低品位工业余热利用技术及研究进展

第20卷第4期Vol.20No.4 2022年8月 Aug.2022 第4期 低品位工业余热利用技术及研究进展 张进华，秦强，赵香龙，何立新，王楠，刘冰，梁咏诗 （北京低碳清洁能源研究院，北京102209） 摘要：工业余热的回收与利用既是降低能耗、提高能效的重要手段，又是实现碳减排最直接有效的措施。针对我国低品位工业余热资源回收率较低、利用效果较差等现象，本文从直接热交换、制冷制热、热功转换3个方面阐述了国内外低品位余热回收利用的研究现状。分析认为：需加强先进技术的基础研发工作，同时加快落实技术的示范与工程化应用推广，以提高我国整体低品位余热利用率。 关键词：低品位余热利用；吸附式制冷；热泵；卡琳娜循环；有机朗肯循环 中图分类号：TK115文献标识码：B文章编号：2096-7691（2022）04-086-07 0引言 随着经济的快速发展，能源消耗总量不断攀升，根据国家统计局数据表明，2021年，能源消费总量 52.4亿t标准煤，占比最大的以化石能源为主。近年来，极端天气不断出现，全球气候问题日益严峻，我国于2020年提出了“双碳”目标，节能降耗和碳减排已成为我国重要发展目标［1］。 我国工业领域的能源消耗量约占全国能源消耗总量的70%，能源利用效率为33%，与发达国家还有一定差距。除了生产工艺相对落后和产能结构不合理等因素以外，工业余热利用率低，能源没有得到合理利用是造成能耗偏高的重要原因。根据调查显示，我国各行业的余热总资源约占燃料消耗总量的17%~67%，其中可回收部分占总余热资源的60%［2］。余热资源根据温度的高低可分为不同品级，温度高则代表可做功能力高，即所谓的“高品位热源”；反之，温度低的热源则为“低品位热源”。中高温工业余热资源由于温度高、品位高，在实际生产过程中已通过工艺节能技术、热量梯级利用或余热锅炉等节能技术得到有效利用，温度低于250℃的低品位余热体量大、利用难度高，在国内常常被直接废弃。因此，未来大力发展与应 用低品位余热回收利用技术是实现节能减排的重要途径。 目前的余热回收利用方向主要有直接换热、制冷制热、热功转换3个方面，每个应用方向包含不同的利用技术。本文首先介绍工业余热分类，然后综述近年来利用先进技术的工作原理、研究进展、工业应用情况，并对比分析各技术的优缺点，最后对工业余热回收利用技术进行展望。 1工业余热分类及来源 根据温度高低对余热资源品位进行了划分，分类见表1。常见工业余热的主要来源：①烟气余热，②冷却介质的余热，③可燃废气、废液、废固的余热，④高温产品和炉渣的余热，⑤化学反应余热，⑥废气、废水余热。 表1余热资源的品级划分［3］ 等级 气体 液体 固体 高品位 >400℃ >200℃ >700℃ 中品位 250~400℃ 120~200℃ 400~700℃ 低品位 <250℃ <120℃ <400℃ 比较典型的低品位余热资源有：①循环冷却水，大部分在30~50℃；②高炉渣的冲渣水，温度在60~ 基金项目：国家能源集团科技创新项目（ST930021018N） 作者简介：张进华（1987—），男，博士，高级工程师，现任职于北京低碳清洁能源研究院，主要从事煤基炭材料开发、煤气化等相关煤转化技术工作。Tel：13426193487，E-mail：jinhua.zhang.x@chnenergy.com.cn 引用格式：张进华，秦强，赵香龙，等.低品位工业余热利用技术及研究进展［J］.能源科技，2022，20（4）：86-92. 90℃；③锅炉等加热炉排放的烟气，一般在140~ 180℃。 2直接换热 直接换热技术是目前应用最多、相对较成熟的工业余热回收技术。在保持能量形式不变的条件下，利用换热设备，通过热交换将其中的余热资源返回到系统内部满足自身工艺需要或者产生热水供厂区及周边民生供暖使用；根据工艺需求不同，余热回收后可用于加热或干燥物料，也可以预热空气或锅炉给水等。 低品位工业余热资源由于温差较小，采用常规的管式换热器或板式换热器需要使用较大的传热面积，将显著增加钢材使用量和设备占地面积。为了提高传热效率，国内外学者开发了高效热管换热技术。热管是一种由管壳和工质组成的高效导热元件，一般热管分为蒸发段、绝热段和冷凝段3个工段。蒸发段受热后，系统内工质将吸收低温余热蒸发，随着工质蒸汽的压力不断增加，当大于冷凝段气压时，蒸汽将向冷凝段传递并与冷端进行换热，工质蒸汽冷凝变为液体释放相变潜热。利用蒸发-凝结相变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。曹炳雷等［4］以150℃烟气作为研究对象，对热管回收烟气低温余热的热力学性能进行了计算分析。结果表明，热管热效率31.65%、㶲效率21.56%。目前，热管换热器在电力、冶金、石化等行业的余热回收领域已得到广泛应用。 直接热交换技术较为成熟，工艺较为简单，适用于各种温度水平的余热回收，容易被厂区采纳利用，但是属于能量的降级利用。低品位工业余热由于温度较低，换热回收后存在难以满足系统工艺需求的问题，且只能进行热利用，用途受到一定的限制。尽管开发了以相变换热为代表的高效热管换热技术，大大降低了换热器传热面积要求，但由于温度差较小，依然应用受限。 3制冷制热 3.1吸附制冷技术 吸附过程以往研究较多的是利用吸附质和吸附剂之间的吸附特性实现混合气体中某一或多个组分的富集或脱除。吸附界面作用力如果是范德华力，称为物理吸附；分子间作用力以离子键或化学键形式存 在则称为化学吸附。 吸附制冷技术原理也是物理吸附或化学吸附过程，仅在于引入了制冷循环过程，利用低品位热能驱动，基于吸附剂和制冷剂（吸附质）之间的可逆吸附或化学反应热效应，实现制冷效果。基本原理如图1所示，图1（a）为受热分解过程。当吸附床受到外部低温余热加热以后，制冷剂从吸附床解吸进入冷凝器，经冷却换热变为液态制冷剂，液态制冷剂不断流入蒸发器，进入图1（b）吸附制冷过程。吸附床重新吸附制冷剂蒸汽，蒸发器中的制冷剂蒸汽压力不断降低，引起蒸发器液态制冷剂不断吸热蒸发，从而产生相应制冷量，达到制冷目的。 吸附剂（制冷剂） 低温余热 冷却介质 冷凝热 吸附床冷凝器 高品位热 蒸发潜热 （a）受热分解过程吸附剂（制冷剂） 吸附床蒸发器 （b）吸附制冷过程 图1吸附制冷循环基本原理 在过去的几十年，吸附式制冷技术得到快速发展。为了拓展可利用的温度范围，同时提高热量回收效率，学者们开发了多种先进的循环工艺。其中，基于物理吸附工质对开发的循环技术有热波循环、对流热波循环、复叠循环等［5］。物理吸附工质对目前研究较多的是沸石、活性炭、硅胶、氯化钙体系等［6］，典型工质对的工作特性见表2。通常化学吸附热远大于物理吸附热，相对物理吸附过程，化学吸附热具有单位质量吸附剂吸附量大的优点，研究工质主要以金属卤化物-氨吸附工质对为主。国内上海交通大学王如竹课题组开发了回质回热型热化学吸附制冷循环［7］。为了进一步提高回热型热化学吸附制冷循环的回热效率，T.X.Li［8］将热化学吸附制冷吸附循环与再吸附制冷循环结合，提出了基于吸附-再吸附技术的双重热化学吸附式制冷循环技术。 表2传统固体吸附制冷工质对的工作特性 沸点制冷剂系统工质对/℃气化潜热真空度耐压 （/kJ·kg-1）强度 脱附温度/℃ 沸石-水 100 2258 高 低 >150 硅胶-水 100 2258 高 低 100 活性炭-甲醇 65 1102 高 适中 110 活性炭纤维-甲醇 65 1102 高 适中 120 活性炭-乙醇 79 842 适中 适中 100 氯化钙-氨 -34 1368 低 高 95 目前，吸附式制冷技术在制冷空调、制冰领域发展较快。其中，以硅胶-水为工质的物理吸附制冷机组在国内外已得到初步的商业化应用。如日本Nishiy⁃odoKuchouki公司、日本前川公司、美国HIJC公司等已出售相关制冷机组［9］。化学吸附制冷较物理吸附具有制冷能力大、工作热源温度和制冷温度范围更宽的优点，其制冷范围涵盖了空调（5~10℃）、制冷（-10~0℃）、低温冷冻（-50~-20℃）等。法国国家科学研发中心利用80℃热水作为驱动热源，开发了化学吸附供热/制冷机组，容量为制热60kW·h、制冷40kW·h［10］。 2016年，世界上第一台吸附式海水淡化和冷却装置在沙特阿拉伯的利雅得运行，该工艺的冷却能力可达1MW，淡化水产量可达100m3/d。另外，化学吸附工质对在分解过程中回收能量、反应吸附过程中释放能量，具有天然的储能优势。这种吸附式蓄能系统不仅能量密度高，而且在长期蓄能过程中能量损失小，因而优于显热蓄能和潜热蓄能储能［11］。 目前，吸附式制冷面临的主要问题在于效率较低，无法与传统的蒸汽压缩制冷和吸收式制冷相竞争，限制了该技术的市场发展。为了提高制冷系数，仍需要研发新型的高性能复合吸附材料，构建高效吸附制冷循环理论，以及开发高效热量回收技术。 3.2吸收式热泵技术 吸收式热泵是在热能驱动下，利用溶液的吸附特性实现热量从低温热源向高温热源泵输送的机组，可以实现能量的品质升级。单级升温型热泵原理如图2所示，系统由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器及溶液 通过换热器与发生器返回的浓溶液换热，减少了发生器高温热源的消耗；在制冷剂回路中，发生器产生的制冷剂蒸汽在冷凝器中冷凝，向周围环境释放低温热量，并经工质泵输送到蒸发器。 蒸发器 吸收器 驱动热源供热 溶液热交换器 工质泵 泵节流阀 冷凝器 发生器 低温热源驱动热源 图2单级升温型热泵系统 根据输出温度的不同，吸收式热泵分为增热型热泵（AbsorptionHeatPump，AHP）和升温型热泵（Ab⁃sorptionHeatTransformer，AHT）。图3（a）为增温型热泵，利用部分高温热源作为驱动热源，将低温热源提高到可利用的中温，提高热能的整体利用效率。图3（b）为升温型热泵，其以中低温余热作为驱动热源，一部分热能品质得到提升，高品质热量送至用户，另一部分热能品质降低排放至环境。 单级吸收式热泵结构简单，在工业上应用较为广泛，为了适应不同的余热供给及用热需求，学者们对流程进行了不同的改进，主要有双级发生、双级耦合、增压辅助和双级复叠［12］。研究发现，改进形式均可以提高系统的低温适应性［13］。工质方面，LiBr-H2O和H2O-NH3工质对是吸收式制冷系统应用最多、最成熟的方案。还有学者发现，NH3/盐工质对的低温适用性好于以H2O为制冷剂的工质对，NH3/LiNO3温度适用范围最宽、供热性能好，但性能差于H2O制冷剂系统，且需要增加精馏装置。也有报道［14］以离子溶液为吸收剂的工质对的循环性能优于传统工质对，体现出一定的优势。 热泵 30%高温余热 100%中温热源 70%低温余热 （a）AHP热泵 热交换器等部件组成。与压缩制冷循环不同的是采用吸收装置代替压缩机，消耗热能实现制冷与供热。在吸收回路中，蒸发器和发生器中的工质受到同一中温驱动热源的加热；蒸发器受到驱动热源加热，制冷剂挥发进入吸收器，溶液吸收制冷剂，向周围释放高品 （b）AHT热泵 45%高温热能 100%中温废热 热泵 55%低温排放 质吸收热。吸收器中的稀溶液在节流进入发生器之前 图3AHP和AHT两类热泵 目前，吸收式热泵技术在工业余热回收方面已经得到广泛的应用。其中，在电厂余热回收方面研究较多，以回收电厂循环水冷凝热和乏气余热为主。刘晓琳等［15］研究表明，可以回收电厂循环水余热用于预热凝结水，达到给水温度后送至锅炉使用。经计算，每年可多发电3.61×106kW·h，节约标煤1053.9t/a。赵惠中等［16］介绍了蒸汽驱动吸收式热泵供热以及基于吸收循环的热电联产集中供热技术；山西古交兴能电厂采用乏气余热为驱动热源，成功回收余热1830MW，占总供热能力的53%。锅炉排烟温度在160~240℃，直接排放会造成大量显热及水蒸气潜热损失，同时产生“白羽”现象。杜红波等［17］基于吸收式热泵原理