余热余压利用相关技术介绍

余热余压利用相关技术介绍
一：概述
1.1：概念：
余热余压：是指企业生产过程中释放出来多余的副产热能、压差能，这些副产热能、压差能在一定的经济技术条件下可以回收利用。

余热余压回收利用主要来自高温气体、液体、固体的热能和化学反应产生的热能。

余热余压利用工程：主要是从生产工艺上来改进能源利用效率，通过改进工艺结构和增加节能装置以最大幅度的利用生产过程中产生的势能和余热。

这类工程除了一次性投资较高外，在余热余压利用过程中，使用的生产方法、生产工艺、生产设备以及原料、环境条件的不同，给余热余压利用带来较大困难。

1.2利用领域介绍：（与我公司有关）
（1）在钢铁行业，逐步高炉炉顶压差发电技术、纯烧高炉煤气锅炉技术、低热值煤气燃气轮机技术、蓄热式轧钢加热炉技术。

建设高炉炉顶压差发电装置、纯烧高炉煤气锅炉发电装置、低热值高炉煤气发电－燃汽轮机装置、干法熄焦装置等。

（2）在有色金属行业，推广烟气废热锅炉及发电装置，窑炉烟气辐射预热器和废气热交换器，回收其他装置余热用于锅炉及发电，对有色企业实行节能改造，淘汰落后工艺和设备。

（3）在煤炭行业，推广瓦斯抽采技术和瓦斯利用技术，逐步建立煤层气和煤矿瓦斯开发利用产业体系。

（4）在化工行业，推广焦炉气化工、发电、民用燃气，独立焦化厂焦化炉干熄焦，节能型烧碱生产技术，纯碱余热利用，密闭式电石炉，硫酸余热发电等技术，对有条件的化工企业和焦化企业进行节能改造。

（5）在电力行业，推广热电联产，热电冷联供等技术，提高电厂综合效益。

（6）在其他行业中，玻璃生产企业也推广余热发电装置，吸附式制冷系统，低温余热发电－制冷设备；推广全保温富氧、全氧燃烧浮法玻璃熔窑，降低烟道散热损失；引进先进节能设备及材料，淘汰落后的高能耗设备。

在纺织、轻工等其他行业推广供热锅炉压差发电等余热、余压、余能的回收利用，鼓励集中建设公用工程以实现能量梯级利用。

1.3发展前景：
（1）由于一次性投资较高，部分企业余热余热利用工程还未得到充分发展，尤其是中小型企业。

（2）余热余压利用不仅节能，还有利用环境保护，是企业实现循环经济的新尝试，随着余热余压利用新技术的推广，余热余压利用必将有着广阔的应用前景。

二：工业余热
2.1资源特点
（1）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释放的热量在完成某一工艺过程后剩下的热量。

按照温度品位，工业余热一般分为600℃以上的高温余热，300~600℃的中温余热和300℃以下的低温余热三种;按照来源，工业余热又可分为：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。

（2）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。

因此工业余热资源利用系统或设备运行环境相对恶劣，要求有稳定的运行范围，能适应多变的工艺要求，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，以提高余热利用系统设备的效率。

2.2 工业余热利用技术
余热温度范围广，能量载体形式多样，又由于所处环境和工艺流程不同及场地固有条件的限制，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。

工业余热回收利用有多种分类方式，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。

2.2.1. 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，尽量减少能量转换次数。

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，降低一次能源消耗的技术设备，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。

(1)间壁式换热器
工业用的换热器按照换热原理基本分为间壁式换热器、混合式换热器和蓄热式换热器。

其中间壁式和蓄热式是工业余热回收的常用设备，混合式换热器是依靠冷热流体直接接触或混合来实现传递热量，如工业生产中的冷却塔、洗涤塔、气压冷凝器等，在余热回收中并不常见。

间壁式换热器主要有管式、板式及同流换热器等几类，管式换热器虽然热效率较低，平均仅26%~30%，紧凑性和金属耗材等方面也逊色于其他类型换热器，但它具有结构坚固、适用弹性大和材料范围广的特点，是工业余热回收中应用最广泛的热交换设备。

冶金企业40%的换热器设备为管式换热器，允许入口
烟气温度达1 000℃以上，出口烟温约600℃，平均温差约300℃。

板式换热器有翅片板式、螺旋板式、板壳式换热器等，与管式换热器相比，其传热系数约为管壳式的二倍，传热效率高，结构紧凑，节省材料。

冶金行业的联合、中小企业多采用板式换热器预热助燃空气，热回收率平均为28%~35%，入口烟气温度700℃左右，出口温度达360℃。

但由于板式换热器的使用温度、压力比管式换热器的限制大，应用范围受到限制。

对于各种工业炉窑的高温烟气回收，还常采用同流热交换器，主要有辐射式和对流式两类，应用较为广泛，多用在均热炉、加热炉等设备上回收烟气余热，预热助燃空气或燃料，降低排烟量和烟气排放温度。

常见的辐射同流换热器入口烟气温度可达1 100℃以上，出口烟气温度亦高达600℃，可将助燃空气加热到400℃，助燃效果好;温度效率可达40%以上，但热回收率较低，平均在26%~35%。

(2)蓄热式热交换器
蓄热式热交换设备原理是冷热流体交替流过蓄热元件进行热量交换，属于间歇操作的换热设备，适宜回收间歇排放的余热资源，多用于高温气体介质间的热交换，如加热空气或物料等。

根据蓄热介质和热能储存形式的不同，蓄热式热交换系统可分为显热储能和相变潜热储能。

显热储能应用已久，简单换热设备如常见的回转式换热器，复杂设备如炼铁高炉的蓄热式热风炉。

由于显热储能热交换设备储能密度低、体积庞大、蓄热不能恒温等缺点，在工业余热回收中有局限性。

相变潜热储能换热设备利用蓄热材料固有热容和相变潜热储存传递能量，高出显热储能设备至少一个数量级的储能密度，因此在储存相同热量的情况下，相变潜热储能换热设备比传统蓄热设备体积减少30%~50%。

此外，热量输出稳定，换热介质温度基本恒定，换热系统运行状态稳定是相
变潜热储能换热设备的另一优点。

相变储能材料根据其相变温度大致分为高温相变材料和中低温相变材料，前者相变温度高、相变潜热大，主要是由一些无机盐及其混合物、碱、金属及合金等和陶瓷基体或金属基体复合制成，适合于450~1 100℃及以上的高温余热回收，应用较为广泛;后者主要是结晶水合盐或有机物，适合用于低温余热回收。

(3)基于热管的换热设备
热管是一种高效的导热元件，通过全封闭真空管内工质的蒸发和凝结的相变过程以及二次间壁换热来传递热量，属于将储热和换热装置合二为一的相变储能换热装置。

热管导热性优良，传热系数比传统金属换热器高近一个量级，还具有良好的等温性、可控制温度、热量输送能力强、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、无外加辅助动力设备等一系列优点。

热管工作需要根据不同的使用温度选定相应的管材和工质。

其中碳钢—水重力热管的结构简单、价格低廉、制造方便、易于推广，使得此类热管得到了广泛的应用。

实际应用中热管使用温度在50~400℃之间，用于干燥炉、同化炉和烘炉等的热回收或废蒸汽的回收，以及锅炉或炉窑的空气预热器。

(4)余热锅炉
采用蒸汽发生器，即余热锅炉回收余热是提高能源利用率的重要手段，冶金行业近80%的烟气余热是通过余热锅炉回收，节能效果显著。

余热锅炉中不发生燃烧过程，而是利用高温烟气余热、化学反应余热、可燃气体余热以及高温产品余热等，生产蒸汽或热水，用于工艺流程或进入管网供热。

同时，余热锅炉是低温汽轮机发电系统中的重要设备，为汽轮机等动力机械提供做功蒸汽工质。

实际应用中，利用350~1 000℃高温烟气的余热锅炉居多，和燃煤锅炉的运行温度相比，属于低温炉，效率较低。

由于余热烟气含尘量大，含有较多腐蚀
性物质，更易造成锅炉积灰、腐蚀、磨损等问题，因此防积灰、磨损是设计余热锅炉的关键。

直通式炉型、大容积的空腔辐射冷却室、设置的密封炉墙、除尘室、大量振打吹灰装置都是余热锅炉为解决积灰、磨损问题在结构上的考虑。

另外由于受生产场地空间限制，余热锅炉把换热部件分散安装在工艺流程各部位，而不是像普通锅炉一样组装成一体。

近十年随着节能减排工作的推进，国内主要余热锅炉设计制造企业加速发展，余热锅炉正朝着大型化、高参数方向发展，如有色冶金行业每小时蒸发量50 吨、工作压力4.2兆帕的余热锅炉，钢铁冶金行业每小时蒸发量100吨、工作压力12.5 兆帕的干熄焦余热锅炉等。

此外，进一步提高锅炉传热效果、热利用率，减轻积灰、磨损等问题，在锅炉循环方式、受热面结构、锅炉内烟气流道及清灰方式等方面进行改造、革新是余热锅炉技术进步的主要内容。

2.2.2. 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，大量存在的中低温余热资源采用热交换技术回收，效益并不显著。

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低沸点有机工质发电技术。

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。

目前主要的应用是以水为工质，以余热锅炉+蒸汽透平或者膨胀机组成低温汽轮机发电系统。

低温汽轮机发电可利用的余热资源主要是高于350℃的中高温烟气，如玻璃、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，包括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的大量蒸汽，其中1兆帕左右的低压饱和蒸汽或热水占很大比例，大量剩余常被放散。

目前这类低压饱和蒸汽发电利用，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压力0.15~3.0兆帕、温度低于300℃的蒸汽或压力0.8兆帕以上、温度高于170℃的热水等，由于结构特点，螺杆膨胀动力机单机功率有限，多数在1 000千瓦以下，主要用于余热规模较小的场合。

2.2.
3. 制冷制热技术
(1)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，解决电力供应不足问题;采用天然制冷剂，不含对臭氧层有破坏的含氯氟类物质，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，能效比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，实际应用的机组能效比多不超过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，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，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，更适合低热量余热回收利用，或用于冷热电联产系统。

(2)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、油田废水等，温度很低，但余热量大，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℃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 千瓦电能，可制得3~5千瓦热量，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，可用于火电厂或核电厂循环水余热、印染、制药等行业的余热回收。

例如，电厂以循环水作为热源水，通过热泵机组提升锅炉给水品位，使原有的锅炉给水由15℃提升到50℃，减少锅炉对燃
煤的需求量，达到节能降耗的目的。

综上所述，余热利用的技术设备种类繁多，但都有一定的适用条件，应当根据工业余热温度、余热量，结合生产条件、工艺流程、内外能量需求，选择合适的余热利用方式。

三：余热发电
余热发电的基本过程如下：
通过余热回收装置——余热锅炉将工业生产中排出的废气余热进行回收换热，产生过热蒸汽或饱和蒸汽推动汽轮机实现热能——机械能的转换，再带动发电机发出电能，并供给工业或生活中的用电负荷。

3.1余热发电的特点
余热发电是利用余热、余压或可燃性废气(液)、化学反应热、城市垃圾等低热值燃料发电或用热电冷联产的发电方式, 故也称资源综合利用发电。

余热发电具有节约能源、保护环境的双重效益, 它具有以下特点:
(1) 余热发电必须坚持以热定电, 也就是说应根据生产用热的余压量或生产过程中产生的余热量来决定发电量, 以供热和余热利用为主, 发电为辅。

排空发电或添加辅助燃料来发电既不经济而且会对环境造成污染, 这就失去了余热发电的意义。

(2) 余热发电机组经济运行中应依托大电网并网运行, 这样才能保证电力质量(周率、电压) 稳定和机组安全经济运行, 但电网发生故障后, 必要时也可孤立运行承担企业重要用电负荷。

3.2余热发电机组的选型及其系统
3.2.1背压式汽轮机及其热力系统
背压式汽轮机在余热发电中使用最为广泛。

热力系统把经除氧器除氧的软化水送入锅炉, 产生合格的蒸汽(或发电厂供热蒸汽) , 然后把蒸汽送到汽轮机, 冲动汽轮机机组发电, 发电后的排汽送各用气车间。

当汽轮发电机组发生故障, 企业用电由电网供给, 用汽可切换到减温减压供汽。

由电厂供汽压差发电, 其热力系统更为简单。

这种热力系统附属设备少, 维护检修方便, 热效率较高。

3.2. 2抽汽背压式汽轮机及其热力系统
抽汽背压式汽轮机在余热发电站中使用也较多, 来自锅炉或发电厂的蒸汽在第一级叶轮作功后,先抽去一部分供给需用汽压较高的车间, 其余蒸汽继续在汽轮机第二级叶轮作功, 然后供生产用汽压力要求较低的车间。

当机组发生故障时, 企业用电由电网供给, 车间用汽可通过两只不同参数的减温减压器供汽。

这种热力系统与背压式汽轮机系统相仿,附属设备也少, 维护检修方便, 并可向蒸汽用户提供两种不同参数的蒸汽。

3.2. 3调整抽汽式汽轮机及其系统
调整抽汽式汽轮机的热力系统是把锅炉产汽送汽轮机作功后, 抽出一部分供生产用汽, 并各抽出一路蒸汽供高压加热器、除氧器、低压加热器用汽, 以提供锅炉高品质的给水。

其余发电后的蒸汽进入冷凝器。

冷凝器的凝结水由凝给水泵经低压加热器、除氧器、给水泵、高压加热器送至锅炉。

该系统比较复杂, 辅助设备较多, 但其热、电负荷互不制约, 即电负荷不变时, 热负荷高, 进冷凝器的蒸汽减少, 热负荷低时, 进冷凝器蒸汽就增加。

它能满足热、电两种不同负荷的变化要求。

3.2.4发电机的选型
余热发电常用同步发电机和异步发电机, 在使用上各有其特点。

(1) 同步发电机并网运行安全可靠, 它既能提供有功功率又可提供无功功率。

当企业功率因数较低时, 发电机就可多发无功功率以提高企业功率因数, 不必电容补偿。

一旦电网发生故障, 发电机与电网解列后, 机组还可以孤立运行, 承担企业部分重要负荷。

但同步发电机控制、保护及励磁系统比较复杂, 一次性固定投资也较高, 对运行操作人员的技术要求也较高。

(2) 同步发电机并网运行无需专门的励磁装置, 但需从电网吸收感性无功功率, 因此异步发电机必须用在无功功率比较富裕的地区, 或者装置必要的无功补偿, 否则可能影响当地电压水平。

异步发电机实际是一种鼠笼型电动机, 当原动机(汽轮机或其它燃气轮机) 把电动机拖到同步转速以上时合闸并网, 异步电动机就变成发电机运行。

异步发电机设备简单、投资省, 操作简单故一些发电厂或发电厂附近企业在设置余热(余压) 利用的小容量机组时通常可选用异步发电机组。

举例：
典型的水泥行业低温余热发电系统流程图如下图所示：
整个热力系统工艺流程是一个完整的水汽循环利用过程。

在生产线窑尾、窑头各设置一台余热锅炉，用于与废气的热量交换，热交换后锅炉产生的过热蒸汽导入汽轮机做功，汽轮机带动发电机向外输出电能。

做过功后的蒸汽经凝汽器冷凝成凝结水，经凝结水泵与闪蒸器出水汇合，通过锅炉给水泵增压进入AQC锅炉省煤器进行加热，经省煤器加热后的高温水分三路分别送到AQC炉汽包、PH炉汽包和闪蒸器内。

进入两台锅炉汽包内的高温水在锅炉内循环受热，最终产生过热蒸汽，两路过热蒸汽汇集后进入汽轮机。

进入闪蒸器的高温水根据闪蒸汽化原理（高温高压水进入低压空间后会部分瞬间汽化）产生一定压力的饱和蒸汽进入汽轮机后级辅助做功作用。

做过功后的蒸汽经过凝汽器冷凝后形成凝结水重新参与系统循环。

循环过程中消耗掉的水由纯水装置制取出的纯水补充到系统中。

整套系统由八部分组成。

1. 余热锅炉，余热锅炉包括窑尾PH锅炉和窑头AQC锅炉，余热锅炉回收水泥窑头和窑尾的废气余热产生过热蒸汽或饱和蒸汽。

2.汽轮机发电机组，汽轮机多采用多级补汽凝汽式汽轮机，利用压力参数较低的主蒸汽和来自闪蒸器的饱和蒸汽导入汽轮机做工。

发电机为三相交流同步发电机，采用同轴交流无刷励磁或静止可控硅励磁方式。

3.汽轮机排汽通过凝汽器冷凝成凝结水，经凝结水泵增压，通过管道进入汽封凝汽器加热，加热后的凝结水再通过管道与闪蒸器下降管来水汇合，作为锅炉给水泵进口给水经锅炉给水泵增压后通过锅炉给水管道送往AQC锅炉省煤器，提高锅炉给水温度后作为余热锅炉的给水。

4.循环冷却水。

循环冷却水系统的作用主要是为凝汽器及其他冷却设备提供冷却循环用水，系统包括冷却水泵和一套机械强制通风立式冷却塔及相应的冷却水管道等根据实际需要，也可以采用自然通风逆流双曲线型冷却塔。

在水资源缺乏的地区，也可以采用风冷凝汽技术。

5.化学水处理。

化学水处理装置一般是采用离子交换方式来置换出原水中的阴阳离子，形成软化除盐水，作为发电系统的补充水。

6.DCS集散控制系统。

余热发电机组采用先进、成熟的集散控制系统（DCS）进行控制、监视。

7.汽轮机综合控制系统。

DEH控制系统的主要是控制汽轮发电机组的转速和功率，以满足安全供电的要求。

系统具有转速控制回路、电功率控制回路、主汽压控制回路、超速保护回路等基本控制回路以及同期、调频限制、解耦运算、信号选择、判断等逻辑回路。

8.接入系统主接线。

余热发电站发出的电能一般是并网但不上网，自发自用发电机发出的电能通过水泥工厂的总降压变电所向水泥生产的设备提供电能。