我国余热利用现状与技术进展

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摘要：介绍了我国在工业生产中余热资源利用的基本现状,探讨了各种余热利用技术的进展,分析了水泥窑、工业炉余热利用等方面存在的主要问题,为科学合理地进行余热利用提出了相关建议。

前言

在工业生产中,使用着各种窑炉,如回转窑、加热炉、转炉、反射炉、沸腾焙烧炉等。这些窑炉都耗用大量的燃料,它们的热效率都很低,一般只有30%左右,而被高温烟气、高温炉渣、高温产品等带走的热量却达到40%～60%,其中可利用的余热在冶金方面约占燃料消耗量的三分之一,机械、玻璃、造纸等方面占15%以上。

节能减排是我国经济和社会发展的一项长远战略方针,也是一项极为紧迫的任务。回收余热降低能耗对我国实现节能减排、环保发展战略具有重要的现实意义。同时,余热利用在对改善劳动条件、节约能源、增加生产、提高产品质量、降低生产成本等方面起着越来越大的作用,有的已成为工业生产中不可分割的组成部分。自上世纪六七十年代以来,世界各国余热利用技术发展很快。目前,我国的余热利用技术也得到了长足进步,但是与世界先进水平还有一定的差距,有一部分余热尚未被充分利用,有一部分余热在利用中还存在不少问题。

1、余热利用概述

余热属于二次能源,它是一次能源和可燃物料转换过程后的产物,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。一般分成下列七大类:高温烟气余热、高温蒸汽余热、高温炉渣余热、高温产品余热(包括中间产品)、冷却介质余热、可燃废气余热、化学反应及残炭的余热、冷凝水余热等。常见的余热利用方法主要有:余热锅炉、热水法、预热空气、烟气-流体换热器、加工物料等。

由于使用的生产方法、生产工艺、生产设备以及原料、燃料条件的不同和工艺上千变万化的需要,从而给余热利用带来很多困难。一般说来余热热源往往有以下特点:

(1)热负荷不稳定。不稳定是由工艺生产过程决定的。例如:有的生产是周期性的,有的高温产品和炉渣的排放是间断性的,有的工艺生产虽然连续稳定,但热源提供的热量也会随着生产的波动而波动。

(2)烟气中含尘量大。如氧气顶吹转炉烟气中的含尘量达80～150g/m3、沸腾焙烧炉150～350g/m3、闪速炉80～130g/m3、烟气炉80～160g/m3,含尘数量大大超过一般的锅炉。同时烟尘的物理、化学性质也特别恶劣,尤其是炉烟温度高、含尘量大时,更容易粘结、积灰,从而对余热回收的设备有可能产生严重磨损和堵塞的后果。表1和表2示出了几种典型工业过程中余热烟气成分、灰尘浓度、烟尘化学成分的分析数据。

(3)热源有腐蚀性。余热烟气中常常含有二氧化硫等腐蚀性气体,在烟尘或炉渣中含有各种金属和非金属元素,这些物质都有可能对余热回收设备造成受热面的高温腐蚀或低温腐蚀,参见表2。

(4)受安装场所固有条件的限制。如有的对前后工艺设备的联接有一定的要求,有的对排烟温度要求保持在一定的范围内等。这些要求与余热回收设备常发生一定的矛盾,必须认真研究统筹解决。

2、我国余热利用的现状

据统计,截至2005年底,我国运行的各种工业炉约有95万台,能耗占全国工业总能耗的35%以上,其中有大量的余热仍没能被充分利用。例如,冶金行业中可利用的余热约占其燃料消耗量的1/3,建筑材料约占40%,机械制造加工业约占15%,化工、玻璃、搪瓷业占15%以上,造纸、木材业占17%;纺织业约占10%。下面就几个高能耗行业的余热利用现状展开论述。

2.1水泥窑余热利用

利用纯低温余热发电技术来回收水泥窑余热,已经在水泥行业内被广泛采用,并作为我国“十一五”十大重点节能工程之一的余热余压利用工程被推广。经中国水泥协会初步统计,2008年全国新型干法水泥生产线总投产120条新线,新增水泥熟料产能14334.4万吨,其中6000t/d生产线6条,5000t/d生产线66条,3000t/d生产线5条,其它生产线43条。加上2008年之前已有的新型干法水泥生产线,截至2008年底,全国共有新型干法水泥生产线922条,熟料产能75686.4万吨。国家发改委制定的“十一五”发展目标是:2010年水泥预期产量在12.5亿吨,其中新型干法水泥比重提高到70%,新型干法水泥吨熟料热耗由130kg下降到110kg标准煤,采用余热发电的生产线达40%。截至2008年6月,全国水泥行业在新型干法水泥生产线上已经配套建设各种类型的纯低温余热电站约186座(包括已经投产运行和正在建设的),形成年余热发电量98亿度的能力,相当于年节约380万吨标准煤、减排二氧化碳980万吨。

新型干法水泥窑余热烟气一般为400℃以下的废气:一部分是窑尾预热器产生的高粉尘(70～100g/m3)浓度的窑尾烟气;另一部分为窑头冷却熟料的低粉尘(～30g/m3)浓度的窑头烟气。根据水泥窑生产工况的特点,烟气排气量和温度均有较大的波动范围,同时排出的烟气中含有一定量的粉尘,窑尾排出的烟气粉尘主要是生料,磨砺性不强,但有一定的粘附性,容易在余热锅炉受热面上沉积形成沾污,降低传热系数;而窑头废气中的粉尘主要是熟料颗粒,烟气成分接近空气,但其磨砺性较强,容易使余热锅炉受热面产生磨损。

2.2冶金行业余热利用

冶金企业属于耗能型企业,其能耗占全国能耗的10%左右,占工业部门能耗的15%左右,能源费用占企业生产总成本20%～30%。由于能源生产的增长速度尚难以适应国民经济发展的要求,能源价格的上升和波动已经对冶金企业的生存和发展构成了挑战,节能降耗已经成为冶金企业长期的战略任务。冶金企业从原料、焦化、烧结到炼铁、炼钢、连铸以及轧钢的生产过程中产生大量含有可利用热量的废气、废水、废渣,同时在各工序之间存在着含有可利用能量的中间产品和半成品。充分回收和利用这些能量,是企业现代化程度的标志之一。

目前,冶金企业常用的余热利用方式有:安装换热器、余热锅炉、炉底管汽化冷却、冷热电联产等,回收后的热量主要用于预热助燃空气、预热煤气和生产蒸汽。国内冶金企业换热器的发展趋势是:换热器的型式由简单的低效型走向强化传热的高效型,热风温度一般在300℃以上(比过去提高了80～100℃),出换热器的烟温由过去的400～500℃降低到250～400℃。以宝钢钢铁股份有限公司为例,其主要的余热回收技术有:干熄焦(CDQ)发电技术、烧结余热回收技术、高炉余压发电技术、副产煤气回收技术、热送热装技术、加热炉汽化冷却技术、炉窑烟气余热回收技术等。十年来,该公司余能回收量大幅提高了86%。

2.3其他行业余热利用

建筑陶瓷行业消耗的热能中,主要集中于干燥和烧成工序,它们的能耗占整个企业能耗的80%以上。其中,约有61%用于烧成工序,干燥工序能耗约20%。我国陶瓷行业的能源利用率为28%～30%,而发达国家的能源利用率一般高达50%以上。建筑陶瓷企业的窑炉所产生的烟气带走的热量是巨大的,而目温度较高可达400～500℃,占窑炉总热量的25%～35%,喷雾塔所产生的烟气和水气热能虽然温度较低(80～120℃),但热量巨大。人们对这部分余热利用已经重视起来,目前已经逐渐开始推广利用窑炉余热直接加热干燥坯体或喷雾泥浆、在换热器中用烟气余热加热助燃空气和气态燃料、设置余热锅炉生产蒸汽以及用于冷热电联产。

此外,余热利用在玻璃窑工业、硅冶炼工业等行业中也日渐得到重视,出现了与生产相结合的余热利用的方法。

3、余热利用的技术进展

3.1水泥窑纯低温余热发电技术

图1示出了5000t/d新型干法水泥生产线余热发电工程系统图。一般一条生产线设置2台余热锅炉,分别称为窑头余热锅炉(AQC)和窑尾余热锅炉(SP)。水泥窑余热发电技术大致经历了中空窑高温余热发电、预热器及预分解窑带补燃炉的余热发电、带预热器及预分解窑的纯低温余热发电3个发展阶段。纯低温余热发电系统是在带补燃锅炉的低温余热发电技术基础上发展起来的,通过十几年来众多生产线余热锅炉的运行实践,我国几大设计院和制造厂初步摸索和掌握了水泥窑余热锅炉结构设计和性能设计的原理,解决了锅炉漏风、积灰、磨损、腐蚀等运行中曝露出的问题,为目前全面开发纯低温余热发电技术奠定了可靠的基础。目前国内余热发电技术要采用单压、双压、闪蒸等3种热力系统,在相同烟气参数条件下,按照技术经济的观点,这3种系统中,单压系统发电能力较低,双压系统发电能力较高,而闪蒸单级补汽系统其发电能力介于两者之间。

水泥窑纯低温余热发电技术主要是利用预分解窑系统中窑尾预热器排出的废气余热及窑头熟料冷却机排掉的废气余热。根据废气温度和废气量的不同,余热发电系统的余热发电能力也不同,对于水泥熟料产量从700t/d到5000t/d,甚至达到10000t/d的生产线,其余热发电系统单台机组发电功率为4500～24000kW不等。当窑尾预热器排出的废气温度为350～430℃、窑头熟料冷却机排掉的废气温度为200～380℃时,通过余热锅炉回收其中的余热产生温度为330～400℃、压力为1.25～2.45MPa一定流量的过热蒸汽,驱动汽轮机发电,同时产生低压饱和蒸汽作为补汽进入汽轮机。表3给出了某实际使用的2500t/d规模水泥窑生产线中采用的窑头和窑尾余热锅炉的规范参数。

以下是我们在广泛调研国内众多运行的水泥窑低温余热发电系统后,对我国目前低温余热发电系统及余热锅炉技术的评价:

(1)基于节能经济性,选择纯低温余热发电作系统;

(2)基于提高发电能力,选择双压(补汽)的发电系统;

(3)基于提高蒸汽出力,选择立式的减少烟道漏风的余热锅炉结构;

(4)基于减少积灰和提高传热能力,选择横向冲刷错列管束和机械振打清灰技术;

(5)基于烟尘磨损考虑,选择比较低的烟气流速;

(6)基于提高传热系数,提高蒸汽产量,对烟尘含量低的AQC炉选择螺旋翅片管;

(7)基于减小漏风系数,选择立式余热锅炉结构和双层金属护板;

(8)基于立式余热锅炉结构布置需要,选择水平布置的蒸发管束;

(9)基于传统的制造工艺,选择蛇形管束受热面。

3.2工业炉余热利用技术

工业炉余热利用的技术主要有:安装换热器或采用蓄热燃烧技术,预热助燃空气或煤气,安装余热锅炉加热热水或产生蒸汽,预热被加热的物料。充分回收余热,节约燃料。一般助燃空气温度每提高100℃,可节约燃料5%。通过预热空气、燃料或工件,使烟气余热加热空气返回炉内,可使火焰稳定、提高燃料温度和燃烧效率和设备热效率,节能效果更好。

生产蒸汽的余热回收设备主要是余热锅炉和汽化冷却装置。有条件的企业应设置余热锅炉,不过有时使用余热锅炉并不合算,因为余热锅炉属于低温炉,可以而且应当使用低品质的热源,高温炉的烟气余热应当回到高温炉内,以节省高品质燃料。

(1)针对烟气和热风的保温差,采取措施充分保存与回收余热的排烟,使余热回收装置前的烟气热损失和回炉热风的显热损失分别降到5%和3%左右。而之前由于烟气从炉膛冒出、吸入冷风,地下烟道漏水、漏气,旁通烟道短路和管道绝热不良,使多数锅炉在回收装置前的烟气热损失高达30%～50%,回炉热风的显热损失为20%～33%。

(2)针对排烟温度高和换热器能力小。目前已经开发出了各种高效经济的换热器和能使用全热风的燃烧装置,回收后烟温可下降到180～250℃,不再需要安装价格昂贵而利用率不高的余热锅炉,使炉气余热从炉外回收转到炉内回收的方向来,并提出了“余热全自回收”的新概念,即设法降低排出的烟温和烟量,并使余热回收过程中的各项热损失减少,然后通过高效换热器将余热最大限度地回收并全部送入炉内。

3.3余热锅炉技术

余热锅炉是利用工业生产过程中的余热来产生蒸汽(热水)的设备,过去也称为废热锅炉,燃气—蒸汽联合循环发电过程余热锅炉称为热回收蒸汽发生器(HRSG)。文献《工业锅炉技术创新与发展思路探讨》总结了近年来余热锅炉技术的最新进展和创新思路,主要有以下几点:

(1)采用理论分析和参数优化的研究方法进行余热锅炉本体热量分配、工质参数优化和余热锅炉整体布置选型研究,该研究将决定余热锅炉应达到的设计目标。

(2)采用试验研究的方法研究粉尘的物理、化学和外部工作过程特性,采用数值模拟的方法进行通流结构的优化研究;采用试验研究的方法进行热交换受热面结构设计及传热、阻力特性研究。主要研究粉尘颗粒特性,粉尘沉积、污染特性,磨损及防磨技术,粉尘预分离技术,清灰及除灰技术,受热面及通流结构密封设计,高效传热元件设计,并对高效传热元件的换热、阻力特性进行研究。

(3)研究余热锅炉本体设计所必须的热力、水循环、烟风阻力计算方法并编制相关的计算机辅助设计计算软件。

(4)采用理论分析和优化设计的研究方法研究余热锅炉对生产工艺系统取热参数在变动工况下的适应性以及对热工参数的影响机制,并在余热锅炉方案设计的基础上对余热锅炉方案进行技术经济比较,为系统设计出能够实现提高蒸发量和余热废气利用效率为总体目标的余热锅炉。

3.4具有相变换热的余热利用技术

在使用过程中,气体燃料和液体燃料燃烧后的烟气中均含有10%以上的水蒸气,一直以来,为了避免水蒸气在尾部受热面产生冷凝造成尾部受热面的低温腐蚀,排烟温度一般在170℃以上。烟气中水蒸气所含的汽化潜热随烟气通过烟囱一同排入大气,造成了能源的大量浪费。

以天然气为例,目前国内运行的传统燃气锅炉其排烟温度一般在150～250℃。燃烧后烟气中将生成约20%(体积份额)的水蒸气,理论上每立方米天然气燃烧可生成1.5kg水蒸气,而每千克的水蒸气在20℃完全冷凝释放的汽化潜热为2453kJ。这样,每立方米天然气燃烧生成的水蒸气将含有约3.6MJ的热量,相当于1kWh。如果能够回收烟气中的汽化潜热和物理显热,能源利用效率可以提高10%以上,同时,冷凝液还可以吸收烟气中的有害气体(SO2、NOx等)和微粒,具有良好的环保效果。

长期以来,由于受燃气价格的影响,燃气装置特别是燃气锅炉的运行费用偏高,因此降低热损失,提高热效率也成为急需解决的问题。表4是把烟气温度从220℃降低到不同的温度后回收的显热和潜热热量以及热效率增益,复合换热节能的潜力是巨大的。

目前相变换热烟气余热利用的途径主要还是集中在冷凝式锅炉方面。所谓冷凝式锅炉主要是指通过冷凝锅炉烟气中的水蒸气,使其释放汽化潜热,降低排烟温度,减小排烟热损失,从而提高锅炉热效率的一种热交换设备。常规锅炉将烟气中大部分显热传递给水或蒸汽,而冷凝式锅炉不仅将更大一部分显热传递给水或蒸汽,而且还吸收了部分烟气中的水蒸气冷凝后释放的汽化潜热。因此冷凝锅炉充分利用了烟气的显热以及烟气中水蒸气的汽化潜热,将锅炉排烟损失降到最小,从而最大程度地利用了锅炉排烟中的热量。相对于常规锅炉,锅炉效率可提高10%以上,节能潜力相当可观。除了提高热能利用率外,烟气冷凝过程中,烟气中的气体组分被冷凝水吸收或者反应,使得排烟中有害气体SOx和NOx含量减少。随着人们节能和环保意识的增强,人们越来越重视烟气冷凝在节能和环保上的作用,冷凝式锅炉的发展十分迅速。

3.5热管技术

热管是一种依靠自身内部工质相变实现传热,具有很强导热性能的传热元件,它源于美国上世纪60年代在地球卫星上成功运用。热管是由钢、铜、铝管内灌充导热介质,并抽成一定的真空后密封而成。管内的工质由多种无机活性金属及其化合物混合而成,具有超常的热活性和热敏感性,遇热而吸,遇冷而放。这种热超导工质在一定温度下被激活,并以分子震荡相变形式来传递热量,传导温度没有衰减并能以极快的速度传递(音速传递)。热管因其独特结构和相变传热机理,具有如下特点:

(1)安全可靠性高。不存在管内超压,不怕干烧,因液体工质汽化后,热管的内压不随温度变化而变化,而且热管余热回收器是二次间壁换热,与常规的换热设备一般都是间壁换热不同;

(2)导热性强。导热速度快、强度大、效率高(传热效率达98%以上),节能效果明显;

(3)等温性好。传热阻力小,在很小的温差下,传递很大的热通量;

(4)热流密度可变性。热管可以独立改变蒸发段或冷却段的面积;

(5)环境的适应性强。受环境的限制相对常规换热设备小,通过适当的热流变换把热管管壁温度调整在低温流体的露点之上,从而可防止露点腐蚀。同时热管在导热时会产生自振动,使灰不易粘附在管壁和翅片上,不易堵灰;热管可根据环境的需要而设计;

(6)使用寿命长、应用领域广。使用寿命在10年以上,单根热管可拆卸更换,维护简单、成本低,超导热管形状具有更大的灵活性,更广泛的应用领域,能适应各种恶劣的工作环境。

3.6基于其他工质的余热利用技术

常规的余热利用技术主要是基于水-水蒸汽的循环系统,一些新型余热利用系统采用的工质还可以为低沸点工质、混合工质。例如,在低沸点有机物朗肯循环(ORC)发电系统中,换热器将余热传给蒸发器,有机工质蒸发成符合工作参数的蒸气进入汽轮机做功带动发电机发电,做功后的工质在冷凝器中冷凝,通过循环泵回到蒸发器实现工质的循环;在以氨水混合物为工质的Kalina循环系统中,工质变温蒸发,减少工质吸热过程的不可逆性,冷凝温度变化较小,减少了混合工质在冷凝过程中的不可逆性,抑制了混合工质在动力循环冷端部分的不利因素,同时实现了在较低压力下工质完全冷凝;在以多种混合物为工质的新型动力制冷复合循环中,复合了朗肯循环和吸收式制冷循环,达到了制冷和电力输出的双重效果,可以用于电站循环的底循环,或其它低温热能利用场所。

当利用低温有机工质时,主要设备有:蒸发器、汽轮机、冷凝器和有机工质循环泵。对低等及中等的焓热,ORC技术比常规的水蒸气朗肯循环有很多优点,主要是在回收显热方面有较高的效率,由于循环中显热/潜热比例不相等,ORC技术中此比例大。因此采用ORC技术比水蒸气循环会回收较多的热量。上述显热/潜热比例不同,可由图2的T-S图得到。

4-1过程:锅炉及过热器中的等压加热过程,其中:(4-5)段,由未饱和水等压预热成饱和水;(5-6)段,再等压等温汽化为饱和蒸汽;(6-1)段再等压加热成过热蒸汽。

1-2过程:过热蒸汽在汽轮机中的绝热膨胀过程,工质对外做功。

2-3过程:在冷凝器中的等压放热凝结过程。

3-4过程:水在给水泵内的绝热压缩过程,在T-S图上,3、4两点几乎重合。

从T-S图上可以看到,当有机蒸气在汽轮机中膨胀时,它趋向过渡或变得更干燥些,而水蒸气则在膨胀过程中变得更潮湿。因此,有机蒸气进入汽轮机前不需要过热。

在过去四十余年中,国内外针对有机朗肯循环工质已经开展了广泛的理论分析和实验研究,还进行了相应的工程实践。例如,我国在1993年底建成的那曲地热电站,装机容量为1MW,采用以色列奥玛特ORMAT公司的双工质有机朗肯循环机组系统,热源温度为110℃,有机工质采用异戊烷。又如,1999年德国海德堡水泥集团采用ORMAT公司的技术在德国的Lengfurt水泥厂3000t/d的生产线上,建成了世界首座水泥厂ORC纯低温余热发电站。该系统热源温度为275℃,有机工质采用正戊烷。ORC技术在工业炉上的应用见表5,此技术所利用的热源温度最低达104℃。

3.7火力发电厂余热利用技术进展

对于火力发电厂来说,排烟热损失是电站锅炉各项热损失中最大的一项,一般在5%～12%。一般情况下,排烟温度每升高15～20℃,排烟热损失增加1.0%。我国许多电站锅炉的排烟温度实际运行值都高于设计值20～50℃,某些机组甚至达到180℃以上,大幅度降低排烟温度将极大地提高电站锅炉的经济性。

近些年来,国内一些研究机构经过努力,在国内一些电厂成功设计安装了余热回收利用系统,为电厂带来了良好的经济效益,但是由于各种原因,火电厂的排烟温度仍然居高不下,排烟温度偏高是一个普遍现象,大量的排烟余热可以予以利用。

另一方面,随着火力发电厂抗硫酸露点腐蚀钢的使用,湿法脱硫技术的成熟和广泛使用,将现役的按正常设计130～150℃运行的火电厂的电站锅炉排烟温度进一步降低的技术条件已经成熟。通过回收电站锅炉排烟余热,电站锅炉热效率提高3%～4%;一般排烟余热可从130～150℃降低到90℃左右,可将60℃的凝结水提高到80℃左右,用该热水可提高空气温度40℃左右,一般可以将电厂效率提高0.6%以上;每度电的发电煤耗可以降低2g左右,单机容量为1000MW的火力发电机组每年可节约煤炭17520t。

从能源利用角度看,火电厂余热资源巨大,如果加以回收利用,不仅可以降低排烟温度,回收烟气余热,提高锅炉效率,还可以增加机组出力,提高电厂系统效率。

3.8其他技术进展

(1)工业燃气轮机技术。燃气轮机循环吸热平均温度高,纯蒸汽动力循环放热平均温度低,把这两种循环联合起来组成燃气-蒸汽联合循环显然可以提高循环热效率。高炉煤气等低热值煤气燃气轮机联合循环发电(CCPP)技术是充分利用钢铁企业高炉等副产煤气,最大可能地提高能源利用效率,发挥煤气-蒸汽联合循环优势的先进技术,该技术用高炉煤气作燃料,热电转换效率从朗肯循环的30%～38%提高到45%。

(2)余热热水的利用技术。余热热水可以重新作为生产工艺用水或产生蒸汽作为生活用水,也可以通过热泵、制冷系统、低沸点工质动力系统等办法加以利用。

4、讨论

4.1水泥窑余热利用存在的问题

我国水泥企业余热发电主要存在以下3方面的问题:

(1)水泥企业余热发电与电力行业相协调的问题。这需要政府相关部门和企业加强这方面的协调,在税收、投资、法规政策等方面有所作为。

(2)技术装备国产化、降低造价、提高热效率增加发电量的问题。由于纯低温余热发电技术中烟气进口温度水平低,传热温差小,烟尘性质特殊,要保证获得稳定的热工性能,就必需细致而精确的设计。但是目前缺少烟气进口飞灰预分离和进出口流场的均匀化结构设计方法,缺少更加科学有效的水循环结构设计方法,缺少烟尘颗粒运动和受热面外部冲刷过程特性的基础研究,缺乏余热锅炉本体结构的设计创新,缺乏优化发电系统的理论指导等。

(3)水泥生产技术与余热发电技术相融合的问题。由于学科研究的差别,水泥窑生产和余热锅炉发电两大系统之间缺乏系统的整体优化。

4.2工业炉余热利用的原则

工业炉余热利用技术经过多年实践和发展,已经逐渐使我们认识到,必须根据余热种类、介质温度、数量及利用的可能性来确定使用回收利用设备的类型及规模。其总的原则是:

(1)遵循能量梯级的原则,高温余热要优先用于需要高温的设备,减少能量转换次数;

(2)余热回收后应优先用于本系统设备,降低一次能源消耗;

(3)加强回收后的保温措施,安全措施要齐备,确保发生意外事故时不影响本工艺的正常生产。

4.3循环工质的选择

循环工质(特别是一些新的环保型工质)的选择是余热发电技术研究的重要内容。如何选择工质使其技术可行、经济性好,并且符合环保要求,是余热发电技术的重要问题之一。首先从技术可行性角度讲,其最重要的因素就是工质在循环过程中的压力不能过高,也不能太低,必须在装置抗压性和密封性允许的范围之内。另外,工质需尽量选择干性工质,以保证透平工作的安全性。其次从经济性角度讲,主要从系统的效率因素考虑,系统的效率尽可能高。不同的有机物工质主要通过以下3个方面来影响系统的效率:

(1)工质热物性影响整个系统的循环特性;

(2)工质的传热特性影响换热器换热特性以及在其它部件中的换热损失;

(3)工质的流动特性影响系统的流动损失。

从环保角度,工质应该是环境友好的,包括对臭氧层没有破坏作用,且温室效应低。评价工质的环保性质主要有两个指标:分别是臭氧层衰减指数(ODP)和温室效应指数(GWP)。上世纪七八十年代建造的大量低温热能电站系统,大多是采用各种CFC(指含氯、氟、碳的完全卤代烃)等对环境有破坏的有机物工质,如今将被大量淘汰。今后应尽量选择环保的HFC(含氢、氟、碳的不完全卤代烃)。另外,工质选择还需要考虑以下一些因素:传热性和流动性、化学稳定性和热稳定性、毒性、价格等。特别还需要注意工质可燃性,应该尽量采用不可燃的工质,以使系统更具安全性。

4.4余热利用的建议

从技术方面看,高温余热利用技术经过多年的发展已比较成熟,一些成功的案例也表明其经济效益比较明显,但潜力巨大的中低温余热利用技术尚需进一步发展。另外,由于信息传播渠道及企业缺乏资金等问题,制约了余热利用技术的大量推广。一方面,高耗能企业缺少正确认识这些节能技术和利用清洁发展机制(CDM)、合同能源管理(EPC)等先进机制推进实现技术进步的机会;另一方面,国内外先进技术服务商也无法了解这些企业的情况。针对上述余热利用技术推广过程中的问题和障碍,提出如下建议:

(1)建议通过开展余热资源调研、收集汇编国内外相关先进技术、方法、先进的管理机制及案例等方式加强信息传播,并加强中低温余热利用技术的研究,促进余热技术的广泛应用。

(2)由于技术难度较大、投资回收期较长、经济性不明显等原因,企业在利用中低温余热时积极性不高。但中低温余热利用节能潜力巨大,建议给予企业财政、税收上的支持和优惠。

(3)中低温余热利用项目投资一般较大,在企业资金不充裕的情况下无法开展。而中国目前的节能服务公司(ESCO)多数为中小型公司,在投资项目时主要考虑总投资和投资回收期,不利于中低温余热的利用。建议国家支持组建大型ESCO公司。

(4)建议有余热利用潜力的企业和ESCO公司进行EPC项目时,尽量做到将多种用能系统综合考虑,整体改进,并注重自动控制系统的精细化使用。

5、结论

本文在对我国余热利用现状分析的基础上,分析了近年来余热利用的主要技术进展,包括水泥窑纯低温余热发电技术,工业炉余热利用技术,余热锅炉技术,具有相变换热的余热利用技术、热管技术等,剖析了一些行业在余热利用中存在的问题,提出了余热利用技术的原则和建议。

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