浅析低温废热的综合利用与有效开发

(北京大学工学院，北京 100080)

0 引 言

废热，指人类生产、生活中产生的热能，在利用结束后排放的部分，又称为余热，分为高温废热(高于800 ℃)、中温废热(200～800 ℃)和低温废热(200 ℃以下)。

随着我国经济的飞速发展、工业化程度不断提高，废热排放问题越来越严重。废热的排放不仅造成能源浪费，而且破坏环境，影响生态。例如，火力发电厂的废热排入河水，使水温升高，降低了水中的溶解氧含量，影响水生动物的生长与繁殖；加速水中富营养化藻种的生长，造成赤潮；水温的上升还会降低水的粘度，加速水中悬浮物的沉降，使河床抬高，形成悬河，大大增加了水利隐患[1]。随着世界范围内的能源紧缺，各国正致力于节能、减排，力争可持续的发展。因此，对各种废热进行合理利用、有效开发，刻不容缓，意义重大。

1 火力发电厂废热的利用

火力发电厂中，燃料燃烧所产生总热量仅40%转变为电能，剩下60%都成为废热。废热分为两个部分，一部分是由循环水带走的蒸汽余热，另一部分是燃煤锅炉烟气的热量。

由于火力发电厂规模大，集中且固定，它的废热利用目前被研究较多且成果丰硕。全国已经有16%的火力发电厂实施了废热利用，产生了良好的经济效益[2]。火力发电厂废热主要有以下几种利用方式：

(1) 用于供暖

冬季火力发电厂循环水的温度一般为20至35 ℃，而城市集中供暖需要90 ℃的热水。所以火电厂循环水用于城市居民供暖需要使用热泵来提高温度。

假设有一个理想热泵从30 ℃(303 K)的发电厂循环水吸收热量，用于加热90 ℃(363 K)的供暖热水，工作物质为理想气体，做卡诺逆循环，则致冷系数为：

每输入1 J的功，理想热泵可以从发电厂循环水中提取出5.05 J热量，向供暖热水释放6.05 J热量。如果不使用火力发电厂循环水，而是从-10 ℃(263 K)的大气中吸收热量，则致冷系数为：

在这种情况下，每输入1 J的功，只能从大气中吸收2.63 J能量，为供暖热水提供3.63 J热量。所以，与直接从大气提取热量相比，利用火力发电厂的废热可以使能量效率提高67%。

实际情况下，热泵可以选择压缩式热泵和吸收式热泵。

压缩式热泵的原理与空调和电冰箱类似，工作物质初始时为气态，先被绝热压缩，再等压降温并液化，向高温热源放出热量，然后节流膨胀，最后在低压下汽化，从低温热源吸收热量。压缩式热泵需要大量的电能。

吸收式热泵一般使用溴化锂溶液和水作为工作物质。以一个高温热源作为驱动力，将大量热量从低温热源(火力发电厂循环水)提升到中温热源(供暖热水)中，耗电量极少。由于火力发电厂锅炉本身就产生高温蒸汽，可以分出一小部分用作高温热源，吸收式热泵非常适合于火力发电厂的废热利用[3]。

(2)用于海水淡化

对于沿海地区，尤其是在淡水资源匮乏的沙漠地区来说，如果能够利用火力发电厂70 ℃的低品位蒸汽作为热源，使用低温多效蒸馏法淡化海水，将产生不错的效益。

具体原理是设置多级蒸馏，在第一级蒸发器中用70 ℃蒸汽加热海水，使海水蒸发。产生的蒸汽进入第二级加热海水，自身被冷凝成淡水。第二级产生的蒸汽又进入第三级。通过这种方式实现对蒸汽余热尽可能完全的利用[4]。

与目前海水淡化常用的反渗透法相比，低温多效蒸馏法的优势在于方便维护且成本低廉。因为低温多效蒸馏法直接使用火电厂的低品位蒸汽废热，而反渗透法需要对海水施加较大压强使其通过反渗透膜，而反渗透膜需频繁更换且价格昂贵。

(3)作为火力发电厂烟气脱硫废水蒸发浓缩的热量来源[5-6]

目前火力发电厂大多采用石灰石-石膏法去除燃煤废气中的二氧化硫。其原理是将废气通入石灰石浆料中，鼓入空气，发生化学反应，最终转化为石膏[7]：

2CaCO3+2SO2+O2=2CaSO4+2CO2

随着脱硫浆液循环利用，废气中含有的氮氧化物、金属盐类溶解在浆液中，日积月累，浆液达不到废水排放标准。

如果用火力发电厂循环水来加热脱硫浆液，蒸发结晶，不仅可以减少污染排放，而且可以富集废气中的分散元素，例如Ge。但是，需要注意，由于脱硫浆液含有大量的硫酸钙，容易形成水垢，降低传热效率，应定期清理水垢。

2 中央空调的废热利用

中央空调主要用于豪华酒店、商业购物中心、大型写字楼、火车站、医院等场所，是名副其实的耗能大户。一般建筑总能耗中，中央空调能耗约占50%，商场的中央空调能耗更是占到60%以上[8]。

(1) 用于商业干衣

酒店、商场、医院常常设置了商业洗衣房，需要洗涤大量的衣物、床上用品，可以用中央空调废热进行烘干作业。这种方案利用了温度越高，空气流速越快，液体的蒸发速率越快的原理。

为了估计水的蒸发速率随温度的变化，假设有一个半径为r的球形水滴，水滴与空气的界面上达到相平衡的速度足够快，即近处水蒸汽的分压始终等于水在当前温度下的饱和蒸气压ps。远处空气的相对湿度为φ。水蒸汽在空气中的扩散系数为D，水滴的蒸发速率(单位时间蒸发的质量)为W，水的相对分子质量为M。

水滴近处水蒸汽的密度为：

水滴远处水蒸汽的密度为：

以水滴中心为球心，作一个半径为x(x>r)的球面。由于整个体系是球对称的，该球面上各处的粒子流密度大小相等，方向垂直于球面向外。根据菲克扩散定律，单位时间内通过该球面的水蒸汽质量为：

由此得到距离水滴中心x处的水蒸汽密度梯度为：

水滴近处与远处的密度差为：

由此得到水滴的蒸发速率为：

水在温度T下的饱和蒸气压为：

其中，Lm是水的摩尔汽化热，为4.07×104J/mol。

水蒸汽在空气中的扩散系数D与温度的1.5次方成正比，设比例系数为a，则：

D=aT1.5

代入蒸发速率表达式得到：

当室外温度从35 ℃(308 K)上升至46 ℃(319 K)时，蒸发速率增长了：

=1.76倍

也就是说，使用中央空调的废热进行商业干衣，比简单地晾在室外节省43%的时间。实际上由于空调外机加速空气流动，蒸发速率还会更快。

(2) 提供热水

学生宿舍、酒店等集中住宿场所，热水的需求量很大，如果用中央空调的废热提供热水，则可以降低能耗。由于一般的中央空调废热为32～37 ℃，而生活热水需要50～60 ℃的水温，可以用一部分废热预热冷水，另一部分废热将水继续加热至所需温度，可以最大限度地利用废热，但是这种方案管路、设备、控制系统较复杂，实施难度较大。另一种方案是先用中央空调废热预热，再用电能加热至生活热水所需温度。以一栋500间客房的酒店为例，如果用废热提供热水，每年可以节省1.9×106kWh能耗，节约90万元[9]。

3 数据中心的废热利用

随着互联网产业的飞速发展，数据中心规模越来越大，数据中心的散热问题也越来越严重，数据中心的冷却能耗已经占到总能耗的45%～50%。为了降低冷却成本，互联网企业想出了各种方法：Facebook在气候寒冷的丹麦建设数据中心[10]。微软将数据中心潜入海底，利用海水冷却[11]。贵州也打出“电价低廉，温度适宜”的招牌，吸引苹果、阿里巴巴等企业来贵州建立数据中心。

这些冷却方法虽然节约了成本，但是并没有把废热收集起来，进行有效利用。于是有人设计出了以计算机服务器为热源的热水系统，通过微通道换热器将服务器产生的热量传递给供暖热水[12]。北京市的数据中心如果全部应用此系统，总计可以提供1 517 MW热量，可供暖面积为4 336万平方米，每年能节省13亿元的燃料费用[13]。

但是，互联网企业并没有太大动力去建造废热利用设施。以英国为例，数据中心1 kW·h时的电能价格为0.17便士，却可以产生130便士的商业价值，是电价的765倍[14]。废热利用带来的效益与数据中心所提供互联网服务的效益相比可以忽略不计。而且，数据中心在规划设计阶段必须与城市规划相配合，选址在居民区附近，并接入供热管网，否则数据中心建成后将会面临热量无处可供的局面[13]。

4 结束语

以上各种方法，都是将废热输送给需要热量的地方。除此之外，经过科学家的不懈研究，低温废热发电已经取得了显著的成果。目前已经有回收60℃以上废热的发电系统，在造纸、冶金等行业得到应用。

还有很多工业领域，例如电镀行业、食品行业、石化行业的废热利用方法与上述方法大同小异，能实现节能减排，替代不可再生能源。

人民对美好生活的向往，就是我们的奋斗目标。人民对天更蓝，水更绿，环境更美丽的向往是日益增加的。我们的奋斗和探索是无止境的，要脚踏实地，扎实研究，找到更多好方法利用废热，保护地球。