余热回收

余热回收利用是指将工业过程产生的余热再次回收重新利用。主要技术包括热交换技术、热功转换技术、余热制冷制热技术。

余热回收利用

Waste Heat Utilization

特点

降低成本、节约资源

当前，我国能源利用仍然存在着利用效率低、经济效益差，生态环境压力大的主要问题，节能减排、降低能耗、提高能源综合利用率作为能源发展战略规划的重要内容，是解决我国能源问题的根本途径，处于优先发展的地位。实现节能减排、提高能源利用率的目标主要依靠工业领域。处在工业化中后期阶段的中国，工业是主要的耗能领域，也是污染物的主要排放源。我国工业领域能源消耗量约占全国能源消耗总量的70% ，主要工业产品单位能耗平均比水平高出 30% 左右。除了生产工艺相对落后、产业结构不合理的因素外，工业余热利用率低，能源( 能量)没有得到充分综合利用是造成能耗高的重要原因，我国能源利用率仅为 33% 左右，比发达国家低约10% ，至少 50% 的工业耗能以各种形式的余热被直接废弃。

因此从另一角度看，我国工业余热资源丰富，广泛存在于工业各行业生产过程中，余热资源约占其燃料消耗总量的 17% ～ 67% ，其中可回收率达 60% ，余热利用率提升空间大，节能潜力巨大，工业余热回收利用又被认为是一种“新能源”，近年来成为推进我国节能减排工作的重要内容[1]。

余热资源特点

余热资源属于二次能源，是一次能源或可燃物料转换后的产物，或是燃料燃烧过程中所发出的热量在完成某一工艺过程后所剩下的热量。按照温度品位，工业余热一般分为 600℃ 以上的高温余热，300 ～ 600℃ 的中温余热和 300℃ 以下的低温余热三种； 按照来源，工业余热又可被分为： 烟气余热，冷却介质余热，废汽废水余热，化学反应热，高温产品和炉渣余热，以及可燃废气、废料余热。

具体来说，烟气余热量大，温度分布范围宽，占工业余热资源总量的 50% 以上，分布广泛，如冶金、化工、建材、机械、电力等行业，各种冶炼炉、加热炉、内燃机和锅炉的排气排烟，而且有些工业窑炉的烟气余热量甚至高达炉窑本身燃料消耗量的 30% ～60% ，节能潜力大，是余热利用的主要对象。冷却介质余热是指在工业生产中为了保护高温生产设备或满足工艺流程冷却要求，空气、水和油等冷却介质带走的余热，多属于中低温余热，余热量占工业余热资源总量的 20% 。废水废汽余热是一种低品位的蒸汽或 凝结水余热，约占 余 热 资 源 总 量 的 10% ～16% ； 化学反应余热占余热资源总量的 10% 以下，主要存在于化工行业； 高温产品和炉渣余热主要指坯料、焦炭、熔渣等的显热，石化行业油、气产品的显热等； 可燃废气、废料余热是指生产过程的排气、排液和排渣中含有可燃成分，如冶金行业的高炉煤气、转炉煤气等。

虽然余热资源来源广泛、温度范围广、存在形式多样，但从余热利用角度看，余热资源一般具有以下共同点： 由于工艺生产过程中存在周期性、间断性或生产波动，导致余热量不稳定； 余热介质性质恶劣，如烟气中含尘量大或含有腐蚀性物质； 余热利用装置受场地、原生产等固有条件限制。因此工业余热资源利用系统或设备运行环境相对恶劣，要求有宽且稳定的运行范围，能适应多变的生产工艺要求，设备部件可靠性高，初期投入成本高，从经济性出发，需要结合工艺生产进行系统整体的设计布置，综合利用能量，以提高余热利用系统设备的效率[1]。

工业余热利用技术

余热温度范围广、能量载体的形式多样，又由于所处环境和工艺流程不同及场地的固有条件的限制，生产生活的需求，设备型式多样，如有空气预热器，窑炉蓄热室，余热锅炉，低温汽轮机等。常见的工业余热回收利用方式，有多种分类方式，根据余热资源在利用过程中能量的传递或转换特点，可以将国内目前的工业余热利用技术分为热交换技术、热功转换技术、余热制冷制热技术。

热交换技术

余热回收应优先用于本系统设备或本工艺流程，降低一次能源消耗，尽量减少能量转换次数，因此工业中常常通过空气预热器、回热器、加热器等各种换热器回收余热加热助燃空气、燃料( 气) 、物料或工件等，提高炉窑性能和热效率，降低燃料消耗，减少烟气排放; 或将高温烟气通过余热锅炉或汽化冷却器生成蒸汽热水，用于工艺流程。这一类技术设备对余热的利用不改变余热能量的形式，只是通过换热设备将余热能量直接传递给自身工艺的耗能流程，降低一次能源消耗，可统称为热交换技术，这是回收工业余热最直接、效率较高的经济方法，相对应的设备是各种换热器，既有传统的各种结构的换热器、热管换热器，也有余热蒸汽发生器( 余热锅炉) 等。

间壁式换热器

工业用的换热器按照换热原理基本分为间壁式换热器、混合式换热器和蓄热式换热器。其中间壁式和蓄热式是工业余热回收的常用设备，混合式换热器是依靠冷热流体直接接触或混合来实现传递热量，如工业生产中的冷却塔、洗涤塔、气压冷凝器等，在余热回收中并不常见。间壁式换热器主要有管式、板式及同流换热器等几类，管式换热器虽然在热效率较低，平均在26% ～ 30% ，紧凑性和金属耗材等方面也逊色于其它类型换热器，但它具有结构坚固、适用弹性大和材料范围广的特点，是工业余热回收中应用泛的热交换设备。冶金企业 40% 的换热器设备为管式换热器，允许入口烟气温度达 1 000℃ 以上，出口烟温约 600℃，平均温差约 300℃。

板式换热器有翅片板式、螺旋板式、板壳式换热器等，与管式换热器相比，其传热系数约为管壳式的二倍，传热效率高，结构紧凑，节省材料等。在冶金行业的联合、中小企业多采用板式换热器预热助燃空气，热回收率平均在28% ～ 35% ，入口烟气温度 700℃ 左右，出口温度达 360℃。但由于板式换热器使用温度、压力比管式换热器的限制大，应用范围受到限制。对于各种工业炉窑的高温烟气，还常采用块孔式换热器、空气冷却器和同流热交换器等。其中同流换热器属于气 － 气热交换器，主要有辐射式和对流式两类，应用较为广泛，多用在均热炉、加热炉等设备上回收烟气余热，预热助燃空气或燃料，降低排烟量和烟气排放温度。常见的辐射同流换热器入口烟气温度可达1100℃ 以上，出口烟气温度亦高达 600℃ ，可将助燃空气加热到 400℃，助燃效果好; 温度效率可达 40%以上，但热回收率较低，平均在 26% ～ 35%。

蓄热式热交换器

蓄热式热交换设备是冷热流体交替流过蓄热元件进行热量交换，属于间歇操作的换热设备，适宜回收间歇排放的余热资源，多用于高温气体介质间的热交换，如加热空气或物料等。根据蓄热介质和热能储存形式的不同，蓄热式热交换系统可分为显热储能和相变潜热储能。显热储能的系统在工业中应用已久，简单换热设备如常见的回转式换热器; 复杂设备如炼铁高炉的蓄热式热风炉、玻璃熔炉的蓄热室。由于显热储能热交换设备储能密度低、体积庞大、蓄热不能恒温等缺点，在工业余热回收中具有局限性。

相变潜热储能换热设备利用蓄热材料固有热容和相变潜热储存传递能量，具有高出显热储能设备至少一个数量级的储能密度，因此在储存相同热量的情况下，相变潜热储能换热设备比传统蓄热设备体积减少 30% ～ 50%。此外，热量输出稳定，换热介质温度基本恒定，使换热系统运行状态稳定是此类相变潜热储能换热设备的另一优点。相变储能材料根据其相变温度大致分为高温相变材料和中低温相变材料，前者相变温度高、相变潜热大，主要是由一些无机盐及其混合物、碱、金属及合金、氧化物等和陶瓷基体或金属基体复合制成，适合于 450 ～ 1100℃ 及以上的高温余热回收，应用较为广泛; 后者主要是结晶水合盐或有机物，适合用于低温余热回收。

基于热管的换热设备

热管是一种高效的导热元件，通过在全封闭真空管内工质的蒸发和凝结的相变过程和二次间壁换热来传递热量，属于将储热和换热装置合二为一的相变储能换热装置。热管导热性优良，传热系数比传统金属换热器高近一个量级，还具有良好的等温性、可控制温度、热量输送能力强、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、无外加辅助动力设备 等 一 系 列 优 点。 热 管 工 作 温 度 分 为 低 温( － 200 ～ + 50℃) ，常温( 50 ～ 250℃) ，中温( 250 ～600℃ ) ，高温( > 600℃ ) 的热管，需要根据不同的使用温度选定相应的管材和工质。其中碳钢 － 水重力热管的结构简单、价格低廉、制造方便、易于推广，使得此类热管得到了广泛的应用。实际应用中用于工业余热回收的热管使用温度在 50 ～ 400℃ 之间，用于干燥炉、固化炉和烘炉等的热回收或废蒸汽的回收，以及锅炉或炉窑的空气预热器。

余热锅炉

采用蒸汽发生器，即余热锅炉回收余热是提高能源利用率的重要手段，冶金行业近 80% 的烟气余热是通过余热锅炉回收，节能。余热锅炉中不发生燃烧过程，从本质上讲只是一个气 － 水/蒸汽的换热器，可利用高温烟气余热、化学反应余热、可燃气体余热以及高温产品余热等，生产高压、中压或低压蒸汽或热水，用于工艺流程或进入管网供热。同时，余热锅炉是低温汽轮机发电系统中的重要设备，为汽轮机等动力机械提供做功蒸汽工质。实际应用中，利用 350 ～ 1 000℃ 高温烟气的余热锅炉居多，和燃煤锅炉的运行温度相比，属于低温炉，效率较低。由于余热烟气含尘量大，含有较多腐蚀性物质，更易造成锅炉积灰、腐蚀、磨损等问题，因此防积灰、磨损是设计余热锅炉的关键。直通式炉型、大容积的空腔辐射冷却室、设置的密封炉墙、除尘室、大量振打吹灰装置都是余热锅炉为解决积灰、磨损问题在结构上的考虑。另外由于受工艺生产场地空间限制，余热锅炉把换热部件分散安装在工艺流程 各 部 位，而 不 是 像 普 通 锅 炉 一 样 组 装 成 一体。

近十年随着节能减排工作的推进，国内主要余热锅炉设计制造企业获得加速发展，余热锅炉为适应工业领域产能调整和增长，朝着大型化、高参数方向发展，如有色冶金行业蒸发量 50 t/h、工作压力4. 2 MPa 的余热锅炉，或钢铁冶金行业蒸发量达 100t / h，工作压力 12. 5 MPa 的干熄焦余热锅炉。此外，进一步提高锅炉传热效果、热利用率，减轻积灰、磨损等问题，在锅炉循环方式、受热面结构、锅炉内烟气流道及清灰方式等方面进行改造、革新是余热锅炉技术进步的内容。