介绍了我国在工业生产里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体问题,为科学合理地进行余热利用提出了相关建议。

  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。

  节能减排是我们国家的经济和社会持续健康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、环保发展的策略具备极其重大的现实意义。同时,余热利用在对改善劳动条件、节约能源、增加生产、提升产品质量、降低生产所带来的成本等方面起着慢慢的变大的作用,有的已成为工业生产里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,但是与世界领先水平还有一定的差距,有一部分余热尚未被充分的利用,有一部分余热在利用中还存在不少问题。

  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、生产的基本工艺、生产设备和原料、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的全部过程决定的。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,必须认线、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的利用。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。

  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t/d生产线t/d生产线年之前已有的新型干法水泥生产线年底,全国共有新型干法水泥生产线万吨。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月,全国水泥行业在新型干法水泥生产线上已经配套建设很多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。

  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,能源费用占公司制作总成本20%～30%。由于能源生产的上涨的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,节能降耗慢慢的变成了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的全部过程中产生大量含有可利用热量的废气、废水、废渣,同时在各工序之间有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,回收后的热量大多数都用在预热助燃空气、预热煤气和生产蒸汽。国内冶金企业换热器的发展的新趋势是: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度提高了86%。

  建筑陶瓷行业消耗的热能中,大多分布在于干燥和烧成工序,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。

  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,单压系统发电能力会比较低,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:

  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,节约能源的效果更好。

  (1)针对烟气和热风的保温差,采取一定的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℃,不再要安设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。

  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:

  (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,采用数值模拟的办法来进行通流结构的优化研究;采用试验研究的办法来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。

  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,为了尽最大可能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。若能够回收烟气中的汽化潜热和物理显热,能源利用效率能大大的提升10%以上,同时,冷凝液还能吸收烟气中的有害化学气体(SO2、NOx等)和微粒,拥有非常良好的环保效果。

  目前相变换热烟气余热利用的途径其实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,来提升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。因此冷凝锅炉充分的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,从而最大限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,使得排烟中有害化学气体SOx和NOx含量减少。随着时下人们节能和环保意识的增强,人们逐渐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。

  热管是一种依靠自身内部工质相变实现传热,具有特别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:

  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,冷凝气温变化较小,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坏因,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,能够适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。

  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℃。

  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%。正常的情况下,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。

  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普遍的使用,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逐步降低的技术条件已经很成熟。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,通常能将电厂效率提高0.6%以上;每度电的发电煤耗能够更好的降低2g左右,单机容量为1000MW的火力发电机组每年可节约煤炭17520t。

  (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-蒸汽联合循环显然能大大的提升循环热效率。高炉煤气等低热值煤气燃气轮机联合循环发电(CCPP)技术是充分的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的技术,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)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。

  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:

  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探讨研究的重要内容。如何明智的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以内。另外,工质需尽可能地选择干性工质,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是通过以下3个方面来影响系统的效率:

  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。今后应尽可能地选择环保的HFC(含氢、氟、碳的不完全卤代烃)。另外,工质选择还需要仔细考虑以下一些因素:传热性和流动性、化学稳定性和热稳定性、毒性、价格等。特别还必须要格外注意工质可燃性,应该尽可能采用不可燃的工质,以使系统更具安全性。

  从技术方面看,高温余热利用技术经过多年的发展已很成熟,一些成功的案例也表明其经济效益显而易见,但潜力巨大的中低温余热利用技术尚需逐步发展。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,国内外先进的技术服务商也无法了解这一些企业的情况。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:

  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。