低品位余热回收利用技术的研发

低品位余热回收利用技术的研发动力101摘要：低品位余热是一般不被重视的废气能源，虽然能量品质低或密度低，但将成为节能减排的重要组成部分，指出，通过多年的实践，对低品位余热利用的研发与应用技术是可行的，具有现实意义。关键词：低品位余热；余热利用；液态金属余热利用；节能Abstract：Low-gradewasteheatisanemissionenergywhichhasbeinggenerallynottakenseriously．Althoughtheenergyqualityanddensityislow，itwillbecomeanimportantcomponentofenergy-savingandemissionreduction．Throughyearsofpractice，theauthorpointsoutthatresearchanddevelopmentoflow—gradewasteheatutilizationandapplicationtechnologyisfeasibleandpracticalsignificance．Keywords：low-gradewasteheat；Wasteheatutilization;liquidmetalwasteheatutilization;energy0引言低品位余热是指品位低、浓度小、能量少，不被人们重视的废热能源。低品位余热目前可分为三类：热值小于600kcal/Nm的低浓度可燃物、温度低于800℃的显热物体、温度低于400℃的低温尾气烟气。能源是人类赖以生存和发展的基础，也是经济发展的原动力。中国是以煤炭为基本能源的同家，煤炭比重长期保持在65％以上，而非化石能源占一次能源消费的比董仅约8％．闪此面对环境污染、资源和能源短缺等硬性约束。必须寻求新的能源发展道路．才有可能突破经济增长的“瓶颈”。目前，中国能源利用率仅为约30％。大量余热以各种形式被排放到大气中，可再生能源在能源结构中所占比例不足8％。因此，回收利用余热在提高中困一次能源利用率方面具有举足轻重的作用。目前，中国同收利用的余热主要来自高温烟气的显热和生产过程中排放的可燃气，中低温余热(即低品位余热)基本上还没有回收。相对于煤、石油、天然气等高品位能源而言，低品佗余热在相同单位内包含的能量很低．利用难度大。但从能源利用的格局来看，低品位余热将作为产能和用能的关键环节，对节能减排的战略起到重要作用。现有的低品位余热的回收利用中普遍采用水冷介质，受到水资源、运输、地域等多方面的限制。一定程度上阻碍了余热的大规模应用。2010年初，中国南方多省市及东南亚多个国家和地区遭受严重旱灾，使这一问题显得尤为突出。因此，寻找可重复利用的新型无水高效传热介质是推进低品位余热利用的关键所在。1国内外发展状况目前，对低浓度可燃物的利用尚没有成熟的技术。随着环保的要求，一般采用电捕技术。而此技术产生的二次污染难于治理，后改为焚烧后直接排人大气，几乎没对余能进行全面的利用。对低品位显热的余热利用，如，煤矸石制砖厂的余热利用方案都是在隧道窑窑顶放置1个大水箱，依靠烟气直接加热的方式把水箱中的水加热后，向各使用地点供热水，主要用途为取暖和为职工澡堂供应热水。国内外煤矸石烧结砖显热的直接回收利用技术尚是空白。低温度烟气余热回收目前主要采用同级利用(低温热量直接代替了原使用的二次能源)，如，空气预热、水加热、储罐加热以及升级利用。如，溴化锂吸收制冷、热水扩容发电、正丁烷有机工质发电等。低温余热的利用应优先考虑长周期运行的同级利用，其次考虑全年中部分时间利用的同级利用，如，采暖。最后才考虑升级利用，即热泵、制冷、发电。目前，利用吸收塔和闪蒸塔将低温余热进行回收，余热回收率高，是较科学的路线。2.低品位余热利用技术2．1低品位余热利用为导向的技术研发低品位余热利用技术是先进技术和环境保护相结合的产物，是控制大气污染，保护臭氧层，减少温室气体排放，开发新能源的有效手段和途径，也是企业提高能源利用效率，降低成本，增强市场竞争力，保护生态环境的措施。2.1.1低浓度可燃物余热利用项目的研发低浓度可燃物余热利用指的是挖掘热值2512J／m3的可燃成分(气体、固体颗粒)的余热。在煤炭转化过程中，有大量的含有低浓度可燃物的尾气排出。采用沉降、补燃、焚烧、换热等一系列技术措施，进行余热回收利用，既解决了尾气能量的回收问题，也实现了尾气的净化处理。余热锅炉(Q6.8／1050—3—1．25，Q3．2／1200—2—1．25，Q8／1050—4—1．25型)都是此项目的应用示范。目前，对低浓度可燃物的利用尚没有成熟的工程技术应用经验可以借鉴。从1997年开始，太原嘉能动力科技有限公司与山西新华化工厂合作，进行科技创新。在大量测试、分析、试验的基础上，于1998年在中国第一次把低品位余热锅炉成功地应用到炭化生产线上。在实际运行时间不足1年时间，就为该化工有限责任公司节约了120×104元的能源费用，减少烟尘排放100t，收到了显著的经济效益和社会效益。随后，在该厂安装了8台。目前，此项技术日臻完善，形成了系列产品。2.1.2低温度显热的余热利用项目的研发低显热利用采用分段直接换热技术回收热量。低品位显热物是指固体物的温度800℃，且有一定质量的物体。G19／780—3．1．25型余热锅炉是此项目的应用示范。太原嘉能动力科技有限公司根据烧结煤矸石砖隧道窑换热特征采用分段直接换热技术，成功地将煤矸石烧结砖显热利用于山西长治市金环节能建材有限公司，为该企业节约原煤4500t／a。2009年10月15日得到山西省墙材会议参会人员的肯定，其特点是采用了以物体显热直接辐射换热为主的新方式，最大限度地换取了煤矸石烧结过程中的余热。2.1.3低温度尾气的利用项目研发低温度尾气(尾气温度≤400℃)余热，已有水热、气热换热器得到良好应用，如，JNF30换热器。太原嘉能动力科技有限公司正在进行利用吸收塔和闪蒸塔将低温余热进行回收，余热回收率高。2．2研究进展2．2．1吸收式系统溴化锂吸收式热泵在工厂余热回收中的应用已经越来越广泛，它可以回收利用工厂低温余热热源的热量，将低品位热转变为高品位热，广泛应用于有余热资源或有低温热源的石油、石化、制药、酿造和钢铁等行业。另外，在炼油工业、天然气和热电冷i联供系统中。可以配置吸收式系统实现对各种低温余热的高效利用。2．2．2吸附式系统吸附式制冷技术作为一种余热利用的新技术，其研究开发正日益成熟。它可以将太阳能或余热等低品位热源作为驱动热源，采用对环境友好的工质对。设备结构简单，一次性投资少，运行费用低，使用寿命长，无运动部件。无噪音，无环境污染，特别适用于有大量低品位余热排放的工业过程及有频繁震动的移动机械上。2．2．3新型材料针对冶金、玻璃、水泥、陶瓷等行业中高能耗的窑炉。回收烟气余热的传统做法是利用耐火材料的显热熔变化来储热，这种储热设备的体积大、储热效果不明显。改用相变储热材料，是研究较为广泛的一种方法，这样储热设备体积可减小30％～50%，还可起到稳定运行的作用。目前正在研究的新型相变材料有潜热型功能热流体、纳米复合相变储能材料、定型相变蓄能材料和无机盐，陶瓷基复合相变蓄能材料等旧。采用热电材料进行温差发电，也是工业余热的一个应用领域。如利用炼钢高炉等工业废热和利用汽车发动机的余热进行温差发电。通过模型证明了采用热电材料将余热直接转换成热。理论上可以到达卡诺循环效率的40％。另外。金属氢化物在空调、供热方面的应用也逐渐引起人们的重视。2．2．4热管技术热管是一种由管壳和工质组成的高效导热元件。以相变(蒸发与凝结)换热作为传热的主要方式，具有传热能力大、温度控制能力强、传热效率高等特点。现在热管换热器已在电力、冶金、石化、玻陶、电子、轻工等行业的余热网收领域获得了广泛的应用。在钢铁企业中，有别于以往烟气通过各种换热器和余热锅炉转化为蒸汽或者热水进行热利用的方式．热管废热发生器能够直接利用烟气余热。2．2．5热声技术热声热机是通过热声效应实现热能与声能的相互转化的装置。从声学角度来说，热声效应是由于处于声场中的固体介质与振荡的流体之间相互作用，使得距固体壁面一定范围内沿着(或逆着)声传播方向产生一个时均热流，并在这个区域内产生或者吸收声功的现象阎。热声热机可利用低品位热源，将难以利用的余热(如铝电解槽中槽壳侧部温度为300％的余热)转化成便于利用的电能，这也是它应用到工业中的立足点。2.3液态金属工业余热利用技术在至今所发展的各种余热利用方法中，基本上都是以水作为冷却工质。但是能被人们生产和生活利用的水资源不仅短缺而且地区分布极不平衡，年际差别很大，再加上污染严重，造成水资源严重不足。中国为此启动了“引黄工程”、“南水北调”等水资源利用项目，但是对于这些项目未能惠泽的众多地区，尤其是交通不便的偏远地区，水源紧缺、运输困难成为制约其余热利用技术发展的关键问题。因此，发展非水冷却工质的换热器成为推广余热利用技术、促进经济发展的重要课题。刘静等首次将低熔点金属及其合金流体引入到计算机芯片热管理领域，从而开启了旨在解决高端芯片热障的液态金属散热方法。实验室前期开展的一系列研究，揭示了室温金属流体换热器高效的传热特性和低功耗驱动优势。实际上，这种先进的传热方式，不仅限于以高热流密度芯片著称的IT行业，在工业及生活领域随处可见的大量低热流密度、低品位热能传递及应用上，也可以发挥关键作用。这主要源于液态金属散热技术所体现出来的一系列独特价值。归纳起来，液态金属传热方式具有如下特点及优势:适用于换热器的室温金属流体工质工作温区广，比如最典型者镓基合金的最低熔点可达-19℃，最高沸点则高达2400℃，这使其可用于发展传热性能稳定的单相换热器，从而广泛适用于大量室温区的工业余热利用领域;具有远高于单相水的对流换热系数，这种高效的换热能力有助于发展体积紧凑的换热器;可采用电磁泵驱动，无任何机械运动部件，由此发展的换热器运行稳定可靠且无噪音;作为金属介质，液态金属传热流体可采用电磁泵驱动，因此换热器运行无机械损耗，效率高，功耗低，节能效果明显;典型的金属流体如镓基合金流体性质稳定，常温下不与空气或水反应，无毒性，且饱和蒸汽压低，不易蒸发；表面张力大，不易泄漏;金属流体成本虽高，但容易回收，在高回收率的情况下液体成本极低，而且金属流体换热器维护方便，不涉及水处理及由此可能产生的可能污染问题，总的运行成本较低，这使其可广泛用于大量工业领域。以上特点，实际上确保了液态金属换热器作为未来一大类优质换热器存在的可能。目前，这种新型换热器在余热利用领域的普及，在很大程度上并非是受成本和技术阻碍，实际上是受到了观念的制约。3降耗节能应采取的措施从2009年长治市节能降耗工作进程看，要完成“十一五”的目标量，任务是很艰巨，必须采取强力有效的措施，深化改革，抓住重点，充分运用行政、经济、法律等手段，全力推进长治市节能降耗工作进程。3．1以结构调整来促进工业节能通过对工业节能量影响因素的分析，只有通过调整工业结构，鼓励高产出、低耗能产业的发展，促进行业结构优化升级，提高工业用能效率，才能实现工业节能。3．2狠抓重点行业和企业的节能降耗以钢铁、电力、建材、石油、化工、煤炭等行业为重点，全力推进工业节能，坚决遏制耗能高、污染重产业过快增长。继续大力实施“双百”企业节能监控工程，“双百”企业能耗总量占全部规模以上工业企业总能耗57．51％，是工业企业节能的重点。组织开展与省内国内同行业能耗先进水平对比活动，推动各企业加大结构调整和技术改造力度，降低产品单耗，提高能效，推动长治市工业行业实现低耗高效发展。3．3促进高耗能企业实现能源使用的科学化管理当前，要重点对新投产或刚刚恢复生产的高耗能企业和有新高耗能项目的企业加强节能监督管理。有关部门要积极指导和帮助这类企业做好能源计量、搞好能源核算和分级定额考核以及能源平衡测试等方面的工作，使企业在能源使用过程中的各个环节都能达到科学化管理。3．4着力推进科技进步与创新继续实施余热余压发电、高炉和转炉煤气回收利用