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中、低温余热回收利用的可行性分析1中、低温余热回收利用的可行性分析参与者：昝成班级：热动01班学号：000766专业：热能与动力工程单位：热能工程系指导教师：史琳教授时间：2002年11月至2003年11月中、低温余热回收利用的可行性分析2摘要中、低温余热资源的合理回收利用作为节能工作的一个重要方面，对于我国经济发展、人类生存和环境都起着举足轻重的作用。本文从热力学、经济性、系统工程和决策的角度，研究中、低温余热回收系统优化的热经济学分析和生命周期分析，以求同时达到节能、环保和提高经济效益的目的。本课题分别从热经济性、资源和环境三个方面提出了分析、比较和判断余热回收系统可行性的一系列指标：资源回收指标、水污染指标、大气污染指标、水污染指标、固体污染指标以及其他污染指标，并导出了各个系数与系统参数之间的关联式。针对从原始的能量系统向余热回收系统转变过程中实际存在的多目标特性，本文将热经济学理论和生命周期评价体系相结合，以上述得到的一系列指标为基础，提出了一个从经济、资源、环境三个方面综合考察余热回收系统可行性的评价体系——基于热经济学理论的生命周期评价体系（LCEBT）。本文作者协助张心卉硕士对二步法磷酸生产余热回收改造进行了工程计算，并将其作为分析实例，更加明确了LCEBT评价体系中各个指标的工程意义，这一过程为进一步完善LCEBT评价体系提供了宝贵的经验。关键词：中、低温余热资源，热经济学分析，生命周期分析，基于热经济学理论的生命周期评价体系（LCEBT）中、低温余热回收利用的可行性分析3目录第一章前言……………………………………………………………………11.1背景……………………………………………………………………11.2中、低品位余热资源利用的现状……………………………………11.3国内外同类研究水平与进展…………………………………………41.4本SRT研究的主要工作内容…………………………………………5第二章基于热经济学理论的余热回收生命周期评价体系…………………62.1引言……………………………………………………………………62.2研究方法………………………………………………………………6第三章对于热法磷酸生产余热回收改造的生命周期评价…………………123.1研究对象………………………………………………………………133.2研究范围………………………………………………………………133.3生命周期的清单分析………………………………………………133.4技术性评价……………………………………………………………133.5经济性分析……………………………………………………………143.6环境性分析……………………………………………………………143.7案例总结………………………………………………………………17第四章结论……………………………………………………………………17参考文献…………………………………………………………………………18中、低温余热回收利用的可行性分析4第一章前言1.1背景一九九六年三月，八届人大第四次会议通过了《中华人民共和国国民经济和社会发展“九五”计划和2010年远景目标纲要》。在纲领中把“坚持节约与开发并举，把节约放在首位”，作为实现我国战略目标必须遵循的基本方针。在经济增长方式转变的要求中指出，其中一个重要方面就是要“狠抓资源节约和综合利用，大幅度提高资源利用效率”，节约能源是提高能源效率和经济发展的一个重要国策[1]。能量是推动过程进行的源泉和动力，能量的转换、能量的利用和能量的回收三个环节构成了过程用能的一般规律。随着过程工业的发展，能量转换和利用的单元设备的能量利用率已较高，所以整个能量利用系统的合理优化配置和能量的综合利用，就成为决定能量利用率的关键，能量的回收环节也成为过程工业不可缺少的组成部分。以往对高品位余热的回收进行过很多探索和实践，如余热锅炉、余热发电、联合循环等。但随着能源危机和环境保护的压力越来越大，以及中、低品位能量回收技术的发展，对大量存在的中、低品位能量的回收开始得到重视。对中、低品位能量的回收，不仅可以提高能量利用效率，达到节能的目的，而且也有利于减少环境的热污染，实现可持续发展，所以对中、低品位能量回收的经济学研究就具有重要的意义。1.2中、低品位余热资源的利用现状余热资源是指经技术经济分析确定的可利用的余热量[2]。中、低品位能量是指温度在250℃以下的能量，其不仅在过程工业中大量存在，而且随着太阳能、地热能等新能源应用的日益广泛而大量存在，所以本研究任务的研究方法，对中、低品位的能量的研究具有普遍意义。根据国标GB/T1028-2000，这里将按照中、低品位余热资源形态，即气态载体余热、液态载体余热、固态载体余热，化学反应热及余压发电进行分析。1、气态载体余热利用现状气态载体余热资源占资源总量的60%以上，是最多的一种余热资源，其载体主要为烟气、可燃性废气和放散蒸汽。根据GB/T1028-2000，其按照技术可行、经济合理的原则，规定了余热载体的下限温度，结合中、低品位能量的特点，可以将研究对象定位为：180-50℃的烟气、可燃性废气以及100-250℃的放散蒸汽。1)180-250℃烟气的利用180-250℃的中、低品位烟气的余热资源量比较多，遍及各个行业，见表1。表1中、低品位烟气的温度及余热资源（1996年）[1]行业窑炉温度℃资源量万tce行业窑炉温度℃资源量万tec有色金属锌挥发窑余热锅炉和锌热风炉烟气＜40020石化乙烯裂解炉烟气2309.4建材水泥回转窑其中：1、半干法窑加热器出口烟温2、湿法窑窑尾烟气200-3507轻工陶瓷炉烟气200-30035各业工业锅炉200-300160-3508水泥立窑烟气80-250149瓦砖窑引出烟气150-350158中、低温余热回收利用的可行性分析5注：tce代表一吨标准煤中、低品位烟气大都直接利用，例如烘干物料、坯料，产生低压蒸汽或热水供生产、生活之用。这种利用途径投资小，见效快，为一般企业所采用。a)回收利用工业锅炉烟气我国工业锅炉数量庞大，且大量是10t/h以下工业锅炉，排烟温度在250℃以下，为了回收这部分低温余热，我国很多地方，对工业锅炉余热回收作了很多工作，如江苏东南大学研制开发的铸铁强化空气预热器，传热元件用铸铁肋翅管，烟气在管内流动，传热效率高，耐腐蚀、抗积灰、阻力小，可使锅炉热效率提高5-6.5个百分点，一年左右回收投资。还有用硼硅玻璃管空气预热器、热管预热器回收余热，成效也较好。b)烟气余热烘干坯料陶瓷厂和砖瓦厂采用隧道窑的都有大量中、低品位烟气，砖瓦窑引出150-300℃烟气，送往烘干房烘干坯料；有的还多级利用烟气余热，如陶瓷隧道窑和辊道窑中产生的400-500℃热烟气进入预热带预热进窑坯料后，排放烟气仍有250℃左右，为回收这部分烟气，在烟道上装设热管换热器，以冷空气作载体，回收热量送入烘干房烘干原料和瓷坯，可以节约全部烘干用煤。2)减少炉体散热损失全国工业炉窑目前有20万台以上，一些炉窑因保温不好，散热损失大，能量浪费严重。如水泥窑散热损失一般占总能耗7-8%；玻璃熔窑散热损失约占玻璃熔窑总热耗的30-40%；热处理炉蓄热散热损失达40-60%等。为减少工业炉窑散热损失，根据不同炉窑具体情况，采用多种保温措施。如：湿法水泥窑在窑尾砌隔热砖；水泥立窑采用全保温措施；热处理炉用硅酸铝全纤维在炉体内壁进行粘贴等。有的可以减少散热损失1/2-1/3。2、液态载体余热利用技术液态余热资源，分布在液态产品、中间产品、冷却水、可燃性废液等和冷凝水中。对于中、低品位液态余热资源，液态产品、中间产品、冷却水、可燃性废液等温度定义在80-250℃之间，冷凝水则定义在环境温度到250℃之间。液态载体余热资源主要在化工、石化、轻工、纺织等行业。化工、石化工业生产过程中，流态热物料很多，由于液态热易于利用，因此多在工艺中利用。其外排较多的液态余热资源见表2。液态余热资源利用，一般采用换热器，将其热逐级利用。液态载体余热利用途径如下：(1)蒸汽冷凝水回收一般蒸汽使用装置利用的热量，只是蒸汽总量中潜热，而蒸汽中显热，即冷凝水所含的热量，许多还未被利用。冷凝水所具有的热量，根据蒸汽压力不同而不同，可以达到蒸汽总热量的15-20%。回收冷凝水，可节省锅炉燃料，节约软水以及消除由排汽冷凝过程引起的噪音。冷凝水回收系统，一般采用以下几种方式：a)向锅炉直接回水，这适用于水量较大，温度较高、锅炉距离冷凝水近。b)向给水箱直接回水，适用于冷凝水压力较低或冷凝水点多，离开锅炉较远的情况。c)对压力较高的冷凝水，利用蒸发水箱产生二次低压蒸汽用于生产，其冷凝水再回锅炉或水箱；d)冷凝水中有显著污染的则采用热交换器间接利用。(2)制浆造纸黑液回收在植物纤维原料中，有50%以上物质溶解于蒸煮液中，成为黑液，每生产一吨本色风干木浆，就有1.1吨有机物稀释在黑液里，还有0.4吨左右无机物（碱和硫化物）。中、低温余热回收利用的可行性分析6这些有机物和化学药品排放出来，既污染环境也浪费余热资源。回收利用黑液，将其所含有机物作为锅炉燃料，产生蒸汽先发电再用于制浆造纸生产，经多次利用，使木浆纸厂能源自给率达到25-35%。其化学药品经处理后，回收作蒸煮药剂之用。(3)多效、闪蒸、降膜蒸发在制糖、制碱、氧化铝、纺织印染和化纤等生产过程中，蒸发是重要工序。在产品蒸煮工艺中，利用蒸汽压力逐级降低，多次利用二次蒸汽，即为多效蒸发工艺，采用多效蒸发工序可节省大量蒸汽。如烧碱蒸发，目前还有不少是双效蒸发或三效顺流蒸发工艺，国外多数已采用三效或四效逆流工艺。我国仅少数厂家采用三效溢流蒸发工艺或三效顺流强制循环工艺。双效顺流工序每吨耗蒸汽5.42吨，三效顺流强制循环为3.48吨，三效逆流为3.27吨。后两种三效的工艺能耗要比前一种双效的分别下降36%和40%。又如纺织的印染和化纤生产需用大量的硫酸和烧碱，酸液和淡碱液所含水分汽化蒸发、浓缩，重复利用。采用单效蒸发，蒸发每吨水需用蒸汽为1.1吨，双效蒸发为0.57吨，三效蒸发为0.4吨，闪蒸只需0.3吨，后两种蒸发蒸汽耗量少。(4)废液回收纺织工业的印染行业废液数量很大，品位不高，温度在80℃以下，回收难度大，废液中含有染化料、浆料、布屑等污染物，因此回收前要增加过滤沉淀设备。废液余热可通过热交换器回收利用。若废液余热采用热交换器回收，一般投资回收期三年左右，效益较好。表2液态载体余热资源[1]行业产品或工序名称余热温度℃资源量万tce石油油田稠油热采油井高温采出液120-13012采油排放污水（温度低，但量大）45-5045.7石化炼油厂粗汽油余热80-15042炼油厂轻柴油余热200——纺织冷凝水回收70-10016轻工造纸黑液——24.5纸机及蒸发器冷凝水——14.73、固态载体余热回收固态载体与热资源主要分布在冶金、建材、有色、造纸等高温的产品、中间产品、炉渣以及可燃性废料中。而对于中、低温余热资源则多存在于建材行业中，具体情况请见表3。表3中、低温固态余热资源[1]行业产品或工序名称余热温度℃资源量万tce建材水泥回转炉干法中空窑冷却机后熟料200-30021余热发电窑熟料200-30013.6预热器及窑外分解窑150-30098除冷却剂熟料————半干法窑熟料150-3007湿法窑出冷却机熟料150-30045.2建材水泥立窑熟料150回转水泥熟料温度高达850-950℃，其热量相当于熟料全部热量的20-35%，高温熟料余热利用一般是在冷却机中进行，熟料温度则冷却到100-300℃，冷风被加热到500-900℃，中、低温余热回收利用的可行性分析7用于入窑二次风和三次风，使助燃空气温度升高。有些回转窑，利用从冷凝器出来的200-300℃熟料余热烘干混合料（如矿渣水泥），节约烘干能源。4、化学反应热及余压发电利用技术化学反应热主要产生在化工的硫酸、甲醛、盐酸以及磷酸等生产过程中。我国许多行业采用余热、余压发电，回收这些热能，效益好。估计年余热资源节能潜力约260万tce。(1)硫酸余热