低品味余熱利用及其開發(fā)研究

張琪林(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266101)

0 引言

能源在經(jīng)濟社會發(fā)展中有著不可或缺的重要作用，是推動經(jīng)濟發(fā)展的原始動力。隨著經(jīng)濟全球化趨勢的發(fā)展，世界范圍內(nèi)的能源發(fā)展狀況都面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。我國仍處于后工業(yè)化時代，無論是經(jīng)濟發(fā)展還是人民生活水平的提高，都需要大量的能源作為基礎(chǔ)。鑒于減少能源的大量消耗以及大氣環(huán)境污染改善的需求，我國提出了2030 年、2060 年實現(xiàn)碳達峰和碳減排的目標。為了改變當(dāng)前能源利用現(xiàn)狀，我國在致力于大力開發(fā)利用新型可再生能源突破經(jīng)濟發(fā)展瓶頸的同時，充分回收利用余熱也成為了提高能力利用率、降低能耗的發(fā)力點之一。余熱的回收利用能大大提升能源效率，推動工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的步伐。從當(dāng)前我國能源利用狀況來看，對低品位余熱資源的利用和開發(fā)重點應(yīng)當(dāng)是提升余熱利用產(chǎn)能，推動節(jié)能減排戰(zhàn)略的實施。

1 工業(yè)余熱利用現(xiàn)狀

在鋼鐵、化工、石油和建材等行業(yè)的生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生大量的余熱，可按照品味對其進行劃分，溫度高表示余熱資源的可做功能力高，這也意味著能夠直接利用，這種被稱為高品位余熱資源。與之相對，在溫度低的狀況下，就表示該余熱資源的品位較低。工業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)的過程中使用熱能轉(zhuǎn)換設(shè)備以及用能設(shè)備，排放出來的各種廢熱、廢水和廢氣等都是低品位能源。要想對這些低品位能源加以利用，必須要采取余熱回收技術(shù)，保證實現(xiàn)節(jié)能的最終目的。

1.1 石油行業(yè)低品位余熱

我國的石化行業(yè)在生產(chǎn)過程中會消耗大量能源和資源，同時也會產(chǎn)生大量的余熱資源。如果不能合理利用這些熱能資源，不但會影響企業(yè)的經(jīng)濟效益，也會造成能源和資源的浪費。為了盡可能避免這種情況的出現(xiàn)，石油企業(yè)通常會利用溴化鋰吸收式制冷機發(fā)電和回收裝置余熱，以此提升總回收效益。同時，為了深入挖掘余熱回收利用的內(nèi)在優(yōu)勢，很多油田進行了一些相關(guān)的研究。如我國的大慶油田通過熱泵回收采出水余熱技術(shù)，實現(xiàn)了站內(nèi)的生活采暖。與此同時，將提取采出的水中余熱應(yīng)用在了油水分離等方面，獲得的經(jīng)濟效益和社會效益比較明顯。在深入研究原油價格上漲和能量優(yōu)化的過程中，低溫余熱回收利用及其開發(fā)正在逐步受到關(guān)注[1]。

1.2 鋼鐵行業(yè)低品位余熱

鋼鐵行業(yè)余熱主要來源于33% 的焦炭、53% 的燒結(jié)、34%轉(zhuǎn)爐和30%加熱爐的煙氣，這表明鋼鐵行業(yè)擁有巨大的余熱資源量，在實現(xiàn)余熱回收利用方面具有相當(dāng)廣闊的發(fā)展?jié)撃堋?/p>

1.3 水泥行業(yè)低品位余熱

水泥窯當(dāng)中存在著大量的余熱，其中總熱量的50%為窯尾一級預(yù)熱器排出的廢氣帶走的熱損失和窯頭冷卻機廢氣帶走的熱損失。這些余熱不僅能被工藝本身所利用，還能夠?qū)⑵鋺?yīng)用在余熱發(fā)電上。

2 低品位余熱的利用方式

為使低溫余熱資源得到充分的利用，需要掌握好以下幾個方面的原則：第一，對生產(chǎn)工藝進行盡可能的優(yōu)化，保證對換熱流程進行合理的組織，使工藝用能降低，從而確保生產(chǎn)工藝當(dāng)中低溫余熱減少；第二，對廠區(qū)內(nèi)、廠區(qū)周圍的工業(yè)和民用的用電需求等進行綜合考量，根據(jù)用戶距離的遠近和利用周期的長短等進行利用規(guī)劃；第三，依據(jù)余熱的品質(zhì)、數(shù)量和實際的需求量，實施梯級利用，確保傳熱溫差能夠最大限度內(nèi)減少；第四，對低品質(zhì)余熱的利用方案進行詳細考慮，如耐腐蝕性、利用技術(shù)的成熟度和經(jīng)濟效益狀況等。

2.1 直接熱利用

直接熱利用是直接發(fā)揮換熱設(shè)備的作用，通過直接進行余熱資源的傳遞，從而保證各個工藝和環(huán)節(jié)的能耗在可控的范圍內(nèi)，應(yīng)用熱交換技術(shù)不僅不會改變余熱能量的形式，還是余熱回收直接高效的重要體現(xiàn)?；诘蜏赜酂豳Y源具有溫度較低的特點，如果要對其進行應(yīng)用，必須要確保其處于恰當(dāng)?shù)沫h(huán)境中，這樣能有效排除輸送過程中的損耗，從而使利用效率達到最大化。以循環(huán)水為例，一般都是在油田采出水和高爐沖渣水中獲得，能夠在采暖和供熱方面得到使用；鍋爐產(chǎn)生的煙氣則能夠在余熱空氣或者給水的時候應(yīng)用。

目前，很多鋼鐵企業(yè)都推行高爐沖渣水用于居民采暖供熱工程項目中。除此發(fā)揮其供暖的作用之外，首鋼還將高爐沖渣水應(yīng)用在海水淡化項目上，其根本目的是為了解決低溫余熱回收裝置的運行時長問題。從電力行業(yè)來看，電力企業(yè)利用鍋爐煙氣余熱回收裝置實現(xiàn)了提升鍋爐運行效率的目的。

2.2 制冷制熱

如果直接熱交換的條件得不到滿足，那么還可以采取吸收式制冷或者熱泵式制熱的方式，使余熱能量的等級得到改變，如圖1 所示。相關(guān)研究人員在利用電廠循環(huán)水做熱泵的熱源開發(fā)上取得了成功，將少量的抽氣作為驅(qū)動的能源，用熱泵將循環(huán)水溫度提升達到95 ℃之后，再輸送到城市供熱管網(wǎng)。一般情況下，化工企業(yè)具備較多的制冷工藝裝置，在溴化鋰吸收式制冷裝置的作用下，將余熱作為熱源，制作滿足生產(chǎn)使用的冷量，是一種低溫余熱合理利用的節(jié)能措施[2]。如果化工企業(yè)本身能夠利用低溫余熱資源，那么除了用于企業(yè)自身的生產(chǎn)外，還可以對其進行深層次的探索，找出正確的辦法使低品位余熱資源被充分利用和開發(fā)。

圖1 吸收式制冷或者熱泵式制熱

2.3 熱功切換

熱功切換本質(zhì)上是一種能量之間的轉(zhuǎn)化，將低品位余熱資源轉(zhuǎn)化為機械能或者電能，然后在對其進行合理的利用。使用熱功切換具有一定的前提條件，即只有在低品位余熱資源采用“直接熱利用”或者“制冷制熱”兩種方式不能解決問題的時候，才考慮這種方式。在將低品位余熱資源轉(zhuǎn)換為機械能的時候，需要具備合理的機械負載條件。在將低品位余熱資源進一步轉(zhuǎn)化為電能的時候，主要考慮輸送距離的問題，由于電能的輸送比較麻煩，所以通?？紤]使用方式較為靈活，而不將其應(yīng)用在遠程輸送電能方面?；诘推肺挥酂豳Y源本身品味較低，在進行資源開發(fā)和利用的時候，通常需要對經(jīng)濟效益進行對比分析，充分的考慮經(jīng)濟性。

3 低品位余熱的利用技術(shù)

根據(jù)相關(guān)資料可知，低品位余熱資源中較為典型的主要有4 種：在140～220 ℃之間的鍋爐或者加熱爐等排放出來的煙氣；在60～90 ℃之間的高爐渣或者煉鋼渣的沖渣水；在90～120 ℃的蒸汽冷凝液；在150 ℃左右的煉油行業(yè)柴油汽油工藝降溫[3]。

在對低品位余熱資源進行利用的時候，必須要明白利用的難點，可將其歸納為4 個方面的內(nèi)容：其一是在大多數(shù)的低品位余熱資源當(dāng)中都存在帶有腐蝕性的物質(zhì)，由于該物質(zhì)的存在，設(shè)備在長期運行的過程中，容易對其安全造成一定的威脅；其二是有些低品位的余熱資源帶有間歇性特征，這使得其要想連續(xù)運行基本無法實現(xiàn)；其三是基于低品位余熱資源的品味比較低，要想在周圍找到合適的供熱或者供冷負荷是一件很困難的事情；其四是要想在發(fā)電方面利用低品味余熱資源還存在很大的難點，相關(guān)技術(shù)不成熟，實際利用效率低，在對其進行利用及開發(fā)的時候，還需要借助其他的技術(shù)手段。

當(dāng)下，我國面臨的能源形勢十分嚴峻，因此節(jié)能減排的重要性不可忽視。而在節(jié)能減排當(dāng)中，低品位余熱的利用和開發(fā)在其中扮演著重要的角色。我國企業(yè)在發(fā)展的過程中，之所以將重點放在低品位余熱利用和開發(fā)上，這是因為其能夠帶來更好的效益和價值，能夠有利于企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，在節(jié)能減排、生態(tài)環(huán)境保護方面貢獻力量。本文從以下5 個方面探究低品位余熱利用和開發(fā)技術(shù)。

3.1 高效熱管換熱技術(shù)

利用和開發(fā)低品位余熱資源的時候，需要重點考慮溫差小和傳熱面積等問題，這意味著要想滿足溫差較小、傳熱面積較大的要求，靠單純增加鋼材使用量、擴大占地面積無法使傳統(tǒng)的換熱器滿足低品位余熱資源的利用。為了盡可能降低傳熱系數(shù)、降低鋼材的耗量、控制受熱面積，采取以相變換熱為代表的高效熱管換熱技術(shù)能夠有效解決問題。

3.2 換熱器耐腐蝕或者耐磨損的技術(shù)

在對工業(yè)余熱資源利用過程中，腐蝕是普遍存在的問題，這是因為煙氣中大量存在酸性氣體和粉塵、廢水中存在氯離子等。由于腐蝕性因存在考慮，普通換熱器的長期和穩(wěn)定運行基本上是不可能的。而要解決好腐蝕性問題，可以采用特定的換熱器材質(zhì)，這樣就能在確保換熱器利用經(jīng)濟性的狀況下，增強利用低品位余熱的可能性。

3.3 熱泵及低溫余熱溴化鋰制冷技術(shù)

熱泵及低溫余熱溴化鋰制冷技術(shù)的優(yōu)點，是其能夠使對低溫余熱的利用升級。但是其在提高能效利用效率、受熱面腐蝕方面卻還存在不足。因此，熱泵及溴化鋰制冷機技術(shù)還有待進一步提升。

3.4 螺桿膨脹機發(fā)電技術(shù)

通過對螺桿膨脹劑的了解可知，其本身是一種容積式的發(fā)動機，在電機功率方面能夠發(fā)揮的作用相當(dāng)有限，一般情況下應(yīng)用在余熱資源偏少的場合。將70 ℃以上的熱水和130 ℃以上的不含硫煙氣作為熱源，合理利用過熱蒸汽、飽和蒸汽、熱水、熱液和其他熱源等[4]?，F(xiàn)階段我國某些企業(yè)加大了對螺桿膨脹機發(fā)電技術(shù)的研究，將探究的重點放在了對電力資源的利用、發(fā)電效率的提升和發(fā)電的經(jīng)濟性和效益性等方面，希望突破該方面問題的制約。目前，在國內(nèi)已經(jīng)有公司生產(chǎn)出了相關(guān)的產(chǎn)品。

3.5 有機朗肯循環(huán)發(fā)電及其他低溫發(fā)電技術(shù)

工廠當(dāng)中存在的大量低品位余熱溫度通常在200 ℃，甚至100 ℃以下，這使得利用其進行發(fā)電的難度很大。基于這種狀況，有機工質(zhì)循環(huán)方案被提出。

有機朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle，ORC)。該技術(shù)的最大優(yōu)點在于其不用水作工質(zhì)，工質(zhì)選擇使用低沸點的有機物上。通過對廢氣余熱進行吸收、汽化，然后輸送到膨脹機中膨脹做功，從而帶動發(fā)電機發(fā)電。目前，有機朗肯循環(huán)發(fā)電的有機工質(zhì)是正丁烷、R245fa 等低溫沸點有機物，其中還有一部分采用的是有機工質(zhì)的混合物。

目前，國際范圍內(nèi)都開展了對有機朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)的研究，美國、德國和日本等國家都有企業(yè)在做專業(yè)的研究，而國內(nèi)對這項技術(shù)的研究相對落后，不僅存在很多需要克服的關(guān)鍵性問題，還受到研究人員的專業(yè)性等因素的限制[5]。

除了上述技術(shù)之外，對低溫余熱資源的開發(fā)和利用將重點放在了低溫發(fā)電技術(shù)上，目前Kalina 循環(huán)發(fā)電是其中頗受關(guān)注的。與ORC 比較，Kalina 循環(huán)發(fā)電的發(fā)電效率更高，但是因為氨介質(zhì)有一定毒性，在實際的研究過程中其并沒有很好的表現(xiàn)。

4 結(jié)語

當(dāng)前我國大力倡導(dǎo)綠色發(fā)展理念，低品質(zhì)余熱利用成為了石化、鋼鐵、水泥等行業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排、清潔發(fā)展的重要抓手。鑒于低品質(zhì)余熱利用和開發(fā)技術(shù)眾多，企業(yè)要想應(yīng)用好這些技術(shù)，就需要充分了解掌握這些技術(shù)的優(yōu)點和缺點，找到與企業(yè)生產(chǎn)實際相匹配的技術(shù)和解決方案，提升技術(shù)的實用性。