fā)電技術(shù)主要應(yīng)用于地?zé)岚l(fā)電，但未來(lái)可能應(yīng)用于太陽(yáng)能熱電、工業(yè)余熱、生物質(zhì)能和海洋溫差能等。目前美國(guó)、法國(guó)等國(guó)的余熱發(fā)電技術(shù)的最低溫度是80，我國(guó)自主研發(fā)的低溫發(fā)電機(jī)組，通過(guò)提升熱電轉(zhuǎn)換介質(zhì)的性能，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了最低發(fā)電溫度為60能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)電。3.2有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究案例國(guó)內(nèi)外對(duì)于低溫

10、熱能利用的研究主要開(kāi)始于20世紀(jì)70年代的石油危機(jī)時(shí)期。其中，有機(jī)物朗肯循環(huán)的研究和應(yīng)用最為廣泛。早在1924年，就有人開(kāi)始研究采用二苯醚作為工質(zhì)的有機(jī)物朗肯循環(huán)。到目前為止，全世界已有2OOO多套ORC裝置在運(yùn)行，并且有十幾家生產(chǎn)制造企業(yè)，生產(chǎn)出單機(jī)容量為14000 kW的ORC發(fā)電機(jī)組。 有機(jī)工質(zhì)低溫發(fā)電設(shè)備的制造及生產(chǎn)在國(guó)內(nèi)還是一個(gè)空白。清華大學(xué)柯玄齡、梁秀英等在這方面進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究, 并研制出產(chǎn)品, 應(yīng)用于工程實(shí)踐。近年來(lái), 浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)習(xí)等主要對(duì)有機(jī)工質(zhì)和熱力循環(huán)進(jìn)行了一定的研究，但總體來(lái)說(shuō)國(guó)內(nèi)對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的研究和應(yīng)用工作較少，所以開(kāi)展這方面的研究工作是很有意義

11、的。 國(guó)內(nèi)外對(duì)低溫余熱朗肯循環(huán)系統(tǒng)做了大量的研究，其研究案例見(jiàn)表4.1，表3.1國(guó)內(nèi)外低溫余熱回收有機(jī)介質(zhì)循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的研究案例研究單位研究項(xiàng)目工質(zhì)研究溫度年份天津大學(xué)廢熱源驅(qū)動(dòng)的有機(jī)朗肯循環(huán)R134、二苯甲等65200R143在65150內(nèi)，系統(tǒng)循環(huán)效率最高達(dá)11.8%，適合回收150以下的余熱。西安交通大學(xué)固定流量15.951kg/s工質(zhì)循環(huán)性能分析R718（水）、R717（氨）、R600、R600a、R11、R123、R141b、R235ea、R245ca、R11380140水和氨的輸出功隨溫度的升高而升高，其余隨溫度而降低。熱源條件相同時(shí)，R236a火用效率最高。加拿大皇家軍事學(xué)院流量

12、300kg/s工質(zhì)循環(huán)性能分析R718（水）、R717（氨）、R290（丙烷）、異丙烷、苯、正庚烷、100250熱源條件相同時(shí)，苯為工的ORC效率最高，最大約24%；丙烷、異丙烷、正庚烷效率基本相同，最大約20.8%；氨為18%；水僅為16.8%。北京科技大學(xué)、 清華大學(xué)汽車尾氣在有機(jī)朗肯循環(huán)的回收研究R11、R141b、R113、R123、R236ea、R245fa、R245ca、R60030330R245fa 和R245ca 更適合作為循環(huán)工質(zhì)。2011印度國(guó)家火力發(fā)電有限公司140熱源下，工質(zhì)的循環(huán)性能分析R12 ( 二氟二氯甲烷) 、R123、R134a140以R123 為工質(zhì)的循環(huán)性

13、能最好，依據(jù)熱力學(xué)第一定律算出的R123的系統(tǒng)循環(huán)效率可達(dá)25. 3%，依據(jù)熱力學(xué)第二定律的效率為64.4%。臺(tái)灣義守大學(xué)工質(zhì)的循環(huán)性能分析苯、甲苯、對(duì)二甲苯、R113和R123300采用對(duì)二甲苯工質(zhì)的循環(huán)熱效率最高,苯最低；對(duì)二甲苯一般適合于回收溫度在300左右的高溫廢熱,而R113和R123在回收200的低溫廢熱時(shí)有較好的性能，且R123優(yōu)于R113。2001意大利米蘭理工大學(xué)非共沸硅氧烷混合工質(zhì)和純工質(zhì)的比較直鏈?zhǔn)綗N類和芳香族烴類、全氟化烴、氟代直鏈烴類、硅氧烷類混合工質(zhì)效率更高臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院有機(jī)工質(zhì)分析在分子中存在氫鍵的流體都不適合作為有機(jī)朗肯循環(huán)的工質(zhì),如水、氨和乙醇等濕流體。工

14、質(zhì)臨界溫度對(duì)熱力學(xué)效率有一個(gè)較小的影響。2004意大利布雷西亞大學(xué)回?zé)崾轿⑿蜏u輪有機(jī)朗肯循環(huán)研究多甲基硅氧烷300質(zhì)量流量為1/,溫度為300的廢熱,100的微型渦輪機(jī)中采用多甲基硅氧烷作為工質(zhì)可以多產(chǎn)生45的電能,將效率從30%增加到40%。2007華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室有機(jī)朗肯循環(huán)低溫余熱回收系統(tǒng)的工質(zhì)選擇R600、R245fa、2,2-二甲基丙烷、R123 和苯等14種工質(zhì)170大部分烷類工質(zhì)的熱效率和壓比相對(duì)其他類工質(zhì)較高，而所需質(zhì)量流量遠(yuǎn)小于其他類工質(zhì)，且烷類工質(zhì)環(huán)己烷以其較高的熱效率、較低的單位功量質(zhì)量流量和UA 等特性，被認(rèn)為是低溫余熱回收系統(tǒng)中較理想

15、的循環(huán)工質(zhì)2014 從表4.1里可以看出，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)低溫余熱發(fā)電的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的理論研究很多，并且著重在烷烴類工質(zhì)對(duì)循環(huán)系統(tǒng)的研究較多，且針對(duì)工業(yè)余熱不同溫區(qū)來(lái)選擇適于ORC回收工程應(yīng)用的工質(zhì)；混合工質(zhì)有利于提高ORC循環(huán)的效率而得到研究者關(guān)注。3.3有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外應(yīng)用案例 國(guó)外ORC 系統(tǒng)動(dòng)力回收研究開(kāi)展較早，上世紀(jì)初始，美國(guó)和日本就開(kāi)始將其應(yīng)用于工程實(shí)踐。目前, 以色列的低溫廢熱發(fā)電技術(shù)居世界領(lǐng)先地位, 日本、美國(guó)、俄羅斯等在引進(jìn)以色列的廢熱發(fā)電設(shè)備和技術(shù)基礎(chǔ)上, 也進(jìn)行了大量的研究工作, 并開(kāi)發(fā)了有機(jī)朗肯循環(huán)余熱鍋爐發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)等, 取得了極其明顯的經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)際上

16、，以色列一直在研發(fā)及制造低溫?zé)嵩吹挠袡C(jī)朗肯循環(huán)(0rganic Rankine Cycle，簡(jiǎn)稱 ORC)純低溫余熱發(fā)電技術(shù)及設(shè)備。 國(guó)內(nèi)外低溫余熱回收有機(jī)介質(zhì)循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用案例見(jiàn)表4.2，表3.2 國(guó)內(nèi)外低溫余熱回收有機(jī)介質(zhì)循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用案例項(xiàng)目投入運(yùn)行時(shí)間生產(chǎn)商功率/KW熱源溫度/工質(zhì)比利時(shí)垃圾電站2008年Turboden意大利3000熱水180摩洛哥水泥廠2010年Turboden意大利2000煙氣330日本大岳地?zé)嵴?977年日本三菱重工1000熱水260異丁烷回收煉油廠余熱的ORC系統(tǒng)美國(guó)MTI1174110R113中國(guó)那曲地?zé)岚l(fā)電站1993年以色列ORMAT1000110

17、異戊烷日新鋼余熱電廠1981年日本三井造船公司14000煙氣340德國(guó)Lengfure水泥廠余熱發(fā)電站1999年以色列ORMAT1500煙氣275美國(guó)柴油機(jī)余熱發(fā)電美國(guó)聯(lián)合能量公司600300 從表4.2可以看出，國(guó)內(nèi)外對(duì)余熱發(fā)電的實(shí)際應(yīng)用都在相繼展開(kāi)。未來(lái)余熱發(fā)電是節(jié)能的一個(gè)大趨勢(shì)。國(guó)外ORC 技術(shù)已成功商業(yè)化，涌現(xiàn)出許多ORC設(shè)計(jì)與制造廠商，如以色列ORMAT 公司、意大利Turboden、德國(guó)GMK 公司等，GE、三菱等著名葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)制造企業(yè)也成立了專門的ORC 公司。 3.4有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析 例如某水泥廠余熱發(fā)電站，一條3000噸/天的新型干法水泥生產(chǎn)線，窯頭與窯尾

18、配備有余熱鍋爐，用的是凝汽式汽輪機(jī)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)出來(lái)效果為每小時(shí)的平均發(fā)電總量為3500kW，參照發(fā)電機(jī)組的真實(shí)規(guī)格，必須用3000kW的汽輪機(jī)組。某項(xiàng)目的總投資數(shù)額高達(dá)60萬(wàn)元，一年平均運(yùn)轉(zhuǎn)300多天，則1年的發(fā)電總量可達(dá)到2270萬(wàn)kWh。這種情況下和采用標(biāo)準(zhǔn)煤生產(chǎn)相比，能夠節(jié)約1.3萬(wàn)噸的煤，減少約2.2萬(wàn)噸二氧化碳的排放量，然后除掉系統(tǒng)自身耗費(fèi)電量的10%，則每年供電量能夠達(dá)到1905萬(wàn)kWh，而1噸熟料的發(fā)電能力能夠達(dá)到26.5kWh。相比之下，應(yīng)用純低溫余熱發(fā)電技術(shù)來(lái)發(fā)電，整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)一共投資1962萬(wàn)元，外界購(gòu)電價(jià)格按照0.5元/kWh進(jìn)行計(jì)算，除去余熱電站供電所花費(fèi)的成本，則每噸

19、熟料的成本大約能下降11.5元，進(jìn)一步降低了水泥工業(yè)生產(chǎn)成本，提升企業(yè)在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。以某冷卻塔低溫余熱利用系統(tǒng)用于發(fā)電為例，扣除泵的耗功后，1t熱水的發(fā)電量為1kW.h，每年按照7000h計(jì)算，則年發(fā)電量為70000kW.h，電價(jià)按0.5元計(jì)算，年經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)35萬(wàn)元，相當(dāng)于減少CO2排放量650t，經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益顯著。隨著國(guó)家節(jié)能減排力度不斷加碼，水泥余熱發(fā)電項(xiàng)目的魅力日益顯著。預(yù)計(jì)，到2015年，我國(guó)余熱余壓發(fā)電要實(shí)現(xiàn)新增裝機(jī)2000萬(wàn)千瓦。按照每千瓦造價(jià)5000元計(jì)算，“十二五”期間水泥余熱余壓發(fā)電將形成1000億元投資規(guī)模。 結(jié)論：固然純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的投資非常高，但在短短幾年中

20、基本上可收回成本，可以說(shuō)構(gòu)建出低溫余熱電站，既能變廢為寶，充分利用能源，降低對(duì)環(huán)境的污染，又能增加企業(yè)受益，可謂一舉兩得。4.熱泵技術(shù)4.1熱泵技術(shù)的原理熱泵就是在兩個(gè)熱源之間工作，消耗一定的功（W），使低溫?zé)嵩垂┙o熱量（Q1），在高溫?zé)嵩刺帿@得熱量（Q2），亦即以消耗少量高質(zhì)能為代價(jià),達(dá)到提高溫位以利于利用。熱泵大概分兩類：一是蒸汽壓縮式；二是吸收式，后者是熱泵的主流。壓縮式熱泵由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)、節(jié)流裝置及水源、熱水側(cè)管路等部分組成。壓縮式熱泵由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)、節(jié)流裝置及水源、熱水側(cè)管路等部分組成。機(jī)械壓縮式熱泵系統(tǒng)的工作過(guò)程如下：低佛點(diǎn)工質(zhì)流經(jīng)蒸發(fā)器時(shí)蒸發(fā)成蒸汽，此時(shí)從低溫

21、位處吸收熱量，來(lái)自蒸發(fā)器的低溫低壓蒸汽，經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮后升溫升壓，達(dá)到所需溫度和壓力的蒸汽流經(jīng)冷凝器，在冷凝器中，將從蒸發(fā)器中吸取的熱量和壓縮機(jī)耗功所相當(dāng)?shù)哪遣糠譄崃颗懦觥７懦龅臒崃烤蛡鬟f給高溫?zé)嵩?，使其溫位提高。蒸汽冷凝降溫后變成液相，流?jīng)節(jié)流閥膨脹后，壓力繼續(xù)下降，低壓液相工質(zhì)流入蒸發(fā)器，由于沸點(diǎn)低，因而很容易從周圍環(huán)境吸收熱量而再蒸發(fā)，又形成低溫低壓蒸汽，依此不斷地進(jìn)行重復(fù)循環(huán)。吸收式熱泵是利用工質(zhì)的吸收循環(huán)實(shí)現(xiàn)熱泵功能的一類裝置，它采用熱能直接驅(qū)動(dòng)，而不是依靠電能、機(jī)械能等其他資源。溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組回收利用低溫?zé)嵩?如廢熱水)的熱能，制取所需的工藝或采暖用高溫?zé)崦剑瑢?shí)現(xiàn)從低溫向高溫

22、輸送熱能的設(shè)備，它以低溫?zé)嵩礊轵?qū)動(dòng)熱源，在采用低溫冷卻水的條件下，制取比低溫?zé)嵩礈囟雀叩臒崦?。它與第一類溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組的區(qū)別在于，它不需要更高溫度的熱源來(lái)驅(qū)動(dòng)。但需要較低溫度的冷卻水。4.2熱泵技術(shù)的特點(diǎn)我國(guó)許多行業(yè)對(duì)熱源的需求溫度多集中在75200之間，且存在著低溫余熱大量浪費(fèi)的情況，可以把熱能由低溫位熱源轉(zhuǎn)移到高溫位熱源的中高溫?zé)岜眉夹g(shù)有著巨大的應(yīng)用空間。對(duì)高溫?zé)岜玫难芯慷嗉性谶m宜工質(zhì)的選擇和制熱效率提高這兩個(gè)方面。對(duì)高溫?zé)岜玫难芯慷嗉性谶m宜工質(zhì)的選擇和制熱效率提高這兩個(gè)方面。全世界有超過(guò)1.3億臺(tái)熱泵機(jī)組在正常運(yùn)行,總供熱量超過(guò)了 4.7E+10GJ/年, 目前,工業(yè)熱泵主要應(yīng)

23、用在釀造、紡織、木材、食品加工、石油化工、海水淡化、熱電以及冶金等領(lǐng)域。在國(guó)外,利用吸收式熱泵系統(tǒng)回收余熱技術(shù)的研究已有多年的發(fā)展。在溴化鋰吸收式制冷技術(shù)上我國(guó)已經(jīng)積累了雄厚的技術(shù)基礎(chǔ),但在吸收式熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)上還比較落后。4.3熱泵技術(shù)國(guó)內(nèi)外的研究案例 早在20世紀(jì)80年代，日本大型節(jié)能技術(shù)研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目項(xiàng)目就把高溫?zé)岜昧腥肓酥攸c(diǎn)研究方向之一，該項(xiàng)目總的目標(biāo)是將制熱性能系數(shù)（COP）提高到68，出口熱水溫度提高到150300。在美國(guó)IEA熱泵中心和 IIR的熱泵發(fā)展計(jì)劃以及歐洲大型熱泵研究計(jì)劃中，中高溫?zé)岜眉夹g(shù)都是研究的重點(diǎn)。 2007年太原理工大學(xué)根據(jù)山西某熱電廠冷凝抽汽工況條件設(shè)計(jì)了基

24、于單效吸收式熱泵機(jī)組的新型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。改造后的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)統(tǒng)在原有汽輪機(jī)抽汽量不變的條件下回收汽輪機(jī)冷凝余熱,實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)供熱負(fù)荷增大、熱電廠一次能源利用率提高、節(jié)能減排的目標(biāo),實(shí)際運(yùn)行工況良好,經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。大慶石油學(xué)院結(jié)合油田的實(shí)際情況,通過(guò)對(duì)油田污水熱源和油田用熱要求的分析,探討了采用單效第一類吸收式熱泵為油田的生產(chǎn)過(guò)程供熱的可行性、節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益。清華大學(xué)2008年提出了基于Co-ah循環(huán)的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱方法,其中對(duì)熱電廠的冷凝余熱利用雙效吸收熱泵機(jī)組配合單效吸收熱泵機(jī)組的方式,其設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)依靠熱電廠冷凝乏汽、冷凝余熱及汽輪機(jī)抽汽并以此對(duì)熱網(wǎng)回水進(jìn)行升溫。4.4熱泵技術(shù)國(guó)

25、內(nèi)外的應(yīng)用案例美國(guó)B.C.L.(Battdle Clumber Labs) 與A.C.公司(Adolphcooc Compange)合作,共同研發(fā)出較為完善的吸收式AHT系統(tǒng),1983年已能規(guī)?；a(chǎn),并將它用于回收煉油廠中汽提塔和蒸館塔塔頂蒸汽的冷凝余熱,以及造紙廠制漿工藝和食品加工過(guò)程中泄漏蒸汽的余熱。1981年以來(lái),日本的三洋公司已為日本和全球各地建立了 20套大型吸收熱泵裝置,部分機(jī)組已成功運(yùn)行十年以上。同時(shí)在日本的千葉工廠,已將吸收式熱泵裝置集成于橡膠裝置中的凝聚釜頂廢熱的回收系統(tǒng)中,并且取得了良好的效果,據(jù)記載其改造投資回收期只有15年。遼河油田曙光采油廠曙五聯(lián)合站采用高溫?zé)岜眉夹g(shù)

26、!以清華大學(xué)研發(fā)的HTR01為工質(zhì)，從 5640m/d的含油污水(溫度為71)中提取2797KW的熱量,將2355m/d、53的進(jìn)站原油加熱到85。機(jī)組自2010 年投產(chǎn)以來(lái)，運(yùn)轉(zhuǎn)正常，熱泵機(jī)組總耗電折合人民幣 192.37萬(wàn)元，產(chǎn)生的加熱效果相當(dāng)于以往消耗價(jià)值1053萬(wàn)元燃油或690.74萬(wàn)元天燃?xì)獾募訜嵝Ч?，?jīng)濟(jì)效益顯著。云駕嶺煤礦等就以1820礦井涌水和2040的坑口電廠凝氣冷卻水為熱源 ，采用高溫?zé)岜煤偷蜏責(zé)岜媒Y(jié)合：高溫?zé)岜卯a(chǎn)生的 7075的熱水作為礦區(qū)地面建筑冬季采暖，低溫?zé)岜脛t產(chǎn)生 60左右的熱水用于井筒保溫和職工浴室噴淋。 采用熱泵技術(shù)以來(lái)，礦區(qū)每年節(jié)約煤炭消耗40005000t

27、，減排 CO21200014000t,節(jié)能減排效果非常顯著.5.熱管技術(shù)5.1熱管技術(shù)的原理 以熱管作為傳熱元件的廢熱鍋爐稱為熱管式廢熱鍋爐，由外筒體、內(nèi)筒體、飽和汽包、熱管四部分組成。工作時(shí)廢氣（或工藝氣）由上部進(jìn)入，經(jīng)外筒體和內(nèi)筒體環(huán)隙流動(dòng)，經(jīng)熱管換熱后氣體由下部流出；水由內(nèi)筒體下部進(jìn)入，經(jīng)熱管加熱后，進(jìn)汽包，汽水分離后，產(chǎn)生飽和蒸汽，并網(wǎng)或直接使用。 5.2熱管技術(shù)的特點(diǎn)熱管的二次間壁換熱特性是實(shí)現(xiàn)安全、可靠及長(zhǎng)周期運(yùn)行的重要保證。熱管的熱流變換及自吹灰特性是防止工業(yè)上換熱設(shè)備露點(diǎn)腐蝕及灰塵堵塞的重要技術(shù)保證。熱管的均溫?zé)崞帘渭胺蛛x式熱管技術(shù)的完善, 將可能解決化學(xué)反應(yīng)器中溫度分布不均勻

28、、反應(yīng)過(guò)程偏離最佳反應(yīng)溫度的缺陷、石油裂解中由于管壁溫度不均勻而出現(xiàn)的過(guò)熱分解以及核反應(yīng)堆安全殼體的散熱等等問(wèn)題。液態(tài)金屬熱管的出現(xiàn)及材料價(jià)格的下降, 可實(shí)現(xiàn)在超高溫反應(yīng)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)連續(xù)取熱。5.3熱管技術(shù)的國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀早在 1942 年，Gauler 就曾提出熱管的原理。1962 年，L. Trefethen 再次提出類似于Gauler 的傳熱元件，但因故未能實(shí)施。直到1964 年，Grover等人獨(dú)立地提出了類似于Gauler 的傳熱元件，并且取名熱管，此后吸引了很多的科學(xué)技術(shù)工作者從事熱管研究，使熱管得到了很快的發(fā)展。熱管自1964 年正式在美國(guó)發(fā)明問(wèn)世, 至今已有50年的歷史, 常作為

29、一種傳熱元件, 但作為一項(xiàng)傳熱技術(shù), 則仍處于發(fā)展階段。我國(guó)的熱管技術(shù)開(kāi)發(fā)研究一開(kāi)始有明確為工業(yè)化服務(wù)的目標(biāo), 因此重點(diǎn)在于開(kāi)發(fā)碳鋼-水熱管換熱器。經(jīng)過(guò)多年的努力, 我國(guó)的熱管技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用已處于國(guó)際先進(jìn)水平。目前, 氣-氣熱管換熱器、熱管蒸汽發(fā)生器等熱管節(jié)能產(chǎn)品已廣泛用于冶金、石油、化工、動(dòng)力及陶瓷等工業(yè)領(lǐng)域。6.半導(dǎo)體溫差發(fā)電6.1半導(dǎo)體溫差發(fā)電原理 溫差發(fā)電器是一種基于塞貝克效應(yīng)，直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能的熱電轉(zhuǎn)換器件。1982 年，德國(guó)物理學(xué)家塞貝克發(fā)現(xiàn)了溫差電流現(xiàn)象，即兩種不同金屬構(gòu)成的回路中，若兩種金屬結(jié)點(diǎn)溫度不同，該回路中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)溫差電動(dòng)勢(shì)。由于材料的限制，熱電能量轉(zhuǎn)換的效率很低

30、，所以很少能在工程技術(shù)上得到實(shí)際應(yīng)用。20世紀(jì)五十年代以后，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展，半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)引起了世界范圍內(nèi)的極大關(guān)注。圖6-1 溫差電池示意圖如圖6-1所示，將端置于高溫，處于低溫端的就可得到電動(dòng)勢(shì)式中：為賽貝拉系數(shù)，其單位是V/K。是由材料本身的電子能帶結(jié)構(gòu)決定的。6.2 半導(dǎo)體溫差發(fā)電的特點(diǎn)半導(dǎo)體溫差發(fā)電是一種新型的發(fā)電方式，具有體積小，無(wú)噪音和有害物質(zhì)排放，壽命長(zhǎng)，可靠性高，性能穩(wěn)定，安全無(wú)污染等一系列優(yōu)點(diǎn)，符合綠色環(huán)保的要求。而且溫差發(fā)電不受溫度的限制，有溫差存在就能發(fā)電，選擇合適的半導(dǎo)體材料類別，可以在很寬的溫度范圍內(nèi)（300K-1400K）利用熱能。特別適合低品位熱源

31、的回收利用。溫差發(fā)電作為一種熱電能量直接轉(zhuǎn)換方式，與現(xiàn)行的機(jī)電變換系統(tǒng)相比，轉(zhuǎn)換過(guò)程中不需要機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，不需要附加的驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，沒(méi)有震動(dòng)和噪聲。但是由于受到熱點(diǎn)轉(zhuǎn)換效率的制約（目前一般不超過(guò)14%，遠(yuǎn)低于普通發(fā)電機(jī)40%的效率）和成本的限制，溫差電技術(shù)除了在航天和軍事等尖端技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用外，很少用于工業(yè)和民間。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)半導(dǎo)體溫差發(fā)電的研究主要在半導(dǎo)體熱點(diǎn)材料、熱點(diǎn)轉(zhuǎn)換效率的提高等方面。主要在太陽(yáng)能、汽車尾氣、低溫冷能利用方面有所應(yīng)用。相信半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)會(huì)在未來(lái)有更廣泛的應(yīng)用。6.3 半導(dǎo)體溫差發(fā)電的國(guó)內(nèi)外研究案例最早的溫差發(fā)電機(jī)于1942年由前蘇聯(lián)研制成功，發(fā)電效率為1.5%2%。

32、從20世紀(jì)六十年代開(kāi)始陸續(xù)有一批溫差發(fā)電機(jī)成功用于航天軍事等領(lǐng)域。近年隨著技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。研究單位研究?jī)?nèi)容年份哈爾濱工業(yè)大學(xué)改進(jìn)熱點(diǎn)摸塊設(shè)計(jì)以提高溫差發(fā)電器熱點(diǎn)轉(zhuǎn)換效率2000西安交通大學(xué)半導(dǎo)體熱電堆的發(fā)電問(wèn)題2001浙江大學(xué)熱電式微電源的研究現(xiàn)狀2005中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)低溫下半導(dǎo)體熱點(diǎn)材料發(fā)電性能的研究2004廣州工業(yè)大學(xué)太陽(yáng)能溫差發(fā)電系統(tǒng)的熱電性能分析2011中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)溫差發(fā)電的熱力過(guò)程研究和材料的賽貝克系數(shù)測(cè)定2005南京航空航天大學(xué)基于余熱回收的半導(dǎo)體熱電模型2010中南大學(xué)半導(dǎo)體溫差發(fā)電在工業(yè)余熱利用中的可行性分析2009河南省科學(xué)院能源研究所從

33、不可逆過(guò)程熱力學(xué)的角度出發(fā)，推導(dǎo)出了穩(wěn)態(tài)條件下的半導(dǎo)體溫差發(fā)電性能的基本表述方程，并進(jìn)一步分析推導(dǎo)了循環(huán)效率與材料優(yōu)值系數(shù)ZT之間的函數(shù)關(guān)系及其影響。首次得到了低溫半導(dǎo)體熱電堆內(nèi)部溫度場(chǎng)在發(fā)電循環(huán)建立后能夠達(dá)到平衡狀態(tài)的時(shí)間域（610秒），以及冷端溫度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。哈爾濱工業(yè)大學(xué)胥大川針對(duì)溫差電轉(zhuǎn)換效率低這個(gè)問(wèn)題，討論了如何改進(jìn)熱點(diǎn)摸塊的設(shè)計(jì)，以提高溫差發(fā)電器的性能，促進(jìn)溫差發(fā)電器在實(shí)際中的應(yīng)用。西安交通大學(xué)陳浩在國(guó)內(nèi)首次研究了半導(dǎo)體熱電堆的發(fā)電堆的發(fā)點(diǎn)問(wèn)題，提出了求解的方法和分析的公式，為國(guó)內(nèi)溫差發(fā)電的設(shè)計(jì)提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。6.4 半導(dǎo)體溫差發(fā)電的國(guó)內(nèi)外應(yīng)用案例廈門納米克熱電電子有

34、限公司自2001年起開(kāi)始自主研發(fā)半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)，經(jīng)過(guò)三年多的努力，成功研發(fā)出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的模塊產(chǎn)品。其耐溫性能、疲勞性能、輸出功率等均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，而制造成本僅為國(guó)外同類廠商的的20%。在我國(guó)的西氣東輸工程中，直徑超過(guò)3m的輸氣管道總長(zhǎng)度達(dá)到6000km。為此我國(guó)研制以天然氣為燃料的熱電發(fā)電器，它將作為輸氣管道陰極保護(hù)電源應(yīng)用在西氣東輸工程。7.熱聲技術(shù)7.1 熱聲技術(shù)的原理熱聲效應(yīng)是由熱在彈性介質(zhì)（常為高壓惰性氣體）中引起聲學(xué)自激振蕩的物理現(xiàn)象。熱聲效應(yīng)可分為兩類：一類用熱能來(lái)產(chǎn)生聲波，即熱致聲效應(yīng)；另一種是用聲波來(lái)產(chǎn)生制冷效應(yīng)，即聲致冷效應(yīng)。7.2 熱聲技術(shù)的特點(diǎn)熱聲技術(shù)應(yīng)用的

35、范圍相當(dāng)廣泛，將來(lái)會(huì)給整個(gè)能源工業(yè)帶來(lái)很大的影響，它的簡(jiǎn)單、環(huán)保、節(jié)能高效的特性符合當(dāng)今時(shí)代的需求。熱聲技術(shù)近十幾年來(lái)的研究已經(jīng)取得了飛速發(fā)展作為發(fā)動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到30%以上，完全可以同內(nèi)燃機(jī)（轉(zhuǎn)換效率在25%40%之間）相媲美；作為制冷劑，完全無(wú)運(yùn)動(dòng)部件的熱聲驅(qū)動(dòng)脈沖管制冷機(jī)已達(dá)到液氫溫度以下（低于20K），而熱聲驅(qū)動(dòng)的室溫行波熱聲制冷機(jī)則在-20獲得了300W以上的制冷量，顯示了熱機(jī)制冷技術(shù)子啊室溫以及深低溫制冷領(lǐng)域應(yīng)用的巨大潛力。但是就現(xiàn)在的情況而言，由于設(shè)計(jì)水平?jīng)]有達(dá)到優(yōu)化的程度，材料的選擇和制造技術(shù)都在完善之中，并且制造的成本會(huì)高于普通的現(xiàn)有技術(shù)，這也是行業(yè)研究的主要方向。7.

36、3 熱聲技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究案例南京大學(xué)聲學(xué)研究所的韓飛等人對(duì)Rijke管內(nèi)的非線性效應(yīng)進(jìn)行了比較深入的研究。指出了Rijke管內(nèi)引起非線性效應(yīng)的兩個(gè)因素，并通過(guò)計(jì)算聲波的增長(zhǎng)率和實(shí)驗(yàn)分析聲波的頻譜，發(fā)現(xiàn)非線性效應(yīng)限制了管內(nèi)聲波振幅的增長(zhǎng)，并且導(dǎo)致了二次高階諧波的產(chǎn)生。西安交通大學(xué)的劉繼平研究管受熱氣體層流流動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn)：由于氣體密度隨溫度增加而減少，動(dòng)力粘度和導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度增加而增加，在一定的加熱條件下，加熱管內(nèi)會(huì)形成壓力與流量關(guān)系的奇異性，產(chǎn)生不穩(wěn)定性。認(rèn)為這是Rijke管震蕩的原因所在。中國(guó)科學(xué)院理化所的李青老師對(duì)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)起振的非線性飽和過(guò)程進(jìn)行了研究，認(rèn)為熱聲熱機(jī)其回?zé)崞鲗?shí)際就是一個(gè)由聲感和流容構(gòu)成的儲(chǔ)能部件諧振器，聲感對(duì)于維持系統(tǒng)起振起到了舉足輕重的作用，聲感是實(shí)現(xiàn)并維持熱聲轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵的時(shí)變網(wǎng)絡(luò)