0我国工业余热利用现状

0我国工业余热利用现状我国工业余热利用现状

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。这些余热能源经过肯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、环保进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。依据佘热的温度范围，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进展阶段,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，造成了巨大的能源铺张。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

3.1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像，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汲取热量,生成具肯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,凝聚成液态,最终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

3.1.2有机工质朗肯循环发电系统的特点

有机工质朗肯循环采纳有机工质（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讨论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，但将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。

3.2有机工质朗肯循环发电系统国内外讨论案例

国内外对于低温热能利用的讨论主要开头于20世纪70年月的石油危机时期。其中，有机物朗肯循环的讨论和应用最为广泛。早在1924年，就有人开头讨论采纳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14000kW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。清华高校柯玄龄、梁秀英等在这方面进行了深化系统的讨论,并研制出产品,应用于工程实践。近年来,浙江高校、上海交通高校习等主要对有机工质和热力循环进行了肯定的讨论，但总体来说国内对有机朗肯循环系统的讨论和应用工作较少，所以开展这方面的讨论工作是很有意义的。

国内外对低温余热朗肯循环系统做了大量的讨论，其讨论案例见表4.1，

表3.1国内外低温余热回收有机介质循环发电系统的讨论案例

从表4.1里可以看出，目前国内外对低温余热发电的有机朗肯循环系统的理论讨论许多，并且着重在烷烃类工质对循环系统的讨论较多，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循环的效率而得到讨论者关注。

3.3有机工质朗肯循环发电系统国内外应用案例

国外ORC系统动力回收讨论开展较早，上世纪初始，美国和日本就开头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,也进行了大量的讨论工作,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，以色列始终在研发及制造低温热源的有机朗肯循环(0rganicRankineCycle，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4.2，

表3.2国内外低温余热回收有机介质循环发电系统的应用案例

从表4.2可以看出，国内外对余热发电的实际应用都在相继绽开。将来余热发电是节能的一个大趋势。国外ORC技术已胜利商业化，涌现出很多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、三菱等闻名叶轮机械设计制造企业也成立了特地的ORC公司。

3.4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，必需用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。这种状况下和采纳标准煤生产相比，能够节省1.3万吨的煤，削减约2.2万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吨熟料的发电力量能够达到26.5kWh。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，外界购电价格根据0.5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11.5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1kW.h，每年根据7000h计算，则年发电量为70000kW.h，电价按0.5元计算，年经济效益可达35万元，相当于削减CO2排放量650t，经济和环保效益显著。

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著。估计，到2024年，我国余热余压发电要实现新增装机2000万千瓦。根据每千瓦造价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：当然纯低温余热发电系统的投资特别高，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

4.1热泵技术的原理

热泵就是在两个热源之间工作，消耗肯定的功（W），使低温热源供应热量（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。

热泵也许分两类：一是蒸汽压缩式；二是汲取式，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，此时从低温位处汲取热量，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，压力连续下降，低压液相工质流入蒸发器，由于沸点低，因而很简单从四周环境汲取热量而再蒸发，又形成低温低压蒸汽，依此不断地进行重复循环。

汲取式热泵是利用工质的汲取循环实现热泵功能的一类装置，它采纳热能直接驱动，而不是依靠电能、机械能等其他资源。溴化锂汲取式热泵机组回收利用低温热源(如废热水)的热能，制取所需的工艺或采暖用高温热媒，实现从低温向高温输送热能的设备，它以低温热源为驱动热源，在采纳低温冷却水的条件下，制取比低温热源温度高的热媒。它与第一类溴化锂汲取式热泵机组的区分在于，它不需要更高温度的热源来驱动。但需要较低温度的冷却水。

4.2热泵技术的特点

我国很多行业对热源的需求温度多集中在75~200℃之间，且存在着低温余热大量铺张的状况，可以把热能由低温位热源转移到高温位热源的中高温热泵技术有着巨大的应用空

间。对高温热泵的讨论多集中在相宜工质的选择和制热效率提高这两个方面。对高温热泵的讨论多集中在相宜工质的选择和制热效率提高这两个方面。

全世界有超过1.3亿台热泵机组在正常运行,总供热量超过了4.7E+10GJ/年,目前,工业热泵主要应用在酿造、纺织、木材、食品加工、石油化工、海水淡化、热电以及冶金等领域。在国外,利用汲取式热泵系统回收余热技术的讨论已有多年的进展。在溴化锂汲取式制冷技术上我国已经积累了雄厚的技术基础,但在汲取式热泵系统的应用技术上还比较落后。

4.3热泵技术国内外的讨论案例

早在20世纪80年月，日本大型节能技术讨论开发项目项目就把高温热泵列入了重点讨论方向之一，该项目总的目标是将制热性能系数（COP）提高到6~8，出口热水温度提高到150~300℃。在美国IEA热泵中心和IIR的热泵进展方案以及欧洲大型热泵讨论方案中，中高温热泵技术都是讨论的重点。

2024年太原理工高校依据山西某热电厂冷凝抽汽工况条件设计了基于单效汲取式热泵机组的新型热电联产系统。改造后的热电联产系统统在原有汽轮机抽汽量不变的条件下回收汽轮机冷凝余热,实现热网供热负荷增大、热电厂一次能源利用率提高、节能减排的目标,实际运行工况良好,经济效益和社会效益显著。

大庆石油学院结合油田的实际状况,通过对油田污水热源和油田用热要求的分析,探讨了采纳单效第一类汲取式热泵为油田的生产过程供热的可行性、节能和经济效益。

清华高校2024年提出了基于Co-ah循环的热电联产集中供热方法,其中对热电厂的冷凝余热利用双效汲取热泵机组协作单效汲取热泵机组的方式,其设计目标是实现依靠热电厂冷凝乏汽、冷凝余热及汽轮机抽汽并以此对热网回水进行升温。

4.4热泵技术国内外的应用案例

美国B.C.L.(BattdleClumberLabs)与A.C.公司(AdolphcoocCompange)合作,共同研发出较为完善的汲取式AHT系统,1983年已能规模化生产,并将它用于回收炼油厂中汽提塔和蒸馆塔塔顶蒸汽的冷凝余热,以及造纸厂制浆工艺和食品加工过程中泄漏蒸汽的余热。

1981年以来,日本的三洋公司已为日本和全球各地建立了20套大型汲取热泵装置,部分机组已胜利运行十年以上。同时在日本的千叶工厂,已将汲取式热泵装置集成于橡胶装置中的分散釜顶废热的回收系统中,并且取得了良好的效果,据记载其改造投资回收期只有15年。

辽河油田曙光采油厂曙五联合站采纳高温热泵技术!以清华高校研发的HTR01为工质，从5640m3/d的含油污水(温度为71℃)中提取2797KW的热量,将2355m3/d、53℃的进站原油加热到85℃。机组自2024年投产以来，运转正常，热泵机组总耗电折合人民币192.37万元，产生的加热效果相当于以往消耗价值1053万元燃油或690.74万元天燃气的加热效果，经济效益显著。

云驾岭煤矿等就以18~20℃矿井涌水和20~40℃的坑口电厂凝气冷却水为热源，采纳高温热泵和低温热泵结合：高温热泵产生的70~75℃的热水作为矿区地面建筑冬季采暖，低温热泵则产生60℃左右的热水用于井筒保温柔职工浴室喷淋。采纳热泵技术以来，矿区每年节省煤炭消耗4000~5000t，减排CO212000~14000t,节能减排效果特别显著.

5.热管技术

5.1热管技术的原理

以热管作为传热元件的废热锅炉称为热管式废热锅炉，由外筒体、内筒体、饱和汽包、热管四部分组成。工作时废气（或工艺气）由上部进入，经外筒体和内筒体环隙流淌，经热管换热后气体由下部流出；水由内筒体下部进入，经热管加热后，进汽包，汽水分别后，产

生饱和蒸汽，并网或直接使用。

5.2热管技术的特点

热管的二次间壁换热特性是实现平安、牢靠及长周期运行的重要保证。热管的热流变换及自吹灰特性是防止工业上换热设备露点腐蚀及灰尘堵塞的重要技术保证。热管的均温热屏蔽及分别式热管技术的完善,将可能解决化学反应器中温度分布不匀称、反应过程偏离最佳反应温度的缺陷、石油裂解中由于管壁温度不匀称而消失的过热分解以及核反应堆平安壳体的散热等等问题。液态金属热管的消失及材料价格的下降,可实现在超高温反应设备中实现连续取热。

5.3热管技术的国内外应用现状

早在1942年，Gauler就曾提出热管的原理。1962年，L.Trefethen再次提出类似于Gauler的传热元件，但因故未能实施。直到1964年，Grover等人独立地提出了类似于Gauler的传热元件，并且取名热管，此后吸引了许多的科学技术工从事热管讨论，使热管得到了很快的进展。热管自1964年正式在美国创造问世,至今已有50年的历史,常作为一种传热元件,但作为一项传热技术,则仍处于进展阶段。

我国的热管技术开发讨论一开头有明确为工业化服务的目标,因此重点在于开发碳钢-水热管换热器。经过多年的努力,我国的热管技术工业化应用已处于国际先进水平。目前,气-气热管换热器、热管蒸汽发生器等热管节能产品已广泛用于冶金、石油、化工、动力及陶瓷等工业领域。

6.半导体温差发电

6.1半导体温差发电原理

温差发电器是一种基于塞贝克效应，直接将热能转化为电能的热电转换器件。1982年，德国物理学家塞贝克发觉了温差电流现象，即两种不同金属构成的回路中，若两种金属结点温度不同，该回路中就会产生一个温差电动势。由于材料的限制，热电能量转换的效率很低，所以很少能在工程技术上得到实际应用。20世纪五十年月以后，随着半导体技术的快速进展，半导体温差发电技术引起了世界范围内的极大关注。

图6-1温差电池示意图

如图6-1所示，将端置于高温，处于低温端的就可得到电动势

式中：为赛贝拉系数，其单位是V/K。是由材料本身的电子能带结构打算的。

6.2半导体温差发电的特点

半导体温差发电是一种新型的发电方式，具有体积小，无噪音和有害物质排放，寿命长，牢靠性高，性能稳定，平安无污染等一系列优点，符合绿色环保的要求。而且温差发电不受温度的限制，有温差存在就能发电，选择合适的半导体材料类别，可以在很宽的温度范围内（300K-1400K）利用热能。特殊适合低品位热源的回收利用。温差发电作为一种热—电能量直接转换方式，与现行的机—电变换系统相比，转换过程中不需要机械运动部件，不需要附加的驱动、传动结构，没有震惊和噪声。

但是由于受到热点转换效率的制约（目前一般不超过14%，远低于一般发电机40%的效率）和成本的限制，温差电技术除了在航天和军事等尖端技术领域应用外，很少用于工业和民间。

目前国内外对半导体温差发电的讨论主要在半导体热点材料、热点转换效率的提高等方面。主要在太阳能、汽车尾气、低温冷能利用方面有所应用。相信半导体温差发电技术会在将来有更广泛的应用。

6.3半导体温差发电的国内外讨论案例

最早的温差发电机于1942年由前苏联研制胜利，发电效率为1.5%～2%。从20世纪六十年月开头间续有一批温差发电机胜利用于航天军事等领域。近年随着技术的进展，半导体

河南省科学院能源讨论所从不行逆过程热力学的角度动身，推导出了稳态条件下的半导体温差发电性能的基本表述方程，并进一步分析推导了循环效率与材料优值系数ZT之间的函数关系及其影响。首次得到了低温半导体热电堆内部温度场在发电循环建立后能够达到平衡状态的时间域（6～10秒），以及冷端温度对系统稳定性的影响。

哈尔滨工业高校胥大川针对温差电转换效率低这个问题，争论了如何改进热点摸块的设计，以提高温差发电器的性能，促进温差发电器在实际中的应用。

西安交通高校陈浩在国内首次讨论了半导体热电堆的发电堆的发点问题，提出了求解的方法和分析的公式，为国内温差发电的设计供应了理论和试验依据。

6.4半导体温差发电的国内外应用案例

厦门纳米克热电电子有限公司自2024年起开头自主研发半导体温差发电技术，经过三年多的努力，胜利研发出拥有自主学问产权的模块产品。其耐温性能、疲惫性能、输出功率等均达到国际先进标准，而制造成本仅为国外同类厂商的的20%。

在我国的西气东输工程中，直径超过3m的输气管道总长度达到6000km。为此我国研制以自然 气为燃料的热电发电器，它将作为输气管道阴极爱护电源应用在西气东输工程。

7.热声技术

7.1热声技术的原理

热声效应是由热在弹性介质（常为高压惰性气体）中引起声学自激振荡的物理现象。热声效应可分为两类：一类用热能来产生声波，即热致声效应；另一种是用声波来产生制冷效应，即声致冷效应。

7.2热声技术的特点

热声技术应用的范围相当广泛，将来会给整个能源工业带来很大的影响，它的简洁、环保、节能高效的特性符合当今时代的需求。热声技术近十几年来的讨论已经取得了飞速进展作为发动机，其转换效率已达到30%以上，完全可以同内燃机（转换效率在25%～40%之间）相媲美；作为制冷剂，完全无运动部件的热声驱动脉冲管制冷机已达到液氢温度以下（低于20K），而热声驱动的室温行波热声制冷机则在-20℃获得了300W以上的制冷量，显示了热机制冷技术子啊室温以及深低温制冷领域应用的巨大潜力。

但是就现在的状况而言，由于设计水平没有达到优化的程度，材料的选择和制造技术都在完善之中，并且制造的成本会高于一般的现有技术，这也是行业讨论的主要方向。

7.3热声技术的国内外讨论案例

南京高校声学讨论所的韩飞等人对Rijke管内的非线性效应进行了比较深化的讨论。指出了Rijke管内引起非线性效应的两个因素，并通过计算声波的增长率和试验分析声波的频谱，发觉非线性效应限制了管内声波振幅的增长，并且导致了二次高阶谐波的产生。

西安交通高校的刘继平讨论管受热气体层流流淌时发觉：由于气体密度随温度增加而削减，动力粘度和导热系数随温度增加而增加，在肯定的加热条件下，加热管内会形成压力与流量关系的奇异性，产生不稳定性。认为这是Rijke管震荡的缘由所在。

中国科学院理化所的李青老师对热声发动机起振的非线性饱和过程进行了讨论，认为热声热机其回热器实际就是一个由声感和流容构成的储能部件—谐振器，声感对于维持系统起振起到了举足轻重的作用，声感是实现并维持热声转换的关键的时变网络参数。提出了定量推断系统工作力量的指标调制度。

中南高校制冷与低温讨论所的刘益才经过计算表明，与环境温度温差为250K的余热或者废热，采纳热声技术的效率可以接近30%，接近了内燃机的热转换效率。

8.其他

8.1斯特林热气机循环发电系统

斯特林热气机循环发电系统是利用低温余热发电的废热回收装置，可回收100℃至300℃的废热，能达到20%的发电效率。从数据来看，其发电效率优于目前市场的低温蒸汽循环发电系统和有机工质发电系统的发电效率，该装置在100℃的废热条件下发电效率达7.3%，150℃的条件下发电效率达13.7%，200℃的条件下发电效率达18.4%，250℃的条件下发电效率达2