余热制冷技术

目录1概述2铝型材氧化冷水的提供3印染厂蒸煮热水的提供4空压机余热制冷5石化企业余热制冷6玻璃行业余热制冷7造纸行业余热制冷1概述当前，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（能量）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17％～67％，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工业余热的特点（1）工业余热分类余热资源属于二次能源，是一次能源或可燃物料转换后的产物，或是燃料燃烧过程中所发出的热量在完成某一工艺过程后所剩下的热量。

按照温度品位来分：高温余热：600℃以上的工业余热；中温余热：300～600℃的工业余热；低温余热：300℃以下的工业余热。

按照来源来分：工业余热又可被分为烟气余热、冷却介质余热、废汽废水余热、化学反应热、高温产品和炉渣余热以及可燃废气、废料余热等。

烟气余热量大，温度分布范围宽，占工业余热资源总量的50％以上，分布广泛，如冶金、化工、建材、机械、电力等行业，各种冶炼炉、加热炉、内燃机和锅炉的排气排烟，而且有些工业窑炉的烟气余热量甚至高达炉窑本身燃料消耗量的30％~60％，节能潜力大，是余热利用的主要对象。

冷却介质余热是指在工业生产中为了保护高温生产设备或满足工艺流程冷却要求，空气、水和油等冷却介质带走的余热，多属于中低温余热，余热量占工业余热资源总量的20％。

废水废汽余热是一种低品位的蒸汽或凝结水余热，约占余热资源总量的10％~16％。

化学反应余热占余热资源总量的10％以下，主要存在于化工行业。

高温产品和炉渣余热主要指坯料、焦炭、熔渣等的显热，石化行业油、气产品的显热等。

可燃废气、废料余热是指生产过程的排气、排液和排渣中含有可燃成分，如冶金行业的高炉煤气、转炉煤气等。

虽然余热资源来源广泛、温度范围广、存在形式多样，但从余热利用角度看，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、原生产等有条件限制。

因此工业余热资源利用系统或设备运行环境相对恶劣，要求有宽且稳定的运行范围，能适应多变的生产工艺要求，设备部件可靠性高，初期投入成本高，从经济性出发，需要结合工艺生产进行系统整体的设计布置，综合利用能量，以提高余热利用系统设备的效率。

1.2工业余热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。

A、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。

B、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。

低温汽轮机发电可利用的余热资源主要是大于350℃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℃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l 000 kW以下，主要用于余热规模较小的场合。

1.3制冷制热技术A、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）一冷凝一蒸发一吸收（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，制冷工质为氨一水、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同体介质，吸附方式分为物理吸附和化学吸附，常使用分子筛一水、氯化钙一氨等工质对，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O℃或50℃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。

B、热泵技术工业生产中存在大量略高于环境温度的废热（30—600℃），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 kW电能，可制得3～5 kW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，达到节能降耗的目的。

2铝型材氧化冷水的提供2.1吸收式溴化锂制冷在铝型材企业的应用熔铝炉℃℃图2-1铝型材厂排烟余热状况图氧化车间一般距离挤压车间较近，所以优先利用挤压机棒炉的烟气余热。

挤压机棒炉排烟温度一般在180~300℃左右。

每台棒炉安装一台气-水换热器，将水温加热到120℃左右，汇到总管给溴化锂吸收式热泵系统发生器作为动力热源。

余热利用示意图见图2-2。

图2-2余热利用型吸收式制冷原理图 挤压机棒炉烟气余热将除盐水加热到100~110℃进入发生器氧化车间冷水池将铝型材厂所有炉子的排烟管道上都安装一台气-水换热器，将水加热到100~120℃以后，泵送到集水箱，流程见图2-3所示。

图2-3余热排放设备换热流程图集水箱（高温水箱）的水温大约在110℃，由泵送到吸收式溴化锂制冷机组，作为发生器能源，工艺流程见图2-4所示。

图2-4吸收式溴化锂机组外部流程图氧化工段 冷水池去低温水箱2.2溴化锂制冷机组的设计计算以一个8万t/年的铝型材厂为例，每年棒炉的烟气量为2400万m3（棒炉能耗为30m3/t计）；均质炉的排放量为1300万m3（均质铝棒按所有铝棒的60%，均质炉能耗为28m3/t计算）；熔铝炉的排烟量为2880万m3（自铸铝棒按照60%，能耗60m3/t计）；时效炉排烟量为640万m3（时效炉能耗8m3/t计）；固化炉排烟量为800万m3（固化炉能耗按10m3/t计）。