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余热回收利用技术

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。常见的工业余热回收利用方式,有多种分类方式,根据余热资源在利用过程中能量的传递或转换特点,可以将国内目前的工业余热利用技术分为热交换技术、热功转换技术、余热制冷制热技术。


一、热交换技术


余热回收应优先用于本系统设备或本工艺流程,降低一次能源消耗,尽量减少能量转换次数,因此工业中常常通过空气预热器、回热器、加热器等各种换热器回收余热加热助燃空气、燃料( 气) 、物料或工件等,提高炉窑性能和热效率,降低燃料消耗,减少烟气排放; 或将高温烟气通过余热锅炉或汽化冷却器生成蒸汽热水,用于工艺流程。这一类技术设备对余热的利用不改变余热能量的形式,只是通过换热设备将余热能量直接传递给自身工艺的耗能流程,降低一次能源消耗,可统称为热交换技术,这是回收工业余热最直接、效率较高的经济方法,相对应的设备是各种换热器,既有传统的各种结构的换热器、热管换热器,也有余热蒸汽发生器( 余热锅炉) 等。


二、热功转换技术


热交换技术通过降低温度品位仍以热能的形式回收余热资源,是一种降级利用,不能满足工艺流程或企业内外电力消耗的需求。此外,对于大量存在的中低温余热资源,若采用热交换技术回收,经济性差或者回收热量无法用于本工艺流程,效益不显著。因此,利用热功转换技术提高余热的品位是回收工业余热的又一重要技术。按照工质分类,热功转换技术可分为传统的以水为工质的蒸汽透平发电技术和以低沸点工质的有机工质发电技术。由于工质特性显著不同,相应的余热回收系统及设备组成也各具特点。

目前主要的工业应用以水为工质,以余热锅炉 + 蒸汽透平或者膨胀机所组成的低温汽轮机发电系统。相对于常规火力发电技术参数而言,低温汽轮机发电机组利用的余热温度低、参数低、功率小,在行业内多被称为低温余热汽轮机发电技术,新型干法水泥窑低温余热发电技术是典型的中低温参数的低温汽轮机发电技术。低温汽轮机机发电可利用的余热资源主要是大于 350℃的中高温烟气,如烧结窑炉烟气,玻璃、水泥等建材行业炉窑烟气或经一次利用后降温到 400~ 600℃ 的烟气,单机功率在几兆瓦到几十兆瓦,如钢铁行业氧气转炉余热发电、烧结余热发电,焦化行业干熄焦余热发电、水泥行业低温余热发电,玻璃、制陶制砖等建材炉窑烟气余热发电等多种余热发电形式。但从余热资源的温度范围来看,该技术利用的中高温余热,属于中高温余热发电技术。此外,通过余热锅炉或换热器从工艺流程中回收大量蒸汽,其中低压饱和蒸汽( 1 MPa 左右) 、或热水占有很大比例,除用于生产生活,还有大量剩余常被放散。

目前利用这类低压饱和蒸汽发电或拖动的技术主要是采用螺杆膨胀动力机技术。该技术具有以下特点:

可用多种热源工质作为动力源,适用于过热蒸汽、饱和蒸汽、汽液两相混合物,也适用于烟气、含污热水、热液体等;

结构简单紧凑,可自动调节转速,寿命长,振动小;

机内流速低,除泄露损失外,其他能量损失少,效率高;

双转子非接触式的特性,运转时形成剪切效应具有自清洁功能、自除垢能力。

螺杆膨胀动力机属于容积式膨胀机,受膨胀能力限制,直接驱动螺杆膨胀动力机的热源应用范围为小于 300℃的 0. 15 ~ 3. 0 MPa 的蒸汽或压力 0. 8MPa 以上,高于 170℃ 的热水等,由于结构特点,因此螺杆膨胀动力机单机功率受限,多数在 1 000 k W以下,主要用于余热规模较小的场合。


三、余热制冷技术


与传统压缩式制冷机组相比,吸收式或吸附式制冷系统可利用廉价能源和低品位热能而避免电耗,解决电力供应不足; 采用天然制冷剂,不含对臭氧层有破坏的 CFC 类物质,具有显著的节电能力和环保效益,在 20 世纪末得到了广泛的推广应用。吸收式和吸附式制冷技术的热力循环特性十分相近,均遵循“发生( 解析) - 冷凝 - 蒸发 - 吸收( 吸附) ”的循环过程,但吸收式制冷的吸收物质为流动性良好的液体,制冷工质为氨 - 水、溴化锂水溶液等,其发生和吸收过程通过发生器和吸收器实现; 吸附式制冷吸附剂一般为固体介质,吸附方式分为物理吸附和化学吸附,常使用分子筛 - 水、氯化钙 - 氨等工质对,解析和吸附过程通过吸附器实现。

以溴化锂水溶液为工质的吸收式制冷系统应用最广泛,一般可利用 80 ~ 250℃ 范围的低温热源,但由于用水做制冷剂,只能制取 0℃或 5℃以上的冷媒温度,多用于空气调节或工业用冷冻水,其性能系数COP 因制冷工质对热物性和热力系统循环方式的不同而有很大变化,实际应用的机组 COP 多不超过2,远低于压缩式制冷系统,但是此类机组可以利用低温工业余热、太阳能、地热等低品位热能,不消耗高品质电能,而在工业余热利用方面有一定优势。吸收式余热制冷机组制冷效率高,适用于大规模热量的余热回收,制冷量小可到几十千瓦,高可达几兆瓦,在国内已获得大规模应用,技术成熟,产品的规格和种类齐全。吸附式制冷机的制冷工质对种类很多,包括物理吸附工质对、化学吸附工质对和复合吸附工质对,适用的热源温度范围大,可利用低达 50℃ 的热源,而且不需要溶液泵或精馏装置,也不存在制冷机污染、盐溶液结晶以及对金属的腐蚀等问题。吸附式制冷系统结构简单,无噪音,无污染,可用于颠簸震荡场合,如汽车、船舶,但制冷效率相对低,常用的制冷系统性能系数多在 0. 7 以下,受限于制造工艺,制冷量小,一般在几百千瓦以下,更适合利用小热量余热回收,或用于冷热电联产系统。

热泵技术

工业生产中存在大量略高于环境温度的废热( 30 ~ 60℃) ,如工业冲渣水、冷却废水、火电厂循环水、油田废水、低温的烟气、水汽等,温度很低,但余热量大,( 水源) 热泵技术常被用于回收此类余热资源。热泵以消耗一部分高质能( 电能、机械能或高温热能) 作为补偿,通过制冷机热力循环,把低温余热源的热量“泵送”到高温热媒,如 50℃ 及以上的热水,可满足工农商业的蒸馏浓缩、干燥制热或建筑物采暖等对热水的需求。

目前,热泵机组的供热系数在 3 ~ 5 之间,即消耗 1 k W 电能,可制得 3 ~ 5 k W热量,在一定条件环境下是利用略高于环境温度废水余热的经济可行的技术。当前研制生产的大都是压缩式热泵,中型热泵正在开发,大型热泵尚属空白。压缩式热泵中以水源热泵技术应用最为广泛,可用于火电厂/核电厂循环水余热、印染、轮胎制造、油田、制药等行业的余热回收。例如,电厂以循环水或工艺产热水作为热源水,通过热泵机组提升锅炉给水的品位,使原有的锅炉给水由 15℃( 20、25℃) 提升到 50℃,减少锅炉对燃煤的需求量,达到节能降耗的目标。


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