0我国工业余热利用现状

我国工业余热利用现状摘要：工业发展带来了巨大的污染，工业余热的利用是节能减排的重要环节。本文主要介绍了工业余热的资源特点，概述了工业余热的利用方式，中国目前低温工业余热技术，以及分析了工业余热利用中存在的问题。总结出目前应该大力发展利用低温余热技术。关键词：工业余热；低温余热利用技术；节能减排0引言工业部门余热资源总量极为丰富，“十二五”期间可以开发利用的潜力超过1亿吨标准煤。“十二五”是我国节能减排承前启后的关键时期，国务院和有关部委已就节能减排工作作出全面的决策部署，明确提出单位GDP能耗降低16%左右、单位GDP二氧化碳排放降低17%左右、规模以上工业增加值能耗降低21%左右等多项节能减排目标。工业部门能源消费约占全国能源消费的70%。目前余热利用最多的国家是美国，它的利用率达到60%，欧洲的达到50%，我国30%。就余热利用来看，我国还有很大的利用空间。中、高温余热发电已经形成了比较完备的产业，而低温余热发电则刚刚开始。1.工业余热资源特点工业消耗的能源部门品种包括原煤、洗煤、焦炭、油品、天然气、热力、电力等。工业余热资源特点主要有：多形态、分散性、行业分布不均、资源品质较大差异等特点。对钢铁、水泥、玻璃、合成氨、烧碱、电石、硫酸行业余热资源的调查分析结果显示，上述工业行业余热资源量丰富，约占这7个工业行业能源消费总量的1/3。“十二五”时期，综合考虑行业现状与发展趋势，这7个工业行业余热资源总量高达3.4亿吨标准煤。2010年末，余热资源开发利用总量折合为8791万吨标准煤。其中，余热资源开发利用量超过1000万吨标准煤的有钢铁、合成氨、硫酸、水泥4个行业，分别为3560万吨标准煤、2450万吨标准煤、1244万吨标准煤、1124万吨标准煤。从余热资源的行业分布来看，上述7个工业行业中，钢铁、水泥、合成氨行业的余热资源量位居前三，分别为1.71亿吨标准煤、9300万吨标准煤、3454万吨标准煤，占这7个工业行业余热资源总量的比重分别为50.3%、27.3%、10.2%；硫酸、电石、烧碱、玻璃余热资源总量则较少，分别为1940万吨标准煤、1408万吨标准煤、495万吨标准煤、311万吨标准煤，合计占7个工业行业余热资源总量的122%。从工业余热资源的地区分布来看，“十二五”时期，上述7个工业行业余热资源可开发利用潜力居前六位的地区是河北、江苏、山东、辽宁、山西、河南，分别为1507万吨标准煤、680万吨标准煤、664万吨标准煤、530万吨标准煤、419万吨标准煤、361万吨标准煤。从余热资源的来源来看，可分为高温烟气和冷却介质等六类，其中高温烟气余热和冷却介质余热占比最高，分别占50%和20%，而其他来源分别是废水、废气余热占11%，化学反应余热8%，可燃废气、废液和废料余热7%，高温产品和炉渣的余热4%。从余热资源品位来看，约46%为400℃及以上的高品质余热资源，其余约54%则为400℃以下的中低品质余热资源。从余热量占各行业燃耗量的比例来看，建材行业的余热占燃耗量的比例最大，约占40%，其他各行业的余热资源也丰富。各行业余热资源在该行业的燃耗量的比例如下表1-1：2.工业余热利用技术工业余热资源来源于工业生产中各种炉窖、余热利用装置和化工过程中的反应等。这些余热能源经过一定的技术手段加以利用，可进一步转换成其他机械能、电能、热能或冷能等。利用不同的余热回收技术回收不同温度品位的余热资源对降低企业能耗,实现我国节能减排、环保发展战略目标具有重要的现实意义。余热温度范围广、能量载体的形式多样，又由于所处环境和工艺流程不同及场地的固有条件的限制，生产生活的需求，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。根据佘热的温度范围，可以将目前的工业余热技术分为中高温余热回收技术和低温回收技术。中高温回收技术主要有三种技术：余热锅炉、燃气轮机、高温空气燃烧技术。低温回收技术主要有有机工质空肯循环发电、热泵技术、热管技术、温差发电技术、热声技术。从目前工业余热现状来看，高温余热回收技术已经在我国的钢铁、水泥、冶金等行业广泛应用。但除了高温余热外，还有大量的低温工业余热未得到利用，我国我国对于低温余热的利用还处于尝试和发展阶段,低温余热回收技术不成熟,导致这部分余热多直接排向环境，造成了巨大的能源浪费。因此，本文着重概述低温余热回收技术。3.有机工质朗肯循环发电系统3.1有机工质朗肯循环发电系统的原理表1-1各行业余热占该行业燃耗量的比例行业余热资源来源占燃料消耗量的比例冶金轧钢加热炉、均热炉、平炉、转炉高炉、焙烧窑等33%以上化工化学反应热，如造气、变换气、合成气等的物理显热；可燃烧热，如炭黑尾气、电石气等的燃料热15%以上建材高温烟气、窑顶冷却、高温产品等约40%玻糖玻璃窑炉、搪瓷窑、坩埚窑等约20%造纸洪缸、蒸锅、废气、黑液等约15%纺织烘干机、浆纱机、蒸煮炉等约15%机械锻造加热炉、冲天炉、热处理炉及汽锤排气等约15%有机朗肯循环是将热能转换为机械能的系统，与常规的蒸汽发电装置的热力循环原理相似，但有机工质低温热发电不是用水作工质，而是用有机物为工质的朗肯循环发电系统,其工作原理如图4-1所示。系统由蒸发器、透平、冷凝器和工质泵四大部分组成,有机工质在蒸发器中从低温热流中吸收热量,生成具一定压力和温度的蒸汽,蒸汽推动透平机械做功,从而带动发电机或拖动其它动力机械。从透平机排出的有机蒸汽在冷凝器中向冷却水放热,凝结成液态,最后借助工质泵重新回到蒸发器,如此不断地循环下去。图3-1有机工质朗肯循环发电原理图3.1.2有机工质朗肯循环发电系统的特点有机工质朗肯循环采用有机工质（如R123、R245fa、R152a、氯乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷等）作为循环工质的发电系统，由于有机工质在较低的温度下就能气化产生较高的压力，推动涡轮机（透平机）做功，故有机工质循环发电系统可以在烟气温度200℃左右，水温在80℃左右实现有利用价值的发电。目前，对低温热能发电技术的研究主要集中在以下几个方面：工质的热力学特性和环保性能；混合工质的应用；热力循环的优化等。国外有机朗肯循环低温热发电技术主要应用于地热发电，但未来可能应用于太阳能热电、工业余热、生物质能和海洋温差能等。目前美国、法国等国的余热发电技术的最低温度是80℃，我国自主研发的低温发电机组，通过提升热电转换介质的性能，已经实现了最低发电温度为60℃能实现稳定发电。3.2有机工质朗肯循环发电系统国内外研究案例国内外对于低温热能利用的研究主要开始于20世纪70年代的石油危机时期。其中，有机物朗肯循环的研究和应用最为广泛。早在1924年，就有人开始研究采用二苯醚作为工质的有机物朗肯循环。到目前为止，全世界已有2OOO多套ORC装置在运行，并且有十几家生产制造企业，生产出单机容量为14000kW的ORC发电机组。有机工质低温发电设备的制造及生产在国内还是一个空白。清华大学柯玄龄、梁秀英等在这方面进行了深入系统的研究,并研制出产品,应用于工程实践。近年来,浙江大学、上海交通大学习等主要对有机工质和热力循环进行了一定的研究，但总体来说国内对有机朗肯循环系统的研究和应用工作较少，所以开展这方面的研究工作是很有意义的。国内外对低温余热朗肯循环系统做了大量的研究，其研究案例见表4.1，表3.1国内外低温余热回收有机介质循环发电系统的研究案例研究单位研究项目工质研究温度年份天津大学废热源驱动的有机朗肯循环R134、二苯甲等65~200℃R143在65~150℃内，系统循环效率最高达11.8%，适合回收150℃以下的余热。——西安交通大学固定流量15.951kg/s工质循环性能分析R718（水）、R717（氨）、R600、R600a、R11、R123、R141b、R235ea、R245ca、R11380~140℃水和氨的输出功随温度的升高而升高，其余随温度而降低。热源条件相同时，R236a火用效率最高。——加拿大皇家军事学院流量300kg/s工质循环性能分析R718（水）、R717（氨）、R290（丙烷）、异丙烷、苯、正庚烷、100~250℃热源条件相同时，苯为工的ORC效率最高，最大约24%；丙烷、异丙烷、正庚烷效率基本相同，最大约20.8%；氨为18%；水仅为16.8%。——北京科技大学、清华大学汽车尾气在有机朗肯循环的回收研究R11、R141b、R113、R123、R236ea、R245fa、R245ca、R60030~330℃R245fa和R245ca更适合作为循环工质。2011印度国家火力发电有限公司140℃热源下，工质的循环性能分析R12(二氟二氯甲烷)、R123、R134a140℃以R123为工质的循环性能最好，依据热力学第一定律算出的R123的系统循环效率可达25.3%，依据热力学第二定律的效率为64.4%。——台湾义守大学工质的循环性能分析苯、甲苯、对二甲苯、R113和R123300℃采用对二甲苯工质的循环热效率最高,苯最低；对二甲苯一般适合于回收温度在300℃左右的高温废热,而R113和R123在回收200℃的低温废热时有较好的性能，且R123优于R113。2001意大利米兰理工大学非共沸硅氧烷混合工质和纯工质的比较直链式烃类和芳香族烃类、全氟化烃、氟代直链烃类、硅氧烷类——混合工质效率更高——台湾工业技术研究院有机工质分析——————在分子中存在氢键的流体都不适合作为有机朗肯循环的工质,如水、氨和乙醇等湿流体。工质临界温度对热力学效率有一个较小的影响。2004意大利布雷西亚大学回热式微型涡轮有机朗肯循环研究多甲基硅氧烷300℃质量流量为1ｋｇ/ｓ,温度为300℃的废热,100ｋＷ的微型涡轮机中采用多甲基硅氧烷作为工质可以多产生45ｋＷ的电能,将效率从30%增加到40%。2007华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室有机朗肯循环低温余热回收系统的工质选择R600、R245fa、2,2-二甲基丙烷、R123和苯等14种工质170℃大部分烷类工质的热效率和压比相对其他类工质较高，而所需质量流量远小于其他类工质，且烷类工质环己烷以其较高的热效率、较低的单位功量质量流量和UA等特性，被认为是低温余热回收系统中较理想的循环工质2014从表4.1里可以看出，目前国内外对低温余热发电的有机朗肯循环系统的理论研究很多，并且着重在烷烃类工质对循环系统的研究较多，且针对工业余热不同温区来选择适于ORC回收工程应用的工质；混合工质有利于提高ORC循环的效率而得到研究者关注。3.3有机工质朗肯循环发电系统国内外应用案例国外ORC系统动力回收研究开展较早，上世纪初始，美国和日本就开始将其应用于工程实践。目前,以色列的低温废热发电技术居世界领先地位,日本、美国、俄罗斯等在引进以色列的废热发电设备和技术基础上,也进行了大量的研究工作,并开发了有机朗肯循环余热锅炉发电机组系统等,取得了极其明显的经济效益。国际上，以色列一直在研发及制造低温热源的有机朗肯循环(0rganicRankineCycle，简称ORC)纯低温余热发电技术及设备。国内外低温余热回收有机介质循环发电系统的应用案例见表4.2，表3.2国内外低温余热回收有机介质循环发电系统的应用案例项目投入运行时间生产商功率/KW热源温度/℃工质比利时垃圾电站2008年Turboden意大利3000热水180℃摩洛哥水泥厂2010年Turboden意大利2000烟气330℃日本大岳地热站1977年日本三菱重工1000热水260℃异丁烷回收炼油厂余热的ORC系统——美国MTI1174110℃R113中国那曲地热发电站1993年以色列ORMAT1000110℃异戊烷日新钢余热电厂1981年日本三井造船公司14000烟气340℃德国Lengfure水泥厂余热发电站1999年以色列ORMAT1500烟气275℃美国柴油机余热发电——美国联合能量公司600300℃从表4.2可以看出，国内外对余热发电的实际应用都在相继展开。未来余热发电是节能的一个大趋势。国外ORC技术已成功商业化，涌现出许多ORC设计与制造厂商，如以色列ORM