低品味余热利用及其开发研究

张琪林(中海油石化工程有限公司，山东 青岛 266101)

0 引言

能源在经济社会发展中有着不可或缺的重要作用，是推动经济发展的原始动力。随着经济全球化趋势的发展，世界范围内的能源发展状况都面临着严峻的挑战。我国仍处于后工业化时代，无论是经济发展还是人民生活水平的提高，都需要大量的能源作为基础。鉴于减少能源的大量消耗以及大气环境污染改善的需求，我国提出了2030 年、2060 年实现碳达峰和碳减排的目标。为了改变当前能源利用现状，我国在致力于大力开发利用新型可再生能源突破经济发展瓶颈的同时，充分回收利用余热也成为了提高能力利用率、降低能耗的发力点之一。余热的回收利用能大大提升能源效率，推动工业可持续发展的步伐。从当前我国能源利用状况来看，对低品位余热资源的利用和开发重点应当是提升余热利用产能，推动节能减排战略的实施。

1 工业余热利用现状

在钢铁、化工、石油和建材等行业的生产过程中，会产生大量的余热，可按照品味对其进行划分，温度高表示余热资源的可做功能力高，这也意味着能够直接利用，这种被称为高品位余热资源。与之相对，在温度低的状况下，就表示该余热资源的品位较低。工业企业在生产的过程中使用热能转换设备以及用能设备，排放出来的各种废热、废水和废气等都是低品位能源。要想对这些低品位能源加以利用，必须要采取余热回收技术，保证实现节能的最终目的。

1.1 石油行业低品位余热

我国的石化行业在生产过程中会消耗大量能源和资源，同时也会产生大量的余热资源。如果不能合理利用这些热能资源，不但会影响企业的经济效益，也会造成能源和资源的浪费。为了尽可能避免这种情况的出现，石油企业通常会利用溴化锂吸收式制冷机发电和回收装置余热，以此提升总回收效益。同时，为了深入挖掘余热回收利用的内在优势，很多油田进行了一些相关的研究。如我国的大庆油田通过热泵回收采出水余热技术，实现了站内的生活采暖。与此同时，将提取采出的水中余热应用在了油水分离等方面，获得的经济效益和社会效益比较明显。在深入研究原油价格上涨和能量优化的过程中，低温余热回收利用及其开发正在逐步受到关注[1]。

1.2 钢铁行业低品位余热

钢铁行业余热主要来源于33% 的焦炭、53% 的烧结、34%转炉和30%加热炉的烟气，这表明钢铁行业拥有巨大的余热资源量，在实现余热回收利用方面具有相当广阔的发展潜能。

1.3 水泥行业低品位余热

水泥窑当中存在着大量的余热，其中总热量的50%为窑尾一级预热器排出的废气带走的热损失和窑头冷却机废气带走的热损失。这些余热不仅能被工艺本身所利用，还能够将其应用在余热发电上。

2 低品位余热的利用方式

为使低温余热资源得到充分的利用，需要掌握好以下几个方面的原则：第一，对生产工艺进行尽可能的优化，保证对换热流程进行合理的组织，使工艺用能降低，从而确保生产工艺当中低温余热减少；第二，对厂区内、厂区周围的工业和民用的用电需求等进行综合考量，根据用户距离的远近和利用周期的长短等进行利用规划；第三，依据余热的品质、数量和实际的需求量，实施梯级利用，确保传热温差能够最大限度内减少；第四，对低品质余热的利用方案进行详细考虑，如耐腐蚀性、利用技术的成熟度和经济效益状况等。

2.1 直接热利用

直接热利用是直接发挥换热设备的作用，通过直接进行余热资源的传递，从而保证各个工艺和环节的能耗在可控的范围内，应用热交换技术不仅不会改变余热能量的形式，还是余热回收直接高效的重要体现。基于低温余热资源具有温度较低的特点，如果要对其进行应用，必须要确保其处于恰当的环境中，这样能有效排除输送过程中的损耗，从而使利用效率达到最大化。以循环水为例，一般都是在油田采出水和高炉冲渣水中获得，能够在采暖和供热方面得到使用；锅炉产生的烟气则能够在余热空气或者给水的时候应用。

目前，很多钢铁企业都推行高炉冲渣水用于居民采暖供热工程项目中。除此发挥其供暖的作用之外，首钢还将高炉冲渣水应用在海水淡化项目上，其根本目的是为了解决低温余热回收装置的运行时长问题。从电力行业来看，电力企业利用锅炉烟气余热回收装置实现了提升锅炉运行效率的目的。

2.2 制冷制热

如果直接热交换的条件得不到满足，那么还可以采取吸收式制冷或者热泵式制热的方式，使余热能量的等级得到改变，如图1 所示。相关研究人员在利用电厂循环水做热泵的热源开发上取得了成功，将少量的抽气作为驱动的能源，用热泵将循环水温度提升达到95 ℃之后，再输送到城市供热管网。一般情况下，化工企业具备较多的制冷工艺装置，在溴化锂吸收式制冷装置的作用下，将余热作为热源，制作满足生产使用的冷量，是一种低温余热合理利用的节能措施[2]。如果化工企业本身能够利用低温余热资源，那么除了用于企业自身的生产外，还可以对其进行深层次的探索，找出正确的办法使低品位余热资源被充分利用和开发。

图1 吸收式制冷或者热泵式制热

2.3 热功切换

热功切换本质上是一种能量之间的转化，将低品位余热资源转化为机械能或者电能，然后在对其进行合理的利用。使用热功切换具有一定的前提条件，即只有在低品位余热资源采用“直接热利用”或者“制冷制热”两种方式不能解决问题的时候，才考虑这种方式。在将低品位余热资源转换为机械能的时候，需要具备合理的机械负载条件。在将低品位余热资源进一步转化为电能的时候，主要考虑输送距离的问题，由于电能的输送比较麻烦，所以通常考虑使用方式较为灵活，而不将其应用在远程输送电能方面。基于低品位余热资源本身品味较低，在进行资源开发和利用的时候，通常需要对经济效益进行对比分析，充分的考虑经济性。

3 低品位余热的利用技术

根据相关资料可知，低品位余热资源中较为典型的主要有4 种：在140～220 ℃之间的锅炉或者加热炉等排放出来的烟气；在60～90 ℃之间的高炉渣或者炼钢渣的冲渣水；在90～120 ℃的蒸汽冷凝液；在150 ℃左右的炼油行业柴油汽油工艺降温[3]。

在对低品位余热资源进行利用的时候，必须要明白利用的难点，可将其归纳为4 个方面的内容：其一是在大多数的低品位余热资源当中都存在带有腐蚀性的物质，由于该物质的存在，设备在长期运行的过程中，容易对其安全造成一定的威胁；其二是有些低品位的余热资源带有间歇性特征，这使得其要想连续运行基本无法实现；其三是基于低品位余热资源的品味比较低，要想在周围找到合适的供热或者供冷负荷是一件很困难的事情；其四是要想在发电方面利用低品味余热资源还存在很大的难点，相关技术不成熟，实际利用效率低，在对其进行利用及开发的时候，还需要借助其他的技术手段。

当下，我国面临的能源形势十分严峻，因此节能减排的重要性不可忽视。而在节能减排当中，低品位余热的利用和开发在其中扮演着重要的角色。我国企业在发展的过程中，之所以将重点放在低品位余热利用和开发上，这是因为其能够带来更好的效益和价值，能够有利于企业的可持续发展，在节能减排、生态环境保护方面贡献力量。本文从以下5 个方面探究低品位余热利用和开发技术。

3.1 高效热管换热技术

利用和开发低品位余热资源的时候，需要重点考虑温差小和传热面积等问题，这意味着要想满足温差较小、传热面积较大的要求，靠单纯增加钢材使用量、扩大占地面积无法使传统的换热器满足低品位余热资源的利用。为了尽可能降低传热系数、降低钢材的耗量、控制受热面积，采取以相变换热为代表的高效热管换热技术能够有效解决问题。

3.2 换热器耐腐蚀或者耐磨损的技术

在对工业余热资源利用过程中，腐蚀是普遍存在的问题，这是因为烟气中大量存在酸性气体和粉尘、废水中存在氯离子等。由于腐蚀性因存在考虑，普通换热器的长期和稳定运行基本上是不可能的。而要解决好腐蚀性问题，可以采用特定的换热器材质，这样就能在确保换热器利用经济性的状况下，增强利用低品位余热的可能性。

3.3 热泵及低温余热溴化锂制冷技术

热泵及低温余热溴化锂制冷技术的优点，是其能够使对低温余热的利用升级。但是其在提高能效利用效率、受热面腐蚀方面却还存在不足。因此，热泵及溴化锂制冷机技术还有待进一步提升。

3.4 螺杆膨胀机发电技术

通过对螺杆膨胀剂的了解可知，其本身是一种容积式的发动机，在电机功率方面能够发挥的作用相当有限，一般情况下应用在余热资源偏少的场合。将70 ℃以上的热水和130 ℃以上的不含硫烟气作为热源，合理利用过热蒸汽、饱和蒸汽、热水、热液和其他热源等[4]。现阶段我国某些企业加大了对螺杆膨胀机发电技术的研究，将探究的重点放在了对电力资源的利用、发电效率的提升和发电的经济性和效益性等方面，希望突破该方面问题的制约。目前，在国内已经有公司生产出了相关的产品。

3.5 有机朗肯循环发电及其他低温发电技术

工厂当中存在的大量低品位余热温度通常在200 ℃，甚至100 ℃以下，这使得利用其进行发电的难度很大。基于这种状况，有机工质循环方案被提出。

有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，ORC)。该技术的最大优点在于其不用水作工质，工质选择使用低沸点的有机物上。通过对废气余热进行吸收、汽化，然后输送到膨胀机中膨胀做功，从而带动发电机发电。目前，有机朗肯循环发电的有机工质是正丁烷、R245fa 等低温沸点有机物，其中还有一部分采用的是有机工质的混合物。

目前，国际范围内都开展了对有机朗肯循环发电技术的研究，美国、德国和日本等国家都有企业在做专业的研究，而国内对这项技术的研究相对落后，不仅存在很多需要克服的关键性问题，还受到研究人员的专业性等因素的限制[5]。

除了上述技术之外，对低温余热资源的开发和利用将重点放在了低温发电技术上，目前Kalina 循环发电是其中颇受关注的。与ORC 比较，Kalina 循环发电的发电效率更高，但是因为氨介质有一定毒性，在实际的研究过程中其并没有很好的表现。

4 结语

当前我国大力倡导绿色发展理念，低品质余热利用成为了石化、钢铁、水泥等行业实现节能减排、清洁发展的重要抓手。鉴于低品质余热利用和开发技术众多，企业要想应用好这些技术，就需要充分了解掌握这些技术的优点和缺点，找到与企业生产实际相匹配的技术和解决方案，提升技术的实用性。