工业余热的现状与利用

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1、工业余热现状与利用姚*北京科技大学机械学院，100083摘 要 ：工业余热指工业生产中各种热能装置所排出的气体、液体和固体物质所载有的热量。余热属于二次能源，是燃料燃烧过程所发出的热量在完成某一工艺过程后所剩余的热量。我国能源利用率相比发达国家较低，至少 50%的工业耗能以各种形式的余热被直接废弃。工业余热节能潜力巨大，近年来已经成为我国节能减排工作的重要组成部分。关键字：工业余热 节能减排热管0 引言当前，我国能源利用仍然存在着利用效率低、 经济效益差，生态环境压力大的主要问题。节能减 排、降低能耗、提高能源综合利用率作为能源发展 战略规划的重要内容，是解决我国能源问题的根本 途径，处于优先

2、发展的地位。实现节能减排、提高能源利用率的目标主要依 靠工业领域。处在工业化中后期阶段的中国，工业 是主要的耗能领域，也是污染物的主要排放源。我 国工业领域能源消耗量约占全国能源消耗总量的 70，主要工业产品单位能耗平均比国际先进水平 高出30左右。除了生产工艺相对落后、产业结构 不合理的因素外，工业余热利用率低，能源没有得 到充分综合利用是造成能耗高的重要原因。我国能源利用率仅为33左右，比发达国家低 约10。至少50的工业耗能以各种形式的余热被 直接废弃。因此从另一角度看，我国工业余热资源 丰富，广泛存在于工业各行业生产过程中，余热资 源约占其燃料消耗总量的17%67%，其中可回收 率达6

3、0，余热利用率提升空间大，节能潜力巨大。 工业余热回收利用又被认为是一种“新能源”，近年 来成为推进我国节能减排工作的重要内容。1 1 工业余热资源工业余热来源于各种工业炉窑热能动力装置、 热能利用设备、余热利用装置和各种有反应热产生 的化工过程等。目前，各行业的余热总资源约占其 燃料消耗总量的17%67%，可回收利用的余热资 源约为余热总资源的60%。合理充分利用工业余热 可以降低单位产品能耗，取得可观的经济效益。 工业余热按其能量形态可以分为三大类，即可燃性 余热、载热性余热和有压性余热。1）可燃性余热可燃性余热是指能用工艺装置排放出来的、具 有化学热值和物理显热，还可作燃料利用的可燃物，

4、 即排放的可燃废气、废液、废料等，如放散的高炉 气、焦炉气、转炉气、油田伴生气、炼油气、矿井 瓦斯、炭黑尾气、纸浆黑液、甘蔗渣、木屑、可燃 垃圾等。2）载热性余热常见的大多数余热是载热性余热，它包括排出 的废气和产品、物料、废物、工质等所带走的高温 热以及化学反应热等，如锅炉与窑炉的烟道气，燃 气轮机、内燃机等动力机械的排气，焦炭、钢铁铸 件、水泥、炉渣的高温显热，凝结水、冷却水、放 散热风等带走的显热，以及排放的废气潜热等。3）有压性余热 有压性余热通常又叫余压（能），它是指排气排水等 有压液体的能量。另外，因为工业余热的温度是衡 量其质量（品位）的重要标尺，而其温度的高低亦 影响了余热回收

5、利用的方式，所以余热也通常按温 度高低分为：高温余热，T650C ；中温余热，230 CST650C ；低温余热，T230C。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。2 工业余热利用现状2.1 工业余热利用总体现状我国能源利用率仅为 33%左右，比发达国家低 约10%，至少50%的工业耗能以各种形式的余热被直 接废弃。余热利用率提升空间大，节能潜力巨大， 近年来被视为推进我国节能减排工作的

6、重要内容。2截至2010年，钢铁、水泥、玻璃、合成氨、烧 碱、电石、硫酸七个工业行业余热发电装机总容量 近1200万千瓦，到“十二五”末，这七个工业行业 余热发电装机总量将达到2600万千瓦，将超过三峡 电站，相当于现有核电装机总容量的2.4倍。目前， 余热发电项目毛利率在60%以上，净利润在30%-40% 之间，内部收益率在 15%-25%之间，投资回报期为 4-6年。3后一段时间中高能耗企业自主投资建设模式仍 将是主要的建设模式。对于中小规模的高能耗企业 而言，合同能源管理模式（EMC）能够很好地解决技 术和资金的问题。2.2 各行业余热利用现状2.2.1冶金行业冶金企业属于耗能型企业，其

7、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。 45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

8、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 300C以上（比过去提高了 80-100C），出换热器的烟温由过去的400-500C降 低到250-400C。以宝钢钢铁股份有限公司为例6, 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%。2.2.2化工行业化工行业的生产过程中，产生大量的余热资源， 具有非常大的节能潜力。以硫酸行业为例，根据相 关研究，理

9、论上，以硫铁矿或硫磺为原料，每生产 1吨硫酸，放出的热能分别为7114X10千焦或5884 X10千焦，而实际生产中，扣除各类热损失之后， 可回收利用的余热分别为4680X10千焦或4250X 10 千焦，其中高温、中温、低温余热资源分别占 62%-59%、11%-12%、27%-29%。目前除硫酸行业外， 其他化工行业也开始重视余热资源的利用，根据统 计数据和预测：1）硫酸：2009年硫磺制酸产量27958kt,预计 装机容量1000MW；硫铁矿制酸全年产量为13846kt, 预计装机容量500MW；冶炼烟气制酸达到17785kt, 预计装机容量700MW。2）合成氨： 2009年全国完成合

10、成氨5135.5万 吨、尿素2932.4万吨。预计装机容量100MW。3）纯碱、烧碱：2009年我国烧碱产量为1891 万t。预计装机容量500MW。4）独立焦化厂焦化炉干熄炉：全国焦化企业数 量在 1000家左右，目前干熄焦炉配置比约 20%。 2010-2013年焦化行业干熄率40%以上。预计总的市 场装机容量为1000MW。2.2.3轻工行业工业节能“十二五”规划中，轻工行业节 能减排主要集中在造纸行业。虽然造纸工业本身具 有良好的能源回收利用条件，但是造纸行业目前仍 是我国高能耗、高污染的行业，国内浆纸业的综合 能耗比发达国家多1倍。造纸行业余热利用不仅可 以节约大量能源，而且具有良好

11、的经济效益，自给 能源可达50%以上。2.2.4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%7 ，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400-500C，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（80120C）,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

12、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8、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 余热利用技术发展3.1 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

13、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问壁换热，与常规 的换热设备一般都是问壁换热不同；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

14、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。93.2 热轮热轮由多孔和高比热容量的材料制成，有转盘 式和转鼓式两种结构型式当热轮的转盘或转鼓低速 旋转时，热气体的热量传递给热轮；若热轮继续旋 转，它便将所获得的热量传递给进入的冷空气热轮 的热传递效率现已达到75%80%，应用温度也可 达870C左右由于热轮结构的原因，会有少量的废 气进入气管内，因而产生一定程度的污染若污染量 超过许可限度，

15、则可附加清洗段来减少污染程度热 轮一般用于采暖和低温中温废热的回收，以及干燥 炉养护炉和空气的预热器中。3.3 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100C，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

16、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、吸人冷风，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180-250C，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