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工业余热利用现状

ModifiedbyJEEPonDecember26th,2020.

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%、%、%；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：

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%

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

有机工质朗肯循环发电系统的原理

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

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。

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，

表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%，适合回收150℃以下的余热。

——

西安交通大学

固定流量s工质循环性能分析

R718（水）、R717（氨）、R600、R600a、R11、R123、R141b、R235ea、R245ca、R113

80~140℃

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%；氨为18%；水仅为%。

——

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、R600

30~330℃

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、R134a

140℃

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%。

——

台湾义守大学

工质的循环性能分析

苯、甲苯、对二甲苯、R113和R123

<300℃

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。

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，

表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MTI

1174

110℃

R113

中国那曲地热发电站

1993年

以色列ORMAT

1000

110℃

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ORMAT

1500

烟气275℃

美国柴油机余热发电

——

美国联合能量公司

600

300℃

从表可以看出，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ORMAT公司、意大利Turboden、德国GMK公司等，GE、三菱等着名叶轮机械设计制造企业也成立了专门的ORC公司。

有机工质朗肯循环发电系统经济性分析

例如某水泥厂余热发电站，一条3000吨/天的新型干法水泥生产线，窑头与窑尾配备有余热锅炉，用的是凝汽式汽轮机，该系统设计出来效果为每小时的平均发电总量为3500kW，参照发电机组的真实规格，必须用3000kW的汽轮机组。

某项目的总投资数额高达60万元，一年平均运转300多天，则1年的发电总量可达到2270万kWh。

这种情况下和采用标准煤生产相比，能够节约万吨的煤，减少约万吨二氧化碳的排放量，然后除掉系统自身耗费电量的10%，则每年供电量能够达到1905万kWh，而1吨熟料的发电能力能够达到。

相比之下，应用纯低温余热发电技术来发电，整个发电系统一共投资1962万元，外界购电价格按照元/kWh进行计算，除去余热电站供电所花费的成本，则每吨熟料的成本大约能下降元，进一步降低了水泥工业生产成本，提升企业在市场上的竞争力。

以某冷却塔低温余热利用系统用于发电为例，扣除泵的耗功后，1t热水的发电量为，每年按照7000h计算，则年发电量为，电价按元计算，年经济效益可达35万元，相当于减少CO2排放量650t，经济和环保效益显着。

随着国家节能减排力度不断加码，水泥余热发电项目的魅力日益显着。

预计，到2015年，我国余热余压发电要实现新增装机2000万千瓦。

按照每千瓦造价5000元计算，“十二五”期间水泥余热余压发电将形成1000亿元投资规模。

结论：

固然纯低温余热发电系统的投资非常高，但在短短几年中基本上可收回成本，可以说构建出低温余热电站，既能变废为宝，充分利用能源，降低对环境的污染，又能增加企业受益，可谓一举两得。

4.热泵技术

热泵技术的原理

热泵就是在两个热源之间工作，消耗一定的功（W），使低温热源供给热量（Q1），在高温热源处获得热量（Q2），亦即以消耗少量高质能为代价,达到提高温位以利于利用。

热泵大概分两类：

一是蒸汽压缩式；二是吸收式，后者是热泵的主流。

压缩式热泵由蒸发器、冷凝器、压缩机、节流装置及水源、热水侧管路等部分组成。

压缩式热泵由蒸发器、冷凝器、压缩机、节流装置及水源、热水侧管路等部分组成。

机械压缩式热泵系统的工作过程如下：

低佛点工质流经蒸发器时蒸发成蒸汽，此时从低温位处吸收热量，来自蒸发器的低温低压蒸汽，经过压缩机压缩后升温升压，达到所需温度和压力的蒸汽流经冷凝器，在冷凝器中，将从蒸发器中吸取的热量和压缩机耗功所相当的那部分热量排出。

放出的热量就传递给高温热源，使其温位提高。

蒸汽冷凝降温后变成液相，流经节流阀膨胀后，压力继续下降，低压液相工质流入蒸发器，由于沸点低，因而很容易从周围环境吸收热量而再蒸发，又形成低温低压蒸汽，依此不断地进行重复循环。

吸收式热泵是利用工质的吸收循环实现热泵功能的一类装置，它采用热能直接驱动，而不是依靠电能、机械能等其他资源。

溴化锂吸收式热泵机组回收利用低温热源（如废热水）的热能，制取所需的工艺或采暖用高温热媒，实现从低温向高温输送热能的设备，它以低温热源为驱动热源，在采用低温冷却水的条件下，制取比低温热源温度高的热媒。

它与第一类溴化锂吸收式热泵机组的区别在于，它不需要更高温度的热源来驱动。

但需要较低温度的冷却水。

热泵技术的特点

我国许多行业对热源的需求温度多集中在75~200℃之间，且存在着低温余热大量浪费的情况，可以把热能由低温位热源转移到高温位热源的中高温热泵技术有着巨大的应用空间。

对高温热泵的研究多集中在适宜工质的选择和制热效率提高这两个方面。

对高温热泵的研究多集中在适宜工质的选择和制热效率提高这两个方面。

全世界有超过亿台热泵机组在正常运行,总供热量超过了+10GJ/年,目前,工业热泵主要应用在酿造、纺织、木材、食品加工、石油化工、海水淡化、热电以及冶金等领域。

在国外,利用吸收式热泵系统回收余热技术的研究已有多年的发展。

在溴化锂吸收式制冷技术上我国已经积累了雄厚的技术基础,但在吸收式热泵系统的应用技术上还比较落后。

热泵技术国内外的研究案例

早在20世纪80年代，日本大型节能技术研究开发项目项目就把高温热泵列入了重点研究方向之一，该项目总的目标是将制热性能系数（COP）提高到6~8，出口热水温度提高到150~300℃。

在美国IEA热泵中心和IIR的热泵发展计划以及欧洲大型热泵研究计划中，中高温热泵技术都是研究的重点。

2007年太原理工大学根据山西某热电厂冷凝抽汽工况条件设计了基于单效吸收式热泵机组的新型热电联产系统。

改造后的热电联产系统统在原有汽轮机抽汽量不变的条件下回收汽轮机冷凝余热,实现热网供热负荷增大、热电厂一次能源利用率提高、节能减排的目标,实际运行工况良好,经济效益和社会效益显着。

大庆石油学院结合油田的实际情况,通过对油田污水热源和油田用热要求的分析,探讨了采用单效第一类吸收式热泵为油田的生产过程供热的可行性、节能和经济效益。

清华大学2008年提出了基于Co-ah循环的热电联产集中供热方法,其中对热电厂的冷凝余热利用双效吸收热泵机组配合单效吸收热泵机组的方式,其设计目标是实现依靠热电厂冷凝乏汽、冷凝余热及汽轮机抽汽并以此对热网回水进行升温。

热泵技术国内外的应用案例

与.公司（AdolphcoocCompange）合作,共同研发出较为完善的吸收式AHT系统,1983年已能规模化生产,并将它用于回收炼油厂中汽提塔和蒸馆塔塔顶蒸汽的冷凝余热,以及造纸厂制浆工艺和食品加工过程中泄漏蒸汽的余热。

1981年以来,日本的三洋公司已为日本和全球各地建立了20套大型吸收热泵装置,部分机组已成功运行十年以上。

同时在日本的千叶工厂,已将吸收式热泵装置集成于橡胶装置中的凝聚釜顶废热的回收系统中,并且取得了良好的效果,据记载其改造投资回收期只有15年。

辽河油田曙光采油厂曙五联合站采用高温热泵技术!

以清华大学研发的HTR01为工质，从5640m3/d的含油污水（温度为71℃）中提取2797KW的热量,将2355m3/d、53℃的进站原油加热到85℃。

机组自2010年投产以来，运转正常，热泵机组总耗电折合人民币万元，产生的加热效果相当于以往消耗价值1053万元燃油或万元天燃气的加热效果，经济效益显着。

云驾岭煤矿等就以18~20℃矿井涌水和20~40℃的坑口电厂凝气冷却水为热源，采用高温热泵和低温热泵结合：

高温热泵产生的70~75℃的热水作为矿区地面建筑冬季采暖，低温热泵则产生60℃左右的热水用于井筒保温和职工浴室喷淋。

采用热泵技术以来，矿区每年节约煤炭消耗4000~5000t，减排CO212000~14000t,节能减排效果非常显着.

5.热管技术

热管技术的原理

以热管作为传热元件的废热锅炉称为热管式废热锅炉，由外筒体、内筒体、饱和汽包、热管四部分组成。

工作时废气（或工艺气）由上部进入，经外筒体和内筒体环隙流动，经热管换热后气体由下部流出；水由内筒体下部进入，经热管加热后，进汽包，汽水分离后，产生饱和蒸汽，并网或直接使用。

热管技术的特点

热管的二次间壁换热特性是实现安全、可靠及长周期运行的重要保证。

热管的热流变换及自吹灰特性是防止工业上换热设备露点腐蚀及灰尘堵塞的重要技术保证。

热管的均温热屏蔽及分离式热管技术的完善,将可能解决化学反应器中温度分布不均匀、反应过程偏离最佳反应温度的缺陷、石油裂解中由于管壁温度不均匀而出现的过热分解以及核反应堆安全壳体的散热等等问题。

液态金属热管的出现及材料价格的下降,可实现在超高温反应设备中实现连续取热。

热管技术的国内外应用现状

早在1942年，Gauler就曾提出热管的原理。

1962年，L.Trefethen再次提出类似于Gauler的传热元件，但因故未能实施。

直到1964年，Grover等人独立地提出了类似于Gauler的传热元件，并且取名热管，此后吸引了很多的科学技术工作者从事热管研究，使热管得到了很快的发展。

热管自1964年正式在美国发明问世,至今已有50年的历史,常作为一种传热元件,但作为一项传热技术,则仍处于发展阶段。

我国的热管技术开发研究一开始有明确为工业化服务的目标,因此重点在于开发碳钢-水热管换热器。

经过多年的努力,我国的热管技术工业化应用已处于国际先进水平。

目前,气-气热管换热器、热管蒸汽发生器等热管节能产品已广泛用于冶金、石油、化工、动力及陶瓷等工业领域。

6.半导体温差发电

半导体温差发电原理

温差发电器是一种基于塞贝克效应，直接将热能转化为电能的热电转换器件。

1982年，德国物理学家塞贝克发现了温差电流现象，即两种不同金属构成的回路中，若两种金属结点温度不同，该回路中就会产生一个温差电动势。

由于材料的限制，热电能量转换的效率很低，所以很少能在工程技术上得到实际应用。

20世纪五十年代以后，随着半导体技术的迅速发展，半导体温差发电技术引起了世界范围内的极大关注。

图6-1温差电池示意图

如图6-1所示，将端置于高温，处于低温端的就可得到电动势

式中：

为赛贝拉系数，其单位是V/K。

是由材料本身的电子能带结构决定的。

半导体温差发电的特点

半导体温差发电是一种新型的发电方式，具有体积小，无噪音和有害物质排放，寿命长，可靠性高，性能稳定，安全无污染等一系列优点，符合绿色环保的要求。

而且温差发电不受温度的限制，有温差存在就能发电，选择合适的半导体材料类别，可以在很宽的温度范围内（300K-1400K）利用热能。

特别适合低品位热源的回收利用。

温差发电作为一种热—电能量直接转换方式，与现行的机—电变换系统相比，转换过程中不需要机械运动部件，不需要附加的驱动、传动结构，没有震动和噪声。

但是由于受到热点转换效率的制约（目前一般不超过14%，远低于普通发电机40%的效率）和成本的限制，温差电技术除了在航天和军事等尖端技术领域应用外，很少用于工业和民间。

目前国内外对半导体温差发电的研究主要在半导体热点材料、热点转换效率的提高等方面。

主要在太阳能、汽车尾气、低温冷能利用方面有所应用。

相信半导体温差发电技术会在未来有更广泛的应用。

半导体温差发电的国内外研究案例

最早的温差发电机于1942年由前苏联研制成功，发电效率为%～2%。

从20世纪六十年代开始陆续有一批温差发电机成功用于航天军事等领域。

近年随着技术的发展，半导体温差发电技术已经成为研究热点。

研究单位

研究内容

年份

哈尔滨工业大学

改进热点摸块设计以提高温差发电器热点转换效率

2000

西安交通大学

半导体热电堆的发电问题

2001

浙江大学

热电式微电源的研究现状

2005

中国科学技术大学

低温下半导体热点材料发电性能的研究

2004

广州工业大学

太阳能温差发电系统的热电性能分析

2011

中国科学技术大学

温差发电的热力过程研究和材料的赛贝克系数测定

2005