工業(yè)發(fā)展帶來了巨大的污染，工業(yè)余熱的利用是節(jié)能減排的重要環(huán)節(jié)。本文主要介紹了工業(yè)余熱的資源特點，概述了工業(yè)余熱的利用方式，中國目前低溫工業(yè)余熱技術，以及分析了工業(yè)余熱利用中存在的問題?？偨Y(jié)出目前應該大力發(fā)展利用低溫余熱技術。

1.工業(yè)余熱資源特點

工業(yè)消耗的能源部門品種包括原煤、洗煤、焦炭、油品、天然氣、熱力、電力等。工業(yè)余熱資源特點主要有：多形態(tài)、分散性、行業(yè)分布不均、資源品質(zhì)較大差異等特點。

對鋼鐵、水泥、玻璃、合成氨、燒堿、電石、硫酸行業(yè)余熱資源的調(diào)查分析結(jié)果顯示，上述工業(yè)行業(yè)余熱資源量豐富，約占這7個工業(yè)行業(yè)能源消費總量的1/3。綜合考慮行業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，這7個工業(yè)行業(yè)余熱資源總量高達3.4億噸標準煤。

余熱資源開發(fā)利用量超過1000萬噸標準煤的有鋼鐵、合成氨、硫酸、水泥4個行業(yè)，分別為3560萬噸標準煤、2450萬噸標準煤、1244萬噸標準煤、1124萬噸標準煤。

從余熱資源的行業(yè)分布來看，上述7個工業(yè)行業(yè)中，鋼鐵、水泥、合成氨行業(yè)的余熱資源量位居前三，分別為1.71億噸標準煤、9300萬噸標準煤、3454萬噸標準煤，占這7個工業(yè)行業(yè)余熱資源總量的比重分別為50.3%、27.3%、10.2%；硫酸、電石、燒堿、玻璃余熱資源總量則較少，分別為1940萬噸標準煤、1408萬噸標準煤、495萬噸標準煤、311萬噸標準煤，合計占7個工業(yè)行業(yè)余熱資源總量的122%。

從工業(yè)余熱資源的地區(qū)分布來看，上述7個工業(yè)行業(yè)余熱資源可開發(fā)利用潛力居前六位的地區(qū)是河北、江蘇、山東、遼寧、山西、河南，分別為1507萬噸標準煤、680萬噸標準煤、664萬噸標準煤、530萬噸標準煤、419萬噸標準煤、361萬噸標準煤。

從余熱資源的來源來看，可分為高溫煙氣和冷卻介質(zhì)等六類，其中高溫煙氣余熱和冷卻介質(zhì)余熱占比最高，分別占50%和20%，而其他來源分別是廢水、廢氣余熱占11%，化學反應余熱8%，可燃廢氣、廢液和廢料余熱7%，高溫產(chǎn)品和爐渣的余熱4%。

從余熱資源品位來看，約46%為400℃及以上的高品質(zhì)余熱資源，其余約54%則為400℃以下的中低品質(zhì)余熱資源。

從余熱量占各行業(yè)燃耗量的比例來看，建材行業(yè)的余熱占燃耗量的比例最大，約占40%，其他各行業(yè)的余熱資源也豐富。各行業(yè)余熱資源在該行業(yè)的燃耗量的比例如下表1-1：

2.工業(yè)余熱利用技術

工業(yè)余熱資源來源于工業(yè)生產(chǎn)中各種爐窖、余熱利用裝置和化工過程中的反應等。這些余熱能源經(jīng)過一定的技術手段加以利用，可進一步轉(zhuǎn)換成其他機械能、電能、熱能或冷能等。利用不同的余熱回收技術回收不同溫度品位的余熱資源對降低企業(yè)能耗,實現(xiàn)我國節(jié)能減排、環(huán)保發(fā)展戰(zhàn)略目標具有重要的現(xiàn)實意義。

余熱溫度范圍廣、能量載體的形式多樣，又由于所處環(huán)境和工藝流程不同及場地的固有條件的限制，生產(chǎn)生活的需求，設備型式多樣，如有空氣預熱器，窯爐蓄熱室，余熱鍋爐，低溫汽輪機等。根據(jù)余熱的溫度范圍，可以將目前的工業(yè)余熱技術分為中高溫余熱回收技術和低溫回收技術。中高溫回收技術主要有三種技術：余熱鍋爐、燃氣輪機、高溫空氣燃燒技術。低溫回收技術主要有有機工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電、熱泵技術、熱管技術、溫差發(fā)電技術、熱聲技術。

從目前工業(yè)余熱現(xiàn)狀來看，高溫余熱回收技術已經(jīng)在我國的鋼鐵、水泥、冶金等行業(yè)廣泛應用。但除了高溫余熱外，還有大量的低溫工業(yè)余熱未得到利用，我國我國對于低溫余熱的利用還處于嘗試和發(fā)展階段,低溫余熱回收技術不成熟,導致這部分余熱多直接排向環(huán)境，造成了巨大的能源浪費。因此，本文著重概述低溫余熱回收技術。

3.有機工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)

3.1有機工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的原理

有機朗肯循環(huán)是將熱能轉(zhuǎn)換為機械能的系統(tǒng)，與常規(guī)的蒸汽發(fā)電裝置的熱力循環(huán)原理相似，但有機工質(zhì)低溫余熱發(fā)電不是用水作工質(zhì)，而是用有機物為工質(zhì)的朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng), 其工作原理如圖4-1所示。系統(tǒng)由蒸發(fā)器、透平、冷凝器和工質(zhì)泵四大部分組成, 有機工質(zhì)在蒸發(fā)器中從低溫熱流中吸收熱量, 生成具一定壓力和溫度的蒸汽, 蒸汽推動透平機械做功, 從而帶動發(fā)電機或拖動其它動力機械。從透平機排出的有機蒸汽在冷凝器中向冷卻水放熱, 凝結(jié)成液態(tài), 最后借助工質(zhì)泵重新回到蒸發(fā)器, 如此不斷地循環(huán)下去。

圖3-1 有機工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電原理圖

有機工質(zhì)朗肯循環(huán)采用有機工質(zhì)（如R123、R245fa、R152a、氯乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷等）作為循環(huán)工質(zhì)的發(fā)電系統(tǒng)，由于有機工質(zhì)在較低的溫度下就能氣化產(chǎn)生較高的壓力，推動渦輪機（透平機）做功，故有機工質(zhì)循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)可以在煙氣溫度200℃左右，水溫在80℃左右實現(xiàn)有利用價值的發(fā)電。

目前，對低溫熱能發(fā)電技術的研究主要集中在以下幾個方面：工質(zhì)的熱力學特性和環(huán)保性能；混合工質(zhì)的應用；熱力循環(huán)的優(yōu)化等。國外有機朗肯循環(huán)低溫熱發(fā)電技術主要應用于地熱發(fā)電，但未來可能應用于太陽能熱電、工業(yè)余熱、生物質(zhì)能和海洋溫差能等。

目前美國、法國等國的余熱發(fā)電技術的最低溫度是80℃，我國自主研發(fā)的低溫發(fā)電機組，通過提升熱電轉(zhuǎn)換介質(zhì)的性能，已經(jīng)實現(xiàn)了最低發(fā)電溫度為60℃能實現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)電。

3.2有機工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟性分析

例如某水泥廠余熱發(fā)電站，一條3000噸/天的新型干法水泥生產(chǎn)線，窯頭與窯尾配備有余熱鍋爐，用的是凝汽式汽輪機，該系統(tǒng)設計出來效果為每小時的平均發(fā)電總量為3500kW，參照發(fā)電機組的真實規(guī)格，必須用3000kW的汽輪機組。某項目的總投資數(shù)額高達60萬元，一年平均運轉(zhuǎn)300多天，則1年的發(fā)電總量可達到2270萬kWh。這種情況下和采用標準煤生產(chǎn)相比，能夠節(jié)約1.3萬噸的煤，減少約2.2萬噸二氧化碳的排放量，然后除掉系統(tǒng)自身耗費電量的10%，則每年供電量能夠達到1905萬kWh，而1噸熟料的發(fā)電能力能夠達到26.5kWh。相比之下，應用純低溫余熱發(fā)電技術來發(fā)電，整個發(fā)電系統(tǒng)一共投資1962萬元，外界購電價格按照0.5元/kWh進行計算，除去余熱電站供電所花費的成本，則每噸熟料的成本大約能下降11.5元，進一步降低了水泥工業(yè)生產(chǎn)成本，提升企業(yè)在市場上的競爭力。

以某冷卻塔低溫余熱利用系統(tǒng)用于發(fā)電為例，扣除泵的耗功后，1t熱水的發(fā)電量為1kW.h，每年按照7000h計算，則年發(fā)電量為70000kW.h，電價按0.5元計算，年經(jīng)濟效益可達35萬元，相當于減少CO2排放量650t，經(jīng)濟和環(huán)保效益顯著。

結(jié)論：固然純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的投資非常高，但在短短幾年中基本上可收回成本，可以說構(gòu)建出低溫余熱電站，既能變廢為寶，充分利用能源，降低對環(huán)境的污染，又能增加企業(yè)收益，可謂一舉兩得。

4.熱泵技術

4.1熱泵技術的原理

熱泵就是在兩個熱源之間工作，消耗一定的功（W），使低溫熱源供給熱量（Q1），在高溫熱源處獲得熱量（Q2），亦即以消耗少量高質(zhì)能為代價,達到提高溫位以利于利用。

熱泵大概分兩類：一是蒸汽壓縮式；二是吸收式，后者是熱泵的主流。

壓縮式熱泵由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機、節(jié)流裝置及水源、熱水側(cè)管路等部分組成。壓縮式熱泵由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機、節(jié)流裝置及水源、熱水側(cè)管路等部分組成。機械壓縮式熱泵系統(tǒng)的工作過程如下：低沸點工質(zhì)流經(jīng)蒸發(fā)器時蒸發(fā)成蒸汽，此時從低溫位處吸收熱量，來自蒸發(fā)器的低溫低壓蒸汽，經(jīng)過壓縮機壓縮后升溫升壓，達到所需溫度和壓力的蒸汽流經(jīng)冷凝器，在冷凝器中，將從蒸發(fā)器中吸取的熱量和壓縮機耗功所相當?shù)哪遣糠譄崃颗懦觥７懦龅臒崃烤蛡鬟f給高溫熱源，使其溫位提高。蒸汽冷凝降溫后變成液相，流經(jīng)節(jié)流閥膨脹后，壓力繼續(xù)下降，低壓液相工質(zhì)流入蒸發(fā)器，由于沸點低，因而很容易從周圍環(huán)境吸收熱量而再蒸發(fā)，又形成低溫低壓蒸汽，依此不斷地進行重復循環(huán)。

吸收式熱泵是利用工質(zhì)的吸收循環(huán)實現(xiàn)熱泵功能的一類裝置，它采用熱能直接驅(qū)動，而不是依靠電能、機械能等其他資源。溴化鋰吸收式熱泵機組回收利用低溫熱源(如廢熱水)的熱能，制取所需的工藝或采暖用高溫熱媒，實現(xiàn)從低溫向高溫輸送熱能的設備，它以低溫熱源為驅(qū)動熱源，在采用低溫冷卻水的條件下，制取比低溫熱源溫度高的熱媒。它與第一類溴化鋰吸收式熱泵機組的區(qū)別在于，它不需要更高溫度的熱源來驅(qū)動。但需要較低溫度的冷卻水。

4.2熱泵技術的特點

我國許多行業(yè)對熱源的需求溫度多集中在75~200℃之間，且存在著低溫余熱大量浪費的情況，可以把熱能由低溫位熱源轉(zhuǎn)移到高溫位熱源的中高溫熱泵技術有著巨大的應用空間。對高溫熱泵的研究多集中在適宜工質(zhì)的選擇和制熱效率提高這兩個方面。對高溫熱泵的研究多集中在適宜工質(zhì)的選擇和制熱效率提高這兩個方面。

全世界有超過1.3億臺熱泵機組在正常運行,總供熱量超過了 4.7E+10GJ/年, 目前,工業(yè)熱泵主要應用在釀造、紡織、木材、食品加工、石油化工、海水淡化、熱電以及冶金等領域。在國外,利用吸收式熱泵系統(tǒng)回收余熱技術的研究已有多年的發(fā)展。在溴化鋰吸收式制冷技術上我國已經(jīng)積累了雄厚的技術基礎,但在吸收式熱泵系統(tǒng)的應用技術上還比較落后。

5.熱管技術

5.1熱管技術的原理

以熱管作為傳熱元件的廢熱鍋爐稱為熱管式廢熱鍋爐，由外筒體、內(nèi)筒體、飽和汽包、熱管四部分組成。工作時廢氣（或工藝氣）由上部進入，經(jīng)外筒體和內(nèi)筒體環(huán)隙流動，經(jīng)熱管換熱后氣體由下部流出；水由內(nèi)筒體下部進入，經(jīng)熱管加熱后，進汽包，汽水分離后，產(chǎn)生飽和蒸汽，并網(wǎng)或直接使用。

5.2熱管技術的特點

熱管的二次間壁換熱特性是實現(xiàn)安全、可靠及長周期運行的重要保證。熱管的熱流變換及自吹灰特性是防止工業(yè)上換熱設備露點腐蝕及灰塵堵塞的重要技術保證。熱管的均溫熱屏蔽及分離式熱管技術的完善, 將可能解決化學反應器中溫度分布不均勻、反應過程偏離最佳反應溫度的缺陷、石油裂解中由于管壁溫度不均勻而出現(xiàn)的過熱分解以及核反應堆安全殼體的散熱等等問題。液態(tài)金屬熱管的出現(xiàn)及材料價格的下降, 可實現(xiàn)在超高溫反應設備中實現(xiàn)連續(xù)取熱。

5.3熱管技術的國內(nèi)外應用現(xiàn)狀

早在 1942 年，Gauler 就曾提出熱管的原理。 1962 年，L. Trefethen 再次提出類似于Gauler 的傳 熱元件，但因故未能實施。直到1964 年，Grover等人獨立地提出了類似于Gauler 的傳熱元件， 并且取名熱管，此后吸引了很多的科學技術工作者從事熱管研究，使熱管得到了很快的發(fā)展。熱管自1964 年正式在美國發(fā)明問世, 至今已有50年的歷史, 常作為一種傳熱元件, 但作為一項傳熱技術, 則仍處于發(fā)展階段。

我國的熱管技術開發(fā)研究一開始有明確為工業(yè)化服務的目標, 因此重點在于開發(fā)碳鋼-水熱管換熱器。經(jīng)過多年的努力, 我國的熱管技術工業(yè)化應用已處于國際先進水平。目前, 氣-氣熱管換熱器、熱管蒸汽發(fā)生器等熱管節(jié)能產(chǎn)品已廣泛用于冶金、石油、化工、動力及陶瓷等工業(yè)領域。

6.其他

6.1 斯特林熱氣機循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)

斯特林熱氣機循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)是利用低溫余熱發(fā)電的廢熱回收裝置，可回收100℃至300℃的廢熱，能達到20%的發(fā)電效率。從數(shù)據(jù)來看，其發(fā)電效率優(yōu)于目前市場的低溫蒸汽循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)和有機工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率，該裝置在100℃的廢熱條件下發(fā)電效率達7.3%，150℃的條件下發(fā)電效率達13.7%，200℃的條件下發(fā)電效率達18.4%，250℃的條件下發(fā)電效率達22.1%，300℃的條件下發(fā)電效率達25.0%。

6.2超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)

超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)是超臨界二氧化碳液體為郎肯循環(huán)系統(tǒng)的工質(zhì)，以二氧化碳透平專用渦輪機為核心技術的最新余熱發(fā)電技術。此發(fā)電系統(tǒng)在余熱發(fā)電方面有較寬泛的應用優(yōu)勢，各項技術指標都優(yōu)于在用的水蒸汽浪肯循環(huán)系統(tǒng)和當前最先進的有機浪肯循環(huán)系統(tǒng)，特別是在發(fā)電效率和設備體積方面有著明顯的優(yōu)勢。超臨界二氧化碳熱機是一種平臺技術，目前可提供的功率范圍為250Kwe至50Mwe的設計，效率可達30%。應用范圍包括燃氣輪機、固定式動力發(fā)電機組、工業(yè)廢熱回收、太陽能熱量、地熱、混合內(nèi)燃機等的循環(huán)熱能。

7.工業(yè)余熱利用存在的問題

從技術發(fā)展看，低溫有機朗肯循環(huán)技術是利用低溫工業(yè)余熱、地熱、太陽能的經(jīng)濟有效方案，但國內(nèi)未掌握該技術。我國許多行業(yè)對熱源的需求溫度多集中在70~250℃之間,且存在著低溫余熱大量浪費的情況,可以把熱能由低品位熱源轉(zhuǎn)移到高品位熱源的中高溫熱泵技術有著巨大的應用空間。由于在工業(yè)過程中產(chǎn)生余熱的熱源一般水質(zhì)都比較差)如油田含油污水（其中除了含有石油類物質(zhì),還有硫化氫、鹽類等）對普通的熱泵換熱器會產(chǎn)生嚴重的腐蝕，必須采用特制的鈦管換熱管或者其他抗腐蝕材料，并通過清水與含油污水換熱后再進入熱泵機組。一批高性能的熱電轉(zhuǎn)換材料出現(xiàn)，溫差發(fā)電技術的性價比相對提高，使溫差發(fā)電技術在工業(yè)和民用產(chǎn)業(yè)中推廣應用成為可能。

8.結(jié)論

當前中高溫余熱利用技術普及率不高，低溫余熱未被利用是我國余熱利用率低的原因之一。將原被遺棄的工業(yè)余熱應用于溴化鋰吸收式制冷,滿足生產(chǎn)或生活的需要,這無疑是提高能源利用率的一個有力措施，尤其是在不同季節(jié)交替需要供暖與制冷負荷的企業(yè),應優(yōu)先考慮采用溴化鋰吸收式制冷。在中高溫熱泵技術的實際應用中，要結(jié)合余熱源的具體情況采取相應措施，發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。