日本余热利用现状及发展趋势

赵晶洁

（南京供电公司，南京 210000）

日本在经历了地震等灾害以后，各领域都在总结与反思，能源政策方面也是如此。虽然对核电的未来发展方向尚有争论，但在扩大可再生能源的利用、进一步促进现存能源的节约使用等诸多方面，都有共识。

日本民众每天都能从报纸、杂志等媒介中，接收到对太阳能、风电、地热、潮夕能等自然界能源的发电系统、智能电网、快速需求响应等新的节能系统的宣传与报道，并同时感受到在应用方式方面，LED、热泵式空调、热水机、燃料电池混合发电系统以及混合发电技术，加上尚未能完全得到开发应用的余热都在受到高度关注。

在2012年9月14日制订的“能源革新与环境战略”中，对“高效利用热能以节省能源”的专题提出了2个要点：“要高效地利用城市排热（工厂排热、清洁工厂的排热、发电厂排热等），同时要推进热管网的完备与管理上的完备”；“扩大应用可再生热能(地热、太阳热、河流热、冰水热、生物热等)”。基于2013年对热能开发的预算，热能开发项目如表1所示，显示出政府部门对这项领域的研究与开发在政策方面的积极态度。

表1 热能开发项目（摘自2013年预算）

本文基于当前背景，就余热利用及部分新技术的应用作一介绍。

1 余热种类与应用可能性

在日本，更高效或者说更有扩大应用潜能的热源大体包括：

（1）太阳热能、河流热能、下水道热能、地热等自然热能。

（2）工厂、垃圾焚烧设备、发电厂等，有高温热使用与排出的热能企业，废弃或未能回收与利用的热源。

（3）分散型发电厂综合运行中产生的剩余热能。

（4）天然气等液化燃料在气化过程中废弃于海水中的冷/热能源。

（5）地下热能（地铁、地下街道、地下输电线等）。

通常情况下，第1类情况不称为废热。目前太阳热能的应用成熟度高，但应用于家庭还有待于更先进技术的普及。河流、下水道产生的热能，更适合于通过热泵进行低温热的供给，这方面的重点在于热能回收的热交换器设备的管理水平以及设备的性能，即：要具备应对污损、老化、配套管道的堵塞等方面措施。对于地热，一般技术上的应用都是采用热泵产生出热能，供房间调温或供热水的热源。此项应用初期建设成本高，把夏季贮存于地下的热能冬季取出加以利用。应用课题在于贮存与抽取需要平衡，防止长期抽取造成“地下水枯涸”。

某种程度上说，第2—第4种类型是可以把热集中起来后再作各种形式上的应用，但目前存在问题有如下这几方面：对第2、第3类型来说，如果余热温度过低则无应用价值（需要提高热泵技术性能）；余热的产生地附近是否有适宜的热能用户（热能运输上的困难）；废热产生的时间段与需要热能用户的需求时间段存在时间差（存在贮热要求）。诸多时间与空间上的匹配问题都是成为热能有效应用的障碍。第4类方面的应用目前正侧重于开发蒸汽循环的制冷发电技术。

第5类是弥散于空气中的废热。通过冷却水把热能大量集中回收后由热泵升温加以利用。该方式的应用定位实际归类于地下空间的环境管理更为合理。

第5类所示的废热，除空气热外，其他还有燃烧气体、水蒸汽、冷凝水、水（废液）、有形体（例如：壁炉）等各种形态，其温度、热容量、传热与流动的特性、热源的纯度、热源的污损度、腐蚀性等存在多重影响因素，所以应用时需要根据其特点分别采用相应措施。

2 不同温度热能的应用课题

以温度的高低标准对余热进行分类，可分为高温热能（数百摄氏度以上）、中温热能（65～120℃）、中低温热能（30～60℃）和低温热能（30℃以下）。高温热能应用于发电、蒸汽生成（包括水的预热）、燃料等的预热、吸热式冷冻机的再生器热源等，主要是在工厂或供热现场应用，其温度区间在200℃以上。如果高温热能超过900℃，就需要开发热交换器、阻热等设备上使用的耐热材料、贮热材料。

对于产生与保持有400～500℃的炉壁上的热能，就需要通过热、电变换进行能源回收。目前变换效能还不足10%，有待于进一步提高。对于不足200℃的热能，只要有供水或有房间空调需要，就可以加以充分应用，这方面与低温及低温区域的应用相同，但必须消除以上所提及的时间与空间上的不匹配。低于100℃的热能且使用于空调房间的场合，最理想的方式是使用吸收式热泵技术。

最近，可使用60℃的热能、以冷水为介质的热泵已经问世。吸附型交换器的单体设备成本高，趋于系统大规模组建。未来课题是集成化与提高性能系数COP。

3 “超越时空”的方案

为消除“热能的发生”与“热能需求”间存在的不匹配情况，目前采用多个组合的方法。

3.1 热能离线输送

回收工厂热能后，把热能贮存于贮热材料内，通过集装箱卡车送至医院、饭店等用于房间供热或供水。工厂企业产生的低质热能，可有效地应用于居民区。从经济性与热能效率来看，运输距离半径为20 km为最佳范围，超过这个限制，远距离运送一来不现实，另一方面，用户侧需要配备热能贮储设施（贮热槽），这些都是目前面临的问题。

3.2 贮热技术

贮热对于热能的供与求之间存在时间、地理位置、需要量不一致问题时起到很好的调节作用。现在最常用的方法有：利用水或无机物生成的热能转换（利用温差变化时的吸、放热能）、冰或水蒸汽的潜在热能（液相变化时产生的吸、放热能）。这些都是长期以来一直使用的方法。

研究发现，将聚烯烃族树脂作为贮能材料时，可以制作成各种不同融点的胶囊型胶体物，在-21～58℃之间温度范围内产生液相变化的贮热体。此方式已经完成制造技术上研究，逐步转向冰蓄冷系统以及供水、房间地暖系统等方面市场的应用。在采用对流传热方式时，胶体的形状大多是以球型或圆柱型为主组成贮热系统；在采用热传导方式时，大多采用平板型式为主组成贮热系统。表2所示是经过近10年的探索后，目前所关注的材质用料。

表2 有液相变化的贮热材料

对于贮热材料的要求有：适应于不同用途，具备充分的热导性、稳定性、响应性、安全性、经济性与小型轻便的性能，特别是20世纪90年代起社会对化学品材料的敏感与警戒度增强，强调了法制与法规，所以目前的许多材料很难应用于实践，其中不仅仅是热导性能的要求，安全性也成为选择材料的一个重要因素。基于此原因，当前在热导性方面主要就是推进研发聚乙二醇（polyethylene glycol,PEG）以及石蜡（Paraffin）作为贮热材料。例如：当前已经把PEG制作成一种小颗粒型应用于日常生活的保温产品中；把温度范围在4～80℃之间有融点的石蜡，利用烯烃族类遇热产生可塑性的弹性体或利用吸液性的高分子材质固化特性或凝胶化后制成产品，进入市场后的产品超出了消防法所规定的“危险品”范畴，可以在生活中得到安全使用。

保持热水供应与暖气房间温度的贮热材料，长期以来一直是使用盐水（海水salt velocity）制冰的方式。为了走向更高的保温区域，作为更安全性的材质，目前正在关注糖醇(sugar alcohol)。如果通过发酵的方法可以从赤藓糖醇（erythritol）中大量地生产出苏糖醇（threitol），未来则就有可能作为供水贮热材料加以应用。

目前已经有应用实例，就是利用苏糖醇的过冷却现象制作成热水贮热装置，在混合发电系统中得到了应用。还有的应用案例是把贮热装置应用于微型燃气发电机系统中，贮存其发电机废热。当燃气汽轮机停机后，苏糖醇的液相释放热能以供夜间房间暖气，深夜时贮热材质保持过冷却状态，第二天凌晨材质强制性开始凝固，保证第二天一早房间暖气负荷的充分供给。

赤藓糖醇是作为工厂的废热的存贮材料加以应用，贮存后的热能通过集装箱卡车运输以保证热水供应。如果在容量为5～21 m3的运输罐内充填贮热材料，并由介质直接地进行热交换，约2 h完成贮热，在20 km的用户圈内卡车直接运送，热能用户方约4 h完成热能的释放。这一热能供应系统已经完成实际应用验证。

甘露醇的应用是作为一种充填物，把77 kg材料充填于190根的铜管内，并作为充填物放入水槽（直径500 mm×900 mm，水量190 L），以30～40 kg/h蒸汽流量产生200～250 kg/m3的蒸汽。此系统也已经通过了应用验证。

在探讨贮热系统时，其有效地应用贮热材料的材质特性十分重要。磷酸钠（DHD）、醋酸钠（sodium acetate trihydrate,SAT）、赤藓糖醇都有液相变化，从而可以增加贮能，而石蜡类的贮热材料由于材质的温度可变幅度小，所以应用也受有限制，同时石蜡类的贮热材料大多热导率也小，所以在考虑导热的基础上进行应用系统的设计十分重要。

4 结束语

以上对余热的应用与其特性作了概述，特别是贮热技术方面，对研究成果作了详述。余热的应用是一个多方面、综合的课题，期望未来在技术开发方面有更大进展。