第1章 低品位工业余热利用
　　根据《中国统计年鉴2020》，中国能源消费总量为47.2亿 t标准煤，其中工业能源消费达到了31.1亿 t标准煤[1]，占比为65.9%，是国家能源消费的主要领域。一次能源的大量消耗引起了人们对能源危机和环境污染问题的重视。工业生产过程中，能源消耗大部分以燃料燃烧产生热能的方式进行能量的利用与转化，然而根据热力学定律，燃烧产生的热能无法全部转化为需求能量，并且受限于当前技术水平，工业生产过程产生了大量的低品位工业余热，以固态、液态、气态等形式排放到环境中，造成了能源的极大浪费。《工业余能资源评价方法》(GB/T 1028—2018)(以下简称 GB/T 1028—2018[2])中对工业余热的定义：工业生产工艺系统消耗输入能源后输出可利用的热能。具体来说，工业余热资源是二次能源，是生产过程中某种设备或系统所排出的可以以热能形式回收的能量，通常这种热能已无法用于本设备或系统的工艺生产过程。我国主要工业产品单位能耗平均比国际先进水平高出30%左右，除了生产工艺相对落后等因素之外，工业余热往往没有得到很好的利用，也是造成单位能耗高的重要原因。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，余热资源占其燃料消耗总量17%～67%，节能潜力巨大，近年来余热回收和利用已经成为我国节能减排工作的重要内容。
　　1.1.1 工业余热的分类
　　工业余热来源广泛、温度范围广、存在形式多样，存在于冶金、化工、建材、机械、纺织、造纸、食品、电力等行业。其分类如下。
　　1)按余热温度划分
　　(1)高温余热：固态>700℃，液态>200℃，气态>400℃。
　　(2)中温余热：固态400～700℃，液态120～200℃，气态250～400℃。
　　(3)低温余热：固态<400℃，液态<120℃，气态<250℃。
　　2)按余热载体形式划分固态载体余热资源：包括固态产品和固态中间产品的余热资源、排渣的余热资源及可燃性固态废料。液态载体余热资源：包括液态产品和液态中间产品的余热资源、冷凝水和冷却水的余热资源、可燃性废液。气态载体余热资源：包括烟气的余热资源、放散蒸汽的余热资源及可燃性废气。
　　3)按余热资源存在的行业划分各个行业都会产生一定量的不同温度的余热，余热主要存在于以下几种行业。
　　(1)冶金行业，余热来源为轧钢加热炉、均热炉、平炉、转炉、高炉、焙烧窑等，占燃料消耗量33%以上。
　　(2)建材行业，余热来源为高温的烟气、窑顶冷却、高温产品，占燃料消耗量40%。
　　(3)化工行业，余热来源为化学反应热、可燃化学热等，占燃料消耗量15%以上。
　　(4)玻搪行业，余热来源为玻璃熔窑、搪瓷窑、坩埚窑等，占燃料消耗量20%。
　　(5)机械行业，余热来源为锻造加热炉、冲天炉、热处理炉等，占燃料消耗量15%。
　　(6)造纸行业，余热来源为烘缸、蒸锅、废气、黑液等，占燃料消耗量15%。
　　(7)纺织行业，余热来源为烘干机、浆纱机、蒸煮锅等，占燃料消耗量15%。
　　4)按余能资源等级划分
　　按工业余能资源的可用势、温度、压力可划分包括余热资源在内的余能资源等级，其划分如表1.1所示[2]。
　　表1.1 余能资源等级
　　以上对余热在温度、载体形式、行业及等级等方面的分类，可以提供对余热较为清晰的认识，在利用余热资源时可以进行有效的参考。
　　1.1.2 低品位工业余热的定义
　　工业余热可以划分为高品位工业余热和低品位工业余热。高品位工业余热可以直接回收用于其他生产工艺，以减少余热的回收和转换次数，提高一次能源利用率；也可以直接进行能量转换，满足冷、热、电等需求。由于驱动热源品位高，能量转换系统具有多种技术路线和较高的系统效率，有良好的技术可行性和经济性。
　　相对于高品位工业余热而言，低品位工业余热难以用于其他生产工艺过程，多种余热利用技术不再可行。如果能量转换系统的热效率过低，会导致低品位余热回收利用系统的收益低于系统的功耗，反而使低品位余热的回收利用得不偿失。因此，这种情况对低品位工业余热的利用提出了两点需求：一是需要低品位工业余热能量转换系统具有更高的工况适应性和系统热效率；二是需要低品位工业余热利用能够实现整体的规划或优化，获得*优的能量目标和经济目标。低品位工业余热的有效利用直接决定了工业生产的一次能源利用率。
　　对于低品位工业余热的定义有不同的观点，有研究者认为低于100℃的液体和乏汽余热、低于200℃的烟气余热、低于400℃的固体余热属于低品位工业余热[3]，这里规定的低品位工业余热温度，比按温度划分的低温余热温度还要低，这是因为研究者在这里是针对利用工业余热实现集中供热而提出的余热载体和温度划分，并不能反映出广义的低品位工业余热的载体和温度划分。 Papapetrou等[4]在对欧盟各个国家钢铁、有色金属、化工、食品、印刷等行业余热进行评估后认为低于100℃的余热体量*小，100～200℃的余热体量*大，而200～500℃的余热体量也十分显著。这部分温区的余热基本属于中、低温余热，其温度低、体量大，难以全部回收用于工艺过程，需要能量系统进行回收利用。因此，结合余热资源的温度分类标准，本书中涉及的低品位工业余热是：工业生产过程中有利用价值但尚未充分或有效利用的中低温余热，包括低于700℃的固态显热余热、低于200℃的液体显热余热或蒸汽余热、低于400℃的气体余热。由于较低温度的余热可以通过热泵技术进行品位提升利用，也可以具有良好的经济性，这里的余热载体温度并没有设下限。事实上利用热泵可以把冷却塔的余热回收利用，提升30～40℃就可以用于集中供热，利用自然工质高温热泵甚至可以将空气源热能提升近100℃，从而使空气源热泵成为可以将水加热成高压蒸汽的装备。
　　1.1.3 集中式余热与分散式余热
　　根据低品位工业余热的载体形式以及余热“量”的集中程度，可以将低品位工业余热分为集中式余热和分散式余热，这对于选择何种余热利用的技术非常重要。
　　1.1.3.1 集中式余热
　　集中式余热是指发电厂、钢厂等工业单位在生产过程及排放中产生的大量余热，以国内某钢厂轧钢区域为例，有各类主要炉窑30余座，余热主要集中在烟气部分，另外还有蒸汽冷凝水余热、保护气余热、冷却水余热等，各类余热资源年累计量达到328万 t标准煤。这种集中式余热可以根据余热资源的载体形式进行回收，产生蒸汽或者热水，可以卖出或自用，也可以通过余热转换技术满足冷、热、电等能源需求，实现余热的有效再利用，是提高工业一次能源利用效率的重要手段。集中式余热在回收利用时具有以下优点。
　　1)清洁的余热载体
　　集中式余热大多来自废气、废渣、废水等介质以及各工艺的冷却过程，余热来源众多，需要集中回收利用，这需要载热媒介来实现。而且，余热介质通常性质恶劣，例如，烟气中含尘量大或含有腐蚀性物质，如果直接将烟气接入余热利用设备，对吸收式制冷机、有机朗肯循环( organic Rankine cycle，ORC)发电机组和热泵等余热利用设备的运行及维护十分不利。因此，通过热能采集设备产生清洁的蒸汽和热水作为余热载体，能够实现清洁的余热传输、利用和转换。
　　2)余热的规模化利用
　　工业余热来源于多个生产工艺过程，但是余热回收利用不能点对点进行，而是需要规模化集中利用，这样可以减少余热利用设备以及辅助设备的数量、降低系统及管线的复杂度及成本、提高余热利用系统的空间利用率，实现冷、热、电的规模化输出。
　　3)余热的规模化储能工艺生产过程中存在周期性、间断性或生产波动，会导致余热量不稳定。集中式余热可以实现规模化的低成本储热，使余热温度、流量稳定，有利于余热利用系统的稳定运行和控制。
　　4)余热利用设备的可靠性与高效性
　　由于集中式余热载体的清洁性，以及余热载体能够保持温度、流量稳定，因此集中式余热利用系统的设备设计简单，制造工艺成熟，能够保障余热利用设备运行可靠。而且余热的规模化利用可以采用 ORC发电机组、吸收式制冷机、吸收或压缩式升温热泵等大型的余热利用转换装置产生电能、冷能和热能，系统设备数量减少、辅助设备功耗降低，提高了余热利用系统的热效率。
　　1.1.3.2 分散式余热
　　相对于集中式余热，小型柴油发电机、小型锅炉、车船用发动机、空压机等能量转换装置产生了分散式余热，其余热利用率相比集中式装置大大降低，甚至余热没有得到任何利用。以船用小型柴油发电机为例，其余热占能量消耗值的比例可达65%。分散式余热分布广泛，虽然没有集中式余热体量大，但是由于余热没有得到有效利用，余热量也相当可观。分散式余热的有效利用是工业余热利用的重要补充。然而分散式余热相比集中式余热更加难以利用，原因如下。
　　1)显热余热载体
　　分散式余热体量小，其载体是气体和液体等显热余热载体。这种余热载体具有比热容小、温度滑移大、部分情况有腐蚀性等特点，因此带来了余热利用系统的复杂性和适应性问题。集中式余热通常以蒸汽和热水为余热载体，其温度、流量可以相对稳定，因此集中式余热利用系统制造工艺成熟，运行稳定可靠。相比之下，分散式余热利用系统对换热器等提出了更高的要求，比如，需采用微通道换热器实现系统的紧凑性等。
　　2)余热资源的不稳定性
　　对于分散式装置，如柴油发电机、车船用发动机等，其输出功率和工况有关，相应的余热输出也随之变化。以车用发动机为例，发动机的功率随汽车的加速、减速、怠速等工况变化，尾气的温度和余热热量的大小也随之变化，这给余热的利用带来了极大的挑战，热输入的急剧变化会影响余热利用系统的运行稳定性，对余热利用系统的设计、制造和控制提出了更高的要求。
　　3)热效率需要足够高
　　对于分散式余热，其体量相对较小，如果系统热效率不够高，余热利用系统的散热会引起辅助设备耗电增加，从而使余热利用的经济性变差，甚至得不偿失。因此提高分散式余热利用系统的热效率是必须考虑的。
　　4)设备安装空间较小分散式余热利用系统的安装空间通常较小，这对余热利用系统的设备体积提出了要求，系统的传热传质部件需要进行有效的强化和设计，实现高体积热流密度。分散式余热利用系统的部件和系统与集中式余热利用系统相比，需要更加高效紧凑的传热传质部件设计与系统优化。
　　从分散式余热利用的特点可以看出，分散式余热利用系统并不是仅将集中式余热利用系统小型化利用，而是在系统效率、体积、可靠性和稳定性上都提出了更高的要求。分散式余热的利用作为集中式余热利用的补充，其利用系统必须考虑以上特点进行设计和研发。
　　1.2 低品位余热的采集、品位提升与储存技术
　　要对余热进行利用首先要对余热进行采集，采集到的余热可以直接使用，也可以经过品位提升后再进行利用。下面对余热的采集和品位提升方式以及相关过程的能量储存进行简单的介绍。
　　1.2.1 余热采集技术
　　各种温度区间和不同类型的余热，所使用的余热采集方式也是不一样的。余热采集过程只是将余热传递给余热能量系统，在采集过程中余热的品位会由于传递而降低，但采集过程并不改变余热的能量形式。余热采集采用热交换技术，这是回收工业余热*直接、效率较高的经济方法，相对应的设备是各种换热器。
　　1.2.1.1 间壁式换热器
　　间壁式换热是指热流体和冷流体被固体壁面隔开、不直接接触的热交换过程。间壁式换热可采用多种换热器形式，如管式换热器、板式换热器、同流换热器等。管式换热器的热流体和冷流体在管壳内进行换热，管程易于清洗，通常设置为非洁净流体通道。管式换热器虽然传热效率较低，紧凑性和金属耗材等方面也逊色于其他类型换热器，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*广泛的热交换设备，冶金企业