工业余热的现状与利用

工业余热现状与利用 姚* 北京科技大学机械学院，100083 摘 要：工业余热指工业生产中各种热能装置所排出的气体、液体和固体物质所载有的热量。余热属于二次能源， 是燃料燃烧过程所发出的热量在完成某一工艺过程后所剩余的热量。我国能源利用率相比发达国家较低，至少 50%的 工业耗能以各种形式的余热被直接废弃。工业余热节能潜力巨大，近年来已经成为我国节能减排工作的重要组成 部分。 关键字：工业余热 节能减排 热管 0 引言 当前，我国能源利用仍然存在着利用效率低、 经济效益差，生态环境压力大的主要问题。节能减 排、降低能耗、提高能源综合利用率作为能源发展 战略规划的重要内容，是解决我国能源问题的根本 途径，处于优先发展的地位。 实现节能减排、提高能源利用率的目标主要依 靠工业领域。处在工业化中后期阶段的中国，工业 是主要的耗能领域，也是污染物的主要排放源。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，能源没有 得到充分综合利用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 1767，其中 可回收率达 60，余热利用率提升空间大，节能 潜力巨大。工业余热回收利用又被认为是一种“新 能源” ，近年来成为推进我国节能减排工作的重要 内容。1 1 工业余热资源 工业余热来源于各种工业炉窑热能动力装置、 热能利用设备、余热利用装置和各种有反应热产生 的化工过程等。目前，各行业的余热总资源约占其 燃料消耗总量的 1767，可回收利用的余热 资源约为余热总资源的 60。合理充分利用工业 余热可以降低单位产品能耗，取得可观的经济效益。 工业余热按其能量形态可以分为三大类，即可燃性 余热、载热性余热和有压性余热。 1）可燃性余热 可燃性余热是指能用工艺装置排放出来的、具 有化学热值和物理显热，还可作燃料利用的可燃物， 即排放的可燃废气、废液、废料等，如放散的高炉 气、焦炉气、转炉气、油田伴生气、炼油气、矿井 瓦斯、炭黑尾气、纸浆黑液、甘蔗渣、木屑、可燃 垃圾等。 2）载热性余热 常见的大多数余热是载热性余热，它包括排出 的废气和产品、物料、废物、工质等所带走的高温 热以及化学反应热等，如锅炉与窑炉的烟道气，燃 气轮机、内燃机等动力机械的排气，焦炭、钢铁铸 件、水泥、炉渣的高温显热，凝结水、冷却水、放 散热风等带走的显热，以及排放的废气潜热等。 3）有压性余热 有压性余热通常又叫余压（能） ，它是指排气排水 等有压液体的能量。另外，因为工业余热的温度是 衡量其质量（品位）的重要标尺，而其温度的高低 亦影响了余热回收利用的方式，所以余热也通常按 温度高低分为：高温余热，T650；中温余热， 230 T650；低温余热，T230。 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。 2 工业余热利用现状 2.1 工业余热利用总体现状 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。余热利用率提升空间大，节能潜力巨大， 近年来被视为推进我国节能减排工作的重要内容。 2 截至 2010 年，钢铁、水泥、玻璃、合成氨、 烧碱、电石、硫酸七个工业行业余热发电装机总容 量近 1200 万千瓦，到“十二五”末，这七个工业 行业余热发电装机总量将达到 2600 万千瓦，将超 过三峡电站，相当于现有核电装机总容量的 2.4 倍。 目前，余热发电项目毛利率在 60%以上，净利润在 30%-40%之间，内部收益率在 15%-25%之间，投资 回报期为 4-6 年。3 后一段时间中高能耗企业自主投资建设模式仍 将是主要的建设模式。对于中小规模的高能耗企业 而言，合同能源管理模式（EMC）能够很好地解决 技术和资金的问题。 2.2 各行业余热利用现状 2.2.1 冶金行业 冶金企业属于耗能型企业，其能耗占全国能耗 的 10左右，占工业部门能耗的 15左右，能源 费用占企业生产总成本 2030。由于能源生 产的增长速度尚难以适应国民经济发展的要求，能 源价格的上升和波动已经对冶金企业的生存和发展 构成了挑战，节能降耗已经成为冶金企业长期的战 略任务。冶金企业从原料、焦化、烧结到炼铁、炼 钢、连铸以及轧钢的生产过程中产生大量含有可利 用热量的废气、废水、废渣，同时在各工序之间存 在着含有可利用能量的中间产品和半成品。充分回 收和利用这些能量，是企业现代化程度的标志之一。 45 目前，冶金企业常用的余热利用方式有：安装 换热器、余热锅炉、炉底管汽化冷却、冷热电联产 等，回收后的热量主要用于预热助燃空气、预热煤 气和生产蒸汽。国内冶金企业换热器的发展趋势是： 换热器的型式由简单的低效型走向强化传热的高效 型，热风温度一般在 300以上(比过去提高了 80- 100)，出换热器的烟温由过去的 400-500降低 到 250-400。以宝钢钢铁股份有限公司为例6， 其主要的余热回收技术有：干熄焦(CDQ)发电技术、 烧结余热回收技术、高炉余压发电技术、副产煤气 回收技术、热送热装技术、加热炉汽化冷却技术、 炉窑烟气余热回收技术等。十年来，该公司余能回 收量大幅提高了 86。 2.2.2 化工行业 化工行业的生产过程中，产生大量的余热资源， 具有非常大的节能潜力。以硫酸行业为例，根据相 关研究，理论上，以硫铁矿或硫磺为原料，每生产 1 吨硫酸，放出的热能分别为 711410 千焦或 588410 千焦，而实际生产中，扣除各类热损失 之后，可回收利用的余热分别为 468010 千焦或 425010 千焦，其中高温、中温、低温余热资源 分别占 62%-59%、11%-12%、27%-29%。目前除硫酸 行业外，其他化工行业也开始重视余热资源的利用， 根据统计数据和预测： 1）硫酸：2009 年硫磺制酸产量 27958kt，预 计装机容量 1000MW；硫铁矿制酸全年产量为 13846kt，预计装机容量 500MW；冶炼烟气制酸达 到 17785kt，预计装机容量 700MW。 2）合成氨：2009 年全国完成合成氨 5135.5 万吨、尿素 2932.4 万吨。预计装机容量 100MW。 3）纯碱、烧碱：2009 年我国烧碱产量为 1891 万 t。预计装机容量 500MW。 4）独立焦化厂焦化炉干熄炉：全国焦化企业 数量在 1000 家左右，目前干熄焦炉配置比约 20%。2010-2013 年焦化行业干熄率 40%以上。预计 总的市场装机容量为 1000MW。 2.2.3 轻工行业 工业节能“十二五”规划中，轻工行业节 能减排主要集中在造纸行业。虽然造纸工业本身具 有良好的能源回收利用条件，但是造纸行业目前仍 是我国高能耗、高污染的行业，国内浆纸业的综合 能耗比发达国家多 1 倍。造纸行业余热利用不仅可 以节约大量能源，而且具有良好的经济效益，自给 能源可达 50%以上。 2.2.4 其他行业余热利用 建筑陶瓷行业消耗的热能中，主要集中于干燥 和烧成工序，它们的能耗占整个企业能耗的 80 以上。其中，约有 61用于烧成工序，干燥工序 能耗约 20。我国陶瓷行业的能源利用率为 28- 307，而发达国家的能源利用率一般高达 50 以上。建筑陶瓷企业的窑炉所产生的烟气带走的热 量是巨大的，而目温度较高可达 400-500，占窑 炉总热量的 25-35，喷雾塔所产生的烟气和水 气热能虽然温度较低(8O120)，但热量巨大。 人们对这部分余热利用已经重视起来，目前已经逐 渐开始推广利用窑炉余热直接加热干燥坯体或喷雾 泥浆、在换热器中用烟气余热加热助燃空气和气态 燃料、设置余热锅炉生产蒸汽以及用于冷热电联产。 此外，余热利用在玻璃窑工业8、硅冶炼工 业等行业中也日渐得到重视，出现了与生产相结合 的余热利用的方法。 3 余热利用技术发展 3.1 热管技术 热管是一种依靠自身内部工质相变实现传热， 具有很强导热性能的传热元件，它源于美国上世纪 60 年代在地球卫星上成功运用。热管是由钢、铜、 铝管内灌充导热介质，并抽成一定的真空后密封而 成。管内的工质由多种无机活性金属及其化合物混 合而成，具有超常的热活性和热敏感性，遇热而吸， 遇冷而放。这种热超导工质在一定温度下被激活， 并以分子震荡相变形式来传递热量，传导温度没有 衰减并能以极快的速度传递(音速传递)。热管因其 独特结构和相变传热机理，具有如下特点： 1)安全可靠性高。不存在管内超压，不怕干烧， 因液体工质汽化后，热管的内压不随温度变化而变 化，而且热管余热回收器是二次问壁换热，与常规 的换热设备一般都是问壁换热不同； 2)导热性强。导热速度快、强度大、效率高 (传热效率达 98以上)，节能效果明显； 3)等温性好。传热阻力小，在很小的温差下， 传递很大的热通量； 4)热流密度可变性。热管可以独立改变蒸发段 或冷却段的面积； 5)环境的适应性强。受环境的限制相对常规换 热设备小，通过适当的热流变换把热管管壁温度调 整在低温流体的露点之上，从而可防止露点腐蚀。 同时热管在导热时会产生自振动，使灰不易粘附在 管壁和翅片上，不易堵灰；热管可根据环境的需要 而设计； 6)使用寿命长、应用领域广。使用寿命在 10 年以上，单根热管可拆卸更换，维护简单、成本低， 超导热管形状具有更大的灵活性，更广泛的应用领 域，能适应各种恶劣的工作环境。9 3.2 热轮 热轮由多孔和高比热容量的材料制成，有转盘 式和转鼓式两种结构型式当热轮的转盘或转鼓低速 旋转时，热气体的热量传递给热轮；若热轮继续旋 转，它便将所获得的热量传递给进入的冷空气热轮 的热传递效率现已达到 7580，应用温度也 可达 870左右由于热轮结构的原因，会有少量的 废气进入气管内，因而产生一定程度的污染若污染 量超过许可限度，则可附加清洗段来减少污染程度 热轮一般用于采暖和低温中温废热的回收，以及干 燥炉养护炉和空气的预热器中。 3.3 工业炉余热利用技术 工业炉余热利用的技术主要有：安装换热器或 采用蓄热燃烧技术，预热助燃空气或煤气，安装余 热锅炉加热热水或产生蒸汽，预热被加热的物料。 充分回收余热，节约燃料。一般助燃空气温度每提 高 100，可节约燃料 5。通过预热空气、燃料 或工件，使烟气余热加热空气返回炉内，可使火焰 稳定、提高燃料温度和燃烧效率和设备热效率，节 能效果更好。 生产蒸汽的余热回收设备主要是余热锅炉和汽 化冷却装置。有条件的企业应设置余热锅炉，不过 有时使用余热锅炉并不合算，因为余热锅炉属于低 温炉，可以而且应当使用低品质的热源，高温炉的 烟气余热应当回到高温炉内，以节省高品质燃料。 1)针对烟气和热风的保温差，采取措施充分保 存与回收余热的排烟，使余热回收装置前的烟气热 损失和回炉热风的显热损失分别降到 5和 3左 右。而之前由于烟气从炉膛冒出、吸人冷风，地下 烟道漏水、漏气，旁通烟道短路和管道绝热不良， 使多数锅炉在回收装置前的烟气热损失高达 30- 50，回炉热风的显热损失为 20-33。 2)针对排烟温度高和换热器能力小。目前已经 开发出了各种高效经济的换热器和能使用全热风的 燃烧装置，回收后烟温可下降到 180-250，不再 需要安装价格昂贵而利用率不高的余热锅炉，使炉 气余热从炉外回收转到炉内回收的方向来，并提出 了“余热全自回收”的新概念，即设法降低排出的 烟温和烟量，并使余热回收过程中的各项热损失减 少，然后通过高效换热器将余热最大限度地回收并 全部送人炉内。10 3.4 余热锅炉技术 余热锅炉是利用工业生产过程中的余热来产生 蒸汽(热水)的设备，过去也称为废热锅炉，燃气一 蒸汽联合循环发电过程余热锅炉称为热回收蒸汽发 生器(HRSG)。总结了近年来余热锅炉技术的最新进 展和创新思路，主要有以下几点： 1)采用理论分析和参数优化的研究方法进行余 热锅炉本体热量分配、工质参数优化和余热锅炉整 体布置选型研究，该研究将决定余热锅炉应达到的 设计目标。 2)采用试验研究的方法研究粉尘的物理、化学 和外 部工作过程特性，采用数值模拟的方法进行通流结 构的优化研究；采用试验研究的方法进行热交换受 热面结构设计及传热、阻力特性研究。主要研究粉 尘颗粒特性，粉尘沉积、污染特性，磨损及防磨技 术，粉尘预分离技术，清灰及除灰技术，受热面及 通流结构密封设计，高效传热元件设计，并对高效 传热元件的换热、阻力特性进行研究。 3)研究余热锅炉本体设计所必须的热力、水循 环、烟风阻力计算方法并编制相关的计算机辅助设 计计算软件。 4)采用理论分析和优化设计的研究方法研究 余热锅炉对生产工艺系统取热参数在变动工况下的 适应性以及对热工参数的影响机制，并在余热锅炉 方案设计的基础上对余热锅炉方案进行技术经济比 较，为系统设计出能够实现提高蒸发量和余热废气 利用效率为总体目标的余热锅炉。 3.5 工业燃气轮机技术 燃气轮机循环吸热平均温度高，纯蒸汽动力循 环放热平均温度低，把这两种循环联合起来组成燃 气一蒸汽联合循环显然可以提高循环热效率。高炉 煤气等低热值煤气燃气轮机联合循环发电(CCPP)技 术是充分利用钢铁企业高炉等副产煤气，最大可能 地提高能源利用效率，发挥煤气一蒸汽联合循环优 势的先进技术，该技术用高炉煤气作燃料，热电转 换效率从朗肯循环的 30-38提高到 45。 4 结语 本文介绍了工业余热的概念以及来源，介绍了 各行业余热利用的现状，研究了余热利用的一些现 有技术。结论如下：