工业余热利用现状

工业余热利用现状集团档案编码：[YTTR-YTPT28-YTNTL98-UYTYNN08]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。

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14000 kW 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(0rganic Rankine Cycle，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。