我國工業余熱利用現狀分析

時間:2020-08-17 12:55來源:煙氣余熱利用
  工業發展帶來了巨大的污染,工業余熱的利用是節能減排的重要環節。本文主要介紹了工業余熱的資源特點,概述了工業余熱的利用方式,中國目前低溫工業余熱技術,以及分析了工業余熱利用中存在的問題。總結出目前應該大力發展利用低溫余熱技術。
  1.工業余熱資源特點
  工業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。工業余熱資源特點主要有:多形態、分散性、行業分布不均、資源品質較大差異等特點。
  對鋼鐵、水泥、玻璃、合成氨、燒堿、電石、硫酸行業余熱資源的調查分析結果顯示,上述工業行業余熱資源量豐富,約占這7個工業行業能源消費總量的1/3。綜合考慮行業現狀與發展趨勢,這7個工業行業余熱資源總量高達3.4億噸標準煤。
  余熱資源開發利用量超過1000萬噸標準煤的有鋼鐵、合成氨、硫酸、水泥4個行業,分別為3560萬噸標準煤、2450萬噸標準煤、1244萬噸標準煤、1124萬噸標準煤。
  從余熱資源的行業分布來看,上述7個工業行業中,鋼鐵、水泥、合成氨行業的余熱資源量位居前三,分別為1.71億噸標準煤、9300萬噸標準煤、3454萬噸標準煤,占這7個工業行業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1940萬噸標準煤、1408萬噸標準煤、495萬噸標準煤、311萬噸標準煤,合計占7個工業行業余熱資源總量的122%。
  從工業余熱資源的地區分布來看,上述7個工業行業余熱資源可開發利用潛力居前六位的地區是河北、江蘇、山東、遼寧、山西、河南,分別為1507萬噸標準煤、680萬噸標準煤、664萬噸標準煤、530萬噸標準煤、419萬噸標準煤、361萬噸標準煤。
  從余熱資源的來源來看,可分為高溫煙氣和冷卻介質等六類,其中高溫煙氣余熱和冷卻介質余熱占比最高,分別占50%和20%,而其他來源分別是廢水、廢氣余熱占11%,化學反應余熱8%,可燃廢氣、廢液和廢料余熱7%,高溫產品和爐渣的余熱4%。
  從余熱資源品位來看,約46%為400℃及以上的高品質余熱資源,其余約54%則為400℃以下的中低品質余熱資源。
  從余熱量占各行業燃耗量的比例來看,建材行業的余熱占燃耗量的比例最大,約占40%,其他各行業的余熱資源也豐富。各行業余熱資源在該行業的燃耗量的比例如下表1-1:
  2.工業余熱利用技術
  工業余熱資源來源于工業生產中各種爐窖、余熱利用裝置和化工過程中的反應等。這些余熱能源經過一定的技術手段加以利用,可進一步轉換成其他機械能、電能、熱能或冷能等。利用不同的余熱回收技術回收不同溫度品位的余熱資源對降低企業能耗,實現我國節能減排、環保發展戰略目標具有重要的現實意義。
  余熱溫度范圍廣、能量載體的形式多樣,又由于所處環境和工藝流程不同及場地的固有條件的限制,生產生活的需求,設備型式多樣,如有空氣預熱器,窯爐蓄熱室,余熱鍋爐,低溫汽輪機等。根據余熱的溫度范圍,可以將目前的工業余熱技術分為中高溫余熱回收技術和低溫回收技術。中高溫回收技術主要有三種技術:余熱鍋爐、燃氣輪機、高溫空氣燃燒技術。低溫回收技術主要有有機工質朗肯循環發電、熱泵技術、熱管技術、溫差發電技術、熱聲技術。
  從目前工業余熱現狀來看,高溫余熱回收技術已經在我國的鋼鐵、水泥、冶金等行業廣泛應用。但除了高溫余熱外,還有大量的低溫工業余熱未得到利用,我國我國對于低溫余熱的利用還處于嘗試和發展階段,低溫余熱回收技術不成熟,導致這部分余熱多直接排向環境,造成了巨大的能源浪費。因此,本文著重概述低溫余熱回收技術。
  3.有機工質朗肯循環發電系統
  3.1有機工質朗肯循環發電系統的原理
  有機朗肯循環是將熱能轉換為機械能的系統,與常規的蒸汽發電裝置的熱力循環原理相似,但有機工質低溫余熱發電不是用水作工質,而是用有機物為工質的朗肯循環發電系統, 其工作原理如圖3-1所示。系統由蒸發器、透平、冷凝器和工質泵四大部分組成, 有機工質在蒸發器中從低溫熱流中吸收熱量, 生成具一定壓力和溫度的蒸汽, 蒸汽推動透平機械做功, 從而帶動發電機或拖動其它動力機械。從透平機排出的有機蒸汽在冷凝器中向冷卻水放熱, 凝結成液態, 最后借助工質泵重新回到蒸發器, 如此不斷地循環下去。
圖3-1 有機工質朗肯循環發電原理圖
  有機工質朗肯循環采用有機工質(如R123、R245fa、R152a、氯乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷等)作為循環工質的發電系統,由于有機工質在較低的溫度下就能氣化產生較高的壓力,推動渦輪機(透平機)做功,故有機工質循環發電系統可以在煙氣溫度200℃左右,水溫在80℃左右實現有利用價值的發電。
  目前,對低溫熱能發電技術的研究主要集中在以下幾個方面:工質的熱力學特性和環保性能;混合工質的應用;熱力循環的優化等。國外有機朗肯循環低溫熱發電技術主要應用于地熱發電,但未來可能應用于太陽能熱電、工業余熱、生物質能和海洋溫差能等。
  目前美國、法國等國的余熱發電技術的最低溫度是80℃,我國自主研發的低溫發電機組,通過提升熱電轉換介質的性能,已經實現了最低發電溫度為60℃能實現穩定發電。
  3.2有機工質朗肯循環發電系統經濟性分析
  例如某水泥廠余熱發電站,一條3000噸/天的新型干法水泥生產線,窯頭與窯尾配備有余熱鍋爐,用的是凝汽式汽輪機,該系統設計出來效果為每小時的平均發電總量為3500kW,參照發電機組的真實規格,必須用3000kW的汽輪機組。某項目的總投資數額高達60萬元,一年平均運轉300多天,則1年的發電總量可達到2270萬kWh。這種情況下和采用標準煤生產相比,能夠節約1.3萬噸的煤,減少約2.2萬噸二氧化碳的排放量,然后除掉系統自身耗費電量的10%,則每年供電量能夠達到1905萬kWh,而1噸熟料的發電能力能夠達到26.5kWh。相比之下,應用純低溫余熱發電技術來發電,整個發電系統一共投資1962萬元,外界購電價格按照0.5元/kWh進行計算,除去余熱電站供電所花費的成本,則每噸熟料的成本大約能下降11.5元,進一步降低了水泥工業生產成本,提升企業在市場上的競爭力。
  以某冷卻塔低溫余熱利用系統用于發電為例,扣除泵的耗功后,1t熱水的發電量為1kW.h,每年按照7000h計算,則年發電量為70000kW.h,電價按0.5元計算,年經濟效益可達35萬元,相當于減少CO2排放量650t,經濟和環保效益顯著。
  結論:固然純低溫余熱發電系統的投資非常高,但在短短幾年中基本上可收回成本,可以說構建出低溫余熱電站,既能變廢為寶,充分利用能源,降低對環境的污染,又能增加企業收益,可謂一舉兩得。
  4.熱泵技術
  4.1熱泵技術的原理
  熱泵就是在兩個熱源之間工作,消耗一定的功(W),使低溫熱源供給熱量(Q1),在高溫熱源處獲得熱量(Q2),亦即以消耗少量高質能為代價,達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。
  壓縮式熱泵由蒸發器、冷凝器、壓縮機、節流裝置及水源、熱水側管路等部分組成。壓縮式熱泵由蒸發器、冷凝器、壓縮機、節流裝置及水源、熱水側管路等部分組成。機械壓縮式熱泵系統的工作過程如下:低沸點工質流經蒸發器時蒸發成蒸汽,此時從低溫位處吸收熱量,來自蒸發器的低溫低壓蒸汽,經過壓縮機壓縮后升溫升壓,達到所需溫度和壓力的蒸汽流經冷凝器,在冷凝器中,將從蒸發器中吸取的熱量和壓縮機耗功所相當的那部分熱量排出。放出的熱量就傳遞給高溫熱源,使其溫位提高。蒸汽冷凝降溫后變成液相,流經節流閥膨脹后,壓力繼續下降,低壓液相工質流入蒸發器,由于沸點低,因而很容易從周圍環境吸收熱量而再蒸發,又形成低溫低壓蒸汽,依此不斷地進行重復循環。
  吸收式熱泵是利用工質的吸收循環實現熱泵功能的一類裝置,它采用熱能直接驅動,而不是依靠電能、機械能等其他資源。溴化鋰吸收式熱泵機組回收利用低溫熱源(如廢熱水)的熱能,制取所需的工藝或采暖用高溫熱媒,實現從低溫向高溫輸送熱能的設備,它以低溫熱源為驅動熱源,在采用低溫冷卻水的條件下,制取比低溫熱源溫度高的熱媒。它與第一類溴化鋰吸收式熱泵機組的區別在于,它不需要更高溫度的熱源來驅動。但需要較低溫度的冷卻水。
  4.2熱泵技術的特點
  我國許多行業對熱源的需求溫度多集中在75~200℃之間,且存在著低溫余熱大量浪費的情況,可以把熱能由低溫位熱源轉移到高溫位熱源的中高溫熱泵技術有著巨大的應用空間。對高溫熱泵的研究多集中在適宜工質的選擇和制熱效率提高這兩個方面。對高溫熱泵的研究多集中在適宜工質的選擇和制熱效率提高這兩個方面。
  全世界有超過1.3億臺熱泵機組在正常運行,總供熱量超過了 4.7E+10GJ/年, 目前,工業熱泵主要應用在釀造、紡織、木材、食品加工、石油化工、海水淡化、熱電以及冶金等領域。在國外,利用吸收式熱泵系統回收余熱技術的研究已有多年的發展。在溴化鋰吸收式制冷技術上我國已經積累了雄厚的技術基礎,但在吸收式熱泵系統的應用技術上還比較落后。
  5.熱管技術
  5.1熱管技術的原理
  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、內筒體、飽和汽包、熱管四部分組成。工作時廢氣(或工藝氣)由上部進入,經外筒體和內筒體環隙流動,經熱管換熱后氣體由下部流出;水由內筒體下部進入,經熱管加熱后,進汽包,汽水分離后,產生飽和蒸汽,并網或直接使用。
  5.2熱管技術的特點
  熱管的二次間壁換熱特性是實現安全、可靠及長周期運行的重要保證。熱管的熱流變換及自吹灰特性是防止工業上換熱設備露點腐蝕及灰塵堵塞的重要技術保證。熱管的均溫熱屏蔽及分離式熱管技術的完善, 將可能解決化學反應器中溫度分布不均勻、反應過程偏離最佳反應溫度的缺陷、石油裂解中由于管壁溫度不均勻而出現的過熱分解以及核反應堆安全殼體的散熱等等問題。液態金屬熱管的出現及材料價格的下降, 可實現在超高溫反應設備中實現連續取熱。
  5.3熱管技術的國內外應用現狀
  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,但因故未能實施。直到1964 年,Grover等人獨立地提出了類似于Gauler 的傳熱元件, 并且取名熱管,此后吸引了很多的科學技術工作者從事熱管研究,使熱管得到了很快的發展。熱管自1964 年正式在美國發明問世, 至今已有50年的歷史, 常作為一種傳熱元件, 但作為一項傳熱技術, 則仍處于發展階段。
  我國的熱管技術開發研究一開始有明確為工業化服務的目標, 因此重點在于開發碳鋼-水熱管換熱器。經過多年的努力, 我國的熱管技術工業化應用已處于國際先進水平。目前, 氣-氣熱管換熱器、熱管蒸汽發生器等熱管節能產品已廣泛用于冶金、石油、化工、動力及陶瓷等工業領域。
  6.其他
  6.1 斯特林熱氣機循環發電系統
  斯特林熱氣機循環發電系統是利用低溫余熱發電的廢熱回收裝置,可回收100℃至300℃的廢熱,能達到20%的發電效率。從數據來看,其發電效率優于目前市場的低溫蒸汽循環發電系統和有機工質發電系統的發電效率,該裝置在100℃的廢熱條件下發電效率達7.3%,150℃的條件下發電效率達13.7%,200℃的條件下發電效率達18.4%,250℃的條件下發電效率達22.1%,300℃的條件下發電效率達25.0%。
  6.2超臨界二氧化碳循環發電系統
  超臨界二氧化碳發電系統是超臨界二氧化碳液體為郎肯循環系統的工質,以二氧化碳透平專用渦輪機為核心技術的最新余熱發電技術。此發電系統在余熱發電方面有較寬泛的應用優勢,各項技術指標都優于在用的水蒸汽浪肯循環系統和當前最先進的有機浪肯循環系統,特別是在發電效率和設備體積方面有著明顯的優勢。超臨界二氧化碳熱機是一種平臺技術,目前可提供的功率范圍為250Kwe至50Mwe的設計,效率可達30%。應用范圍包括燃氣輪機、固定式動力發電機組、工業廢熱回收、太陽能熱量、地熱、混合內燃機等的循環熱能。
  7.工業余熱利用存在的問題
  從技術發展看,低溫有機朗肯循環技術是利用低溫工業余熱、地熱、太陽能的經濟有效方案,但國內未掌握該技術。我國許多行業對熱源的需求溫度多集中在70~250℃之間,且存在著低溫余熱大量浪費的情況,可以把熱能由低品位熱源轉移到高品位熱源的中高溫熱泵技術有著巨大的應用空間。由于在工業過程中產生余熱的熱源一般水質都比較差)如油田含油污水(其中除了含有石油類物質,還有硫化氫、鹽類等)對普通的熱泵換熱器會產生嚴重的腐蝕,必須采用特制的鈦管換熱管或者其他抗腐蝕材料,并通過清水與含油污水換熱后再進入熱泵機組。一批高性能的熱電轉換材料出現,溫差發電技術的性價比相對提高,使溫差發電技術在工業和民用產業中推廣應用成為可能。
  8.結論
  當前中高溫余熱利用技術普及率不高,低溫余熱未被利用是我國余熱利用率低的原因之一。將原被遺棄的工業余熱應用于溴化鋰吸收式制冷,滿足生產或生活的需要,這無疑是提高能源利用率的一個有力措施,尤其是在不同季節交替需要供暖與制冷負荷的企業,應優先考慮采用溴化鋰吸收式制冷。在中高溫熱泵技術的實際應用中,要結合余熱源的具體情況采取相應措施,發現問題并解決問題。

注:本文章轉載自煙氣余熱利用,不代表本網觀點立場。

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