低温余热回收升级利用技术综述_许玮玮

低温余热回收升级利用技术综述
许玮玮1，2，唐晓东1，2，李小红2，冯雪峰3，陈小金3，刘海燕
2
（1西南石油大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室，四川成都610500；2西南石油大学化学化工学院，四川成都610500；3无锡蓝星石油化工有限责任公司，江苏无锡214011）摘
要：综述了低温余热回收升级利用技术，介绍一些常见应用形式如热泵、制冷、余热发电、热管及变热器等，分别进行相关
技术及经济评价，
列举优缺点并指出未来发展趋势。

最后指出，在全面分析系统余热状况的基础上，考虑开展升级利用组合技术，一方面可以保证低温余热的全面、
彻底回收，另一方面还能得到高品位热能。

关键词：节能；低温余热；升级利用；组合技术
A Summary of the Up －grade Utilization in Low －temperature Waste Heat
XU Wei －wei 1，2，TANG Xiao －dong 1，2
，LI Xiao －hong 2，FENG Xue －feng 3，CHEN Xiao －jin 3，LIU Hai －yan 2（1State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation ，Southwest Petroleum University ，Sichuan Chengdu 610500；2College of Chemistry and Chemical Engineering ，Southwest Petroleum University ，
Sichuan Chengdu 610500；3Wuxi Bluestar Petrochemical Co．，Ltd．，Jiangsu Wuxi 214011，China ）
Abstract ：An up －grade utilization technology in low －temperature waste heat recovery was summarized ，and some conventional processes such as heat pump ，refrigeration ，waste heat generation ，heat pipe and absorption heat transform-er ，et al were introduced．The technological assessment and economic evaluation were carried out ，respectively ，the mer-its and drawbacks and the future development trends were proposed．Finally ，on the basis of a comprehensive considera-tion of the overall low －temperature resources ，some group technologies of the up －grade utilizations was explored．By do-ing this ，an all －around and thorough recovery of the low －temperature waste heat was guaranteed and some higher level heat can be acquired at the same time．
Key words ：energy saving ；low －temperature waste heat ；up －grade utilization ；group technology
作者简介：许玮玮（1987－），女，西南石油大学在读硕士，研究方向：石油与天然气加工。

低温余热是系统即使进行优化改造仍较难利用的低温位热能资源，炼厂低温余热是指炼油生产过程中产生的高于油品储
存温度或工艺本身需要温度但未被回收利用的热量［1］。

关于低温余热，目前尚无比较明确统一的温度范围及形态定义，有指200ħ以下的余热烟气、冷凝水、循环热水等，也有认为150ħ以下的液相热能和250ħ以下烟气余热、化学反应废热等。

石化企业一般将温度低于120ħ或130ħ的剩余工艺热量统称为低
温余热
［2－3］。

低温余热由于温位较低，回收利用具有一定难度，但胜在数量众多，热能综合利用潜力巨大。

据报道，低温余热约占工业废
热总值的60%［4］
，
若能对其进行妥善回收利用，不仅节约能源，避免环境热污染，还降低了装置公用工程的成本消耗，一举多得。

低温余热有两种利用形式—同级和升级利用，前者主要将
低温热替代高、
中温位热源，向能级相近但较需要加热的物流供热，
如预热原料、锅炉进水、管线伴热以及生活用能等，但受传热推动力等条件限制，其低温余热回收程度有限
［5－9］。

升级利用则是更高级的热能利用形式，通过对低温热进行加工改造，提高温位或转变成机械功输出给高能级用户以实现能量系统的最优
匹配和合理回收，
是最有效的低温余热回收利用技术。

1常见低温余热升级利用技术
低温余热升级利用形式主要有热泵、制冷、余热发电、热管
以及变热器等，
下文分别介绍。

1．1热泵技术
热泵［10］
是高效热能转换装置，借助热力循环把热能由低温
处移至高温处，期间要消耗少量高质能如机械能、电能等。

作为
最主要的低温余热升级利用技术，
热泵广泛应用于蒸发、蒸馏、干燥和浓缩等工艺过程，装置检修周期长，运行附加费用较少，使用高效、节能，经济。

热泵主要有压缩式和吸收式两种［11］。

前者通过系统中工质
的物态变化实现供热，
用机械功驱动工质循环流动，连续地将热量从低温热源传送到高温位热阱；后者利用工质和吸收液的蒸发和吸收循环进行工作，消耗部分高位热能，从低温热源吸收热量并供给热用户。

利用热泵可以将30 40ħ的低温废水升温
至50 90ħ，
一般400W 热泵即可产生1500W 电炉所制热量。

热泵技术目前存在的主要缺陷是需要消耗高品味能源，氟氯昂类工质应用较多，热效率会随温度下降而降低。

未来重点
是开发新型工质和采用更有效的循环方式，
以改善热泵在不同·43·广州化工2011年39卷第23期
温度下的操作灵活性，提高余热回收效率。

1．2制冷技术
与热泵原理类似，制冷也采用逆卡诺循环形式进行能量转换，包括冷凝、蒸发、吸收等循环过程。

该技术尤其适用于夏季高温作业时遇到的余热回收情况，可以有效提高装置冷却效率，减少空调、电扇等使用，轻松实现热能、电能的双节约。

制冷所采用工质主要有两类：氨/水和溴化锂/水。

前者以氨作制冷剂，水为吸收剂，利用液态氨汽化吸热使周围环境温度急剧降低的特性制冷，对热源温度要求不高，只要低于200ħ即可（一般为80 90ħ），但热力系数较低，工程应用不广。

周湘江［12］提出了一种双效氨水吸收制冷流程，可将热力系数提高两倍达1．0左右。

溴化锂/水制冷以水作制冷剂，溴化锂作吸收剂，借助于溴化锂的强效吸水性，为水的蒸发创造低压（真空）环境。

但由于水蒸发性能局限，一般只能制得5ħ以上冷量，好在其性能系数较高，所以应用比较普遍。

麋华等［13］发明了一种蒸汽双效溴化锂吸收式制冷机组，可以使机组效率提高10%以上，有效降低了高温再生器负荷。

目前余热回收制冷技术有待进一步提高其制冷性能系数，开发对环境无污染的多效新型制冷系统，如采用两级压缩或者多级压缩复叠式制冷循环。

1．3低温余热发电技术
低温余热发电是一种高效节能技术，其原理是利用装置余热（60 170ħ热水、200 300ħ废热烟气等）加热水，使之成为高压高温水蒸汽带动汽轮机或膨胀机做功，驱动发电机发电。

该技术高效、环保，能最大程度地实现企业低温余热的回收利用。

低温余热发电常见有汽轮机式和螺杆膨胀机式，主要涉及两种动力转换方式—朗肯循环［14］和卡林纳循环［15］。

余热发电技术经济效益明显，粗略估计，一条日产5000t水泥熟料生产线每天利用余热发电可达21 24万度，解决约60%的熟料生产自用电。

文献［16］调查研究发现，利用烧结冷却机低温余热进行发电，在6000kW配置容量及3000万元工程投资的前提下，年发电收入约1980万元，年纯收益估算1626万元，初投资回收期＜2年。

该技术今后研究重点是如何拓展应用，扩大实施。

1．4热管技术
热管［17－18］是1963年美国国家实验室发明的一种传热元件，由金属管内灌充导热介质并抽成一定真空后密封而成，其工作原理是利用密闭管内工质的蒸发与冷凝进行热量传导，工质在加热段汽化，吸收大量汽化潜热，并通过热管将热量快速传递到热源外。

由于多数工质潜热巨大，很少蒸发量便可转移大量热能，传热效果显著，可在两端温差很小（10ħ左右）的情况下进行高效传热。

目前热管技术应用形式主要有：热管换热器、热管蒸汽发生器、热管热风炉等。

利用热管回收低温余热，在温差不大的情况下，无需任何辅助动力便可将低温余热及时“转移”而供继续生产之用。

使用热管降低烟气排放温度，可以轻松将200MW的锅炉机组排烟温度降低25ħ，回收余热达3．0ˑ104MJ/h之巨［19］。

以锅炉热管技术为例［20］，按热管省煤器平均寿命为6年及国家2005年对钢铁企业吨钢750kg标煤的能耗要求，在年运行时间7000h的前提下，可估算其广义节能约1032t标煤/a。

目前热管技术主要存在相容性、积灰和露点腐蚀问题，需要通过改进结构、合理规划壳程流场及温度场分布，以进一步提高运行安全系数。

1．5变热器技术
变热器又称第二类吸收式热泵，可借助介质热力性能的变化从低品位热源（如60 100ħ废热水）中获取中品位热量，理论温升最高可达120ħ左右，具有能耗低、安全可靠以及使用寿命长等优点。

常见换热器有板式、管式、容积式以及浮头式等多种，其工作过程可以看作是正、逆两个卡诺循环的组合，使一部分余热通过热交换升温，另一部分则被冷却至环境温度后排出。

目前变热器实际应用最多的是以溴化锂/水为工质的系统（氨/水系统的高压运行环境使应用受限），由于淘汰了CFCS和HCFCS等会破坏臭氧层的工质类型，减少了温室效应发生。

利用变热器技术进行低温余热回收，可以将50 100ħ废热转变成中品味可用热源，最高输出温度可达150ħ，而继续制取200ħ以上热能则比较困难［21］。

以往变热器技术局限在用废热量供应较足的中温余热制取高温位热量的场合，在低温余热回收方面热效率较低，实际应用价值不明显，因而一直未得到更加深入的研究。

但当今能源、环境的新形势迫切需求开发更加高效的变热器技术，笔者认为可以从改善工质传热性能、减少工质循环阻力入手等方面入手，积极拓展双效和多级吸收式变热器应用，设法减少投资费用。

除上述几种低温余热升级利用技术外，真空蒸发技术也有见报道［22］，真空蒸发是引自国外的一项先进低温余热回收技术，原理是根据溶液沸点随外压减小而降低的性质，使得蒸发在低于100ħ的温度下进行，排除了热源的温度限制，拓宽了其选择性。

将几种技术进行分析比较，得表1。

表1常见低温热升级利用技术比较
名称技术特征余热回收情况技术进展投资回收期文献
热泵通过做功，将低级热直接变
为高级能
热效率高，可将低温余热升
温90ħ
技术比较成熟，应用较广数月4，23，24
制冷以较低品味余热为热源，靠
工质相变制冷
可获得－60 10ħ温度范围
冷量，温降达100ħ
技术比较成熟，应用较广数月25－27
余热发电针对大规模集中低温余热的
回收利用技术
热效率80%以上，可使发电
机增加20%的发电量
技术较成熟，钢铁、水泥工业
应用最广
≤1年28
热管靠优越的导热性能进行热回
收
热效率最高可达98%，余热
温升80 90ħ
技术较成熟，应用逐渐扩大数月29－31
变热器类似热泵，主要靠废热驱动，
高级能消耗少
可回收50%低温余热，余热
温升可达80ħ
技术有待进一步开发，工业
应用尚在起步阶段
1．5 2年32－35
由表1可知，几种余热升级利用技术各有优势和不足，如果可以综合起来，取长补短，将会大大提升能量利用效率。

·
53
·
2011年39卷第23期广州化工
笔者认为可以考虑组合技术以保证余热的彻底回收。

通过
装置之间合理搭配以及技术之间的相互配合，构建系统余热回
收流程。

以120ħ低温热回收利用为例，
理论框架如图1。

图1低温热回收技术组合示例
由图1可知，通过打破单元界限，根据余热能级高低合理安
排装置组合，在不同升级利用技术之间进行有效搭配，可以轻松由120ħ低温余热制取200ħ以上高、中温位热量，不仅确保了
热能的逐级和循环式利用，
还大大增强了系统操作灵活性。

实施组合技术首先要从全局出发，熟悉系统余热分布情况，初步建
立余热回收流程；其次按照“温度对口、梯级利用”原则，利用夹
点技术
［36－38］
估算流程相关参数；最后，在有充足技术经济可行性保证基础上，
进行装置的串级或并列式科学组合。

2结语
低温余热升级利用技术由于具有一定的技术难度，普遍存在投资成本高、
风险大等问题，其大规模应用还有很长一段路要走。

对一些较常见的项目，如热泵、制冷等，需进一步完善其技术流程，降低应用成本，实现系统热能利用最优化；对应用领域
逐步扩大的一些项目，
如热管、余热发电等，要再接再厉，巩固其实施；对那些仍需提升技术水平的项目，如变热器和真空蒸发，要加大研发力度，以早日实现大规模工业应用。

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