余熱回收利用是指將工業過程產生的余熱再次回收重新利用。主要技術包括熱交換技術、熱功轉換技術、余熱制冷制熱技術。

余熱回收利用

Waste Heat Utilization

特點

降低成本、節約資源

當前，我國能源利用仍然存在著利用效率低、經濟效益差，生態環境壓力大的主要問題，節能減排、降低能耗、提高能源綜合利用率作為能源發展戰略規劃的重要內容，是解決我國能源問題的根本途徑，處于優先發展的地位。實現節能減排、提高能源利用率的目標主要依靠工業領域。處在工業化中后期階段的中國，工業是主要的耗能領域，也是污染物的主要排放源。我國工業領域能源消耗量約占全國能源消耗總量的70% ，主要工業產品單位能耗平均比水平高出 30% 左右。除了生產工藝相對落后、產業結構不合理的因素外，工業余熱利用率低，能源( 能量)沒有得到充分綜合利用是造成能耗高的重要原因，我國能源利用率僅為 33% 左右，比發達國家低約10% ，至少 50% 的工業耗能以各種形式的余熱被直接廢棄。

因此從另一角度看，我國工業余熱資源豐富，廣泛存在于工業各行業生產過程中，余熱資源約占其燃料消耗總量的 17% ～ 67% ，其中可回收率達 60% ，余熱利用率提升空間大，節能潛力巨大，工業余熱回收利用又被認為是一種“新能源”，近年來成為推進我國節能減排工作的重要內容[1]。

余熱資源特點

余熱資源屬于二次能源，是一次能源或可燃物料轉換后的產物，或是燃料燃燒過程中所發出的熱量在完成某一工藝過程后所剩下的熱量。按照溫度品位，工業余熱一般分為 600℃ 以上的高溫余熱，300 ～ 600℃ 的中溫余熱和 300℃ 以下的低溫余熱三種； 按照來源，工業余熱又可被分為： 煙氣余熱，冷卻介質余熱，廢汽廢水余熱，化學反應熱，高溫產品和爐渣余熱，以及可燃廢氣、廢料余熱。

具體來說，煙氣余熱量大，溫度分布范圍寬，占工業余熱資源總量的 50% 以上，分布廣泛，如冶金、化工、建材、機械、電力等行業，各種冶煉爐、加熱爐、內燃機和鍋爐的排氣排煙，而且有些工業窯爐的煙氣余熱量甚至高達爐窯本身燃料消耗量的 30% ～60% ，節能潛力大，是余熱利用的主要對象。冷卻介質余熱是指在工業生產中為了保護高溫生產設備或滿足工藝流程冷卻要求，空氣、水和油等冷卻介質帶走的余熱，多屬于中低溫余熱，余熱量占工業余熱資源總量的 20% 。廢水廢汽余熱是一種低品位的蒸汽或 凝結水余熱，約占 余 熱 資 源 總 量 的 10% ～16% ； 化學反應余熱占余熱資源總量的 10% 以下，主要存在于化工行業； 高溫產品和爐渣余熱主要指坯料、焦炭、熔渣等的顯熱，石化行業油、氣產品的顯熱等； 可燃廢氣、廢料余熱是指生產過程的排氣、排液和排渣中含有可燃成分，如冶金行業的高爐煤氣、轉爐煤氣等。

雖然余熱資源來源廣泛、溫度范圍廣、存在形式多樣，但從余熱利用角度看，余熱資源一般具有以下共同點： 由于工藝生產過程中存在周期性、間斷性或生產波動，導致余熱量不穩定； 余熱介質性質惡劣，如煙氣中含塵量大或含有腐蝕性物質； 余熱利用裝置受場地、原生產等固有條件限制。因此工業余熱資源利用系統或設備運行環境相對惡劣，要求有寬且穩定的運行范圍，能適應多變的生產工藝要求，設備部件可靠性高，初期投入成本高，從經濟性出發，需要結合工藝生產進行系統整體的設計布置，綜合利用能量，以提高余熱利用系統設備的效率[1]。

工業余熱利用技術

余熱溫度范圍廣、能量載體的形式多樣，又由于所處環境和工藝流程不同及場地的固有條件的限制，生產生活的需求，設備型式多樣，如有空氣預熱器，窯爐蓄熱室，余熱鍋爐，低溫汽輪機等。常見的工業余熱回收利用方式，有多種分類方式，根據余熱資源在利用過程中能量的傳遞或轉換特點，可以將國內目前的工業余熱利用技術分為熱交換技術、熱功轉換技術、余熱制冷制熱技術。

熱交換技術

余熱回收應優先用于本系統設備或本工藝流程，降低一次能源消耗，盡量減少能量轉換次數，因此工業中常常通過空氣預熱器、回熱器、加熱器等各種換熱器回收余熱加熱助燃空氣、燃料( 氣) 、物料或工件等，提高爐窯性能和熱效率，降低燃料消耗，減少煙氣排放; 或將高溫煙氣通過余熱鍋爐或汽化冷卻器生成蒸汽熱水，用于工藝流程。這一類技術設備對余熱的利用不改變余熱能量的形式，只是通過換熱設備將余熱能量直接傳遞給自身工藝的耗能流程，降低一次能源消耗，可統稱為熱交換技術，這是回收工業余熱最直接、效率較高的經濟方法，相對應的設備是各種換熱器，既有傳統的各種結構的換熱器、熱管換熱器，也有余熱蒸汽發生器( 余熱鍋爐) 等。

間壁式換熱器

工業用的換熱器按照換熱原理基本分為間壁式換熱器、混合式換熱器和蓄熱式換熱器。其中間壁式和蓄熱式是工業余熱回收的常用設備，混合式換熱器是依靠冷熱流體直接接觸或混合來實現傳遞熱量，如工業生產中的冷卻塔、洗滌塔、氣壓冷凝器等，在余熱回收中并不常見。間壁式換熱器主要有管式、板式及同流換熱器等幾類，管式換熱器雖然在熱效率較低，平均在26% ～ 30% ，緊湊性和金屬耗材等方面也遜色于其它類型換熱器，但它具有結構堅固、適用彈性大和材料范圍廣的特點，是工業余熱回收中應用泛的熱交換設備。冶金企業 40% 的換熱器設備為管式換熱器，允許入口煙氣溫度達 1 000℃ 以上，出口煙溫約 600℃，平均溫差約 300℃。

板式換熱器有翅片板式、螺旋板式、板殼式換熱器等，與管式換熱器相比，其傳熱系數約為管殼式的二倍，傳熱效率高，結構緊湊，節省材料等。在冶金行業的聯合、中小企業多采用板式換熱器預熱助燃空氣，熱回收率平均在28% ～ 35% ，入口煙氣溫度 700℃ 左右，出口溫度達 360℃。但由于板式換熱器使用溫度、壓力比管式換熱器的限制大，應用范圍受到限制。對于各種工業爐窯的高溫煙氣，還常采用塊孔式換熱器、空氣冷卻器和同流熱交換器等。其中同流換熱器屬于氣 － 氣熱交換器，主要有輻射式和對流式兩類，應用較為廣泛，多用在均熱爐、加熱爐等設備上回收煙氣余熱，預熱助燃空氣或燃料，降低排煙量和煙氣排放溫度。常見的輻射同流換熱器入口煙氣溫度可達1100℃ 以上，出口煙氣溫度亦高達 600℃ ，可將助燃空氣加熱到 400℃，助燃效果好; 溫度效率可達 40%以上，但熱回收率較低，平均在 26% ～ 35%。

蓄熱式熱交換器

蓄熱式熱交換設備是冷熱流體交替流過蓄熱元件進行熱量交換，屬于間歇操作的換熱設備，適宜回收間歇排放的余熱資源，多用于高溫氣體介質間的熱交換，如加熱空氣或物料等。根據蓄熱介質和熱能儲存形式的不同，蓄熱式熱交換系統可分為顯熱儲能和相變潛熱儲能。顯熱儲能的系統在工業中應用已久，簡單換熱設備如常見的回轉式換熱器; 復雜設備如煉鐵高爐的蓄熱式熱風爐、玻璃熔爐的蓄熱室。由于顯熱儲能熱交換設備儲能密度低、體積龐大、蓄熱不能恒溫等缺點，在工業余熱回收中具有局限性。

相變潛熱儲能換熱設備利用蓄熱材料固有熱容和相變潛熱儲存傳遞能量，具有高出顯熱儲能設備至少一個數量級的儲能密度，因此在儲存相同熱量的情況下，相變潛熱儲能換熱設備比傳統蓄熱設備體積減少 30% ～ 50%。此外，熱量輸出穩定，換熱介質溫度基本恒定，使換熱系統運行狀態穩定是此類相變潛熱儲能換熱設備的另一優點。相變儲能材料根據其相變溫度大致分為高溫相變材料和中低溫相變材料，前者相變溫度高、相變潛熱大，主要是由一些無機鹽及其混合物、堿、金屬及合金、氧化物等和陶瓷基體或金屬基體復合制成，適合于 450 ～ 1100℃ 及以上的高溫余熱回收，應用較為廣泛; 后者主要是結晶水合鹽或有機物，適合用于低溫余熱回收。

基于熱管的換熱設備

熱管是一種高效的導熱元件，通過在全封閉真空管內工質的蒸發和凝結的相變過程和二次間壁換熱來傳遞熱量，屬于將儲熱和換熱裝置合二為一的相變儲能換熱裝置。熱管導熱性優良，傳熱系數比傳統金屬換熱器高近一個量級，還具有良好的等溫性、可控制溫度、熱量輸送能力強、冷熱兩側的傳熱面積可任意改變、可遠距離傳熱、無外加輔助動力設備 等 一 系 列 優 點。 熱 管 工 作 溫 度 分 為 低 溫( － 200 ～ + 50℃) ，常溫( 50 ～ 250℃) ，中溫( 250 ～600℃ ) ，高溫( > 600℃ ) 的熱管，需要根據不同的使用溫度選定相應的管材和工質。其中碳鋼 － 水重力熱管的結構簡單、價格低廉、制造方便、易于推廣，使得此類熱管得到了廣泛的應用。實際應用中用于工業余熱回收的熱管使用溫度在 50 ～ 400℃ 之間，用于干燥爐、固化爐和烘爐等的熱回收或廢蒸汽的回收，以及鍋爐或爐窯的空氣預熱器。

余熱鍋爐

采用蒸汽發生器，即余熱鍋爐回收余熱是提高能源利用率的重要手段，冶金行業近 80% 的煙氣余熱是通過余熱鍋爐回收，節能。余熱鍋爐中不發生燃燒過程，從本質上講只是一個氣 － 水/蒸汽的換熱器，可利用高溫煙氣余熱、化學反應余熱、可燃氣體余熱以及高溫產品余熱等，生產高壓、中壓或低壓蒸汽或熱水，用于工藝流程或進入管網供熱。同時，余熱鍋爐是低溫汽輪機發電系統中的重要設備，為汽輪機等動力機械提供做功蒸汽工質。實際應用中，利用 350 ～ 1 000℃ 高溫煙氣的余熱鍋爐居多，和燃煤鍋爐的運行溫度相比，屬于低溫爐，效率較低。由于余熱煙氣含塵量大，含有較多腐蝕性物質，更易造成鍋爐積灰、腐蝕、磨損等問題，因此防積灰、磨損是設計余熱鍋爐的關鍵。直通式爐型、大容積的空腔輻射冷卻室、設置的密封爐墻、除塵室、大量振打吹灰裝置都是余熱鍋爐為解決積灰、磨損問題在結構上的考慮。另外由于受工藝生產場地空間限制，余熱鍋爐把換熱部件分散安裝在工藝流程 各 部 位，而 不 是 像 普 通 鍋 爐 一 樣 組 裝 成 一體。

近十年隨著節能減排工作的推進，國內主要余熱鍋爐設計制造企業獲得加速發展，余熱鍋爐為適應工業領域產能調整和增長，朝著大型化、高參數方向發展，如有色冶金行業蒸發量 50 t/h、工作壓力4. 2 MPa 的余熱鍋爐，或鋼鐵冶金行業蒸發量達 100t / h，工作壓力 12. 5 MPa 的干熄焦余熱鍋爐。此外，進一步提高鍋爐傳熱效果、熱利用率，減輕積灰、磨損等問題，在鍋爐循環方式、受熱面結構、鍋爐內煙氣流道及清灰方式等方面進行改造、革新是余熱鍋爐技術進步的內容。