基于能量梯级利用的工业余热回收技术研究

基于能量梯级利用的工业余热回收技术研究

王国强

包头市热力（集团）有限责任公司  014010

摘要:工业余热是指工业生产过程中排放的、未被合理利用的热量,是一种宝贵的二次能源。合理回收利用工业余热,对于提高能源利用效率、减少温室气体排放具有重要意义。然而,工业余热能量分布不均衡、品位差异大,且现有余热回收技术匹配性不足,导致余热能量梯级利用效率低。本文分析了工业余热能量梯级利用的现状与挑战,提出了基于能量梯级利用的工业余热回收技术研究思路,包括建立余热能量分布图谱、开发多元化余热回收技术、优化能量梯级利用流程、构建余热能量智能调度系统等。研究表明,采用上述方法可显著提高工业余热回收利用效率,对于推动工业绿色低碳发展具有重要意义。

关键词:工业余热;能量梯级利用;余热回收;热力系统;智能调度

一、引言

1.1 研究背景

工业领域是能源消耗的主要部门之一,工业能耗约占全社会能源消耗的60%。然而,能源利用效率普遍较低,大量余热未被合理利用而直接排放,不仅造成能源浪费,还带来环境污染。工业余热具有分布广、数量大、品位差异大的特点,传统单一化的余热利用方式已无法满足要求,亟需创新工业余热回收利用模式。近年来,国内外不少学者开始关注能量梯级利用理念在工业余热回收中的应用,但尚处于探索阶段,理论与技术体系有待进一步完善。

1.2 研究目的与意义

本文旨在分析工业余热能量梯级利用的现状与不足,探索基于能量梯级利用的工业余热回收技术,优化工业余热能量的分布、采集、存储、级联利用等环节,提高余热回收效率,以期为工业企业节能提质增效提供决策参考,为政府制定相关政策提供理论依据,推动工业绿色低碳发展。

二、工业余热能量梯级利用现状分析

2.1 工业余热能量概述

工业余热是指工业生产过程中排放的、未被合理利用的热量,按品位可分为高温余热(>400℃)、中温余热(150-400℃)和低温余热(<150℃)。工业余热主要存在于高温烟气、低温烟气、冷却水、工艺流体等介质中,常见的余热排放设备包括工业锅炉、工业窑炉、炼钢转炉、焦炉等。据估算,我国每年工业余热资源量超过8亿吨标准煤,若全部回收利用,可满足全国约1/3的能源消费需求。目前,高温工业余热回收利用已较为普遍,但中低温余热尚有近70%未被合理利用。

2.2 工业余热能量梯级利用的必要性

工业余热虽为"二次能源",但其品位、用途与常规能源并无本质区别。充分回收利用工业余热,对于缓解能源紧张、减少化石能源消耗、降低工业生产成本、提高能源利用效率具有重要意义。梯级利用是一种先进的能源利用理念,指按能量品位高低,将能量逐级分配到不同用能设备,实现能量的高效利用。将能量梯级利用理念引入工业余热回收,可显著提高余热利用深度和广度。一方面,可将不同品位余热进行分类收集、合理配置,提高余热利用的匹配性和针对性。另一方面,通过余热能量在不同工序、不同设备间的串联利用,延长能量利用链条,提高余热利用效率。

2.3 工业余热能量梯级利用的现状与挑战

目前,工业余热回收技术日趋成熟,一些先进技术和装备已在部分行业得到推广应用,如热管余热锅炉、吸收式热泵、有机朗肯循环发电等。但就总体而言,工业余热能量梯级利用尚处于起步阶段,主要存在以下不足:一是缺乏系统性工程设计,难以实现余热能量的优化配置;二是聚焦单一设备余热回收,缺乏系统内部、系统之间的能量协同优化;三是对余热参数缺乏实时感知,难以实现余热能量的动态优化调度。此外,工业余热能量品位差异大,不同温度、介质、工况条件下的余热回收技术尚不完善,技术经济性有待进一步提高。随着工业系统能源利用要求的提高,传统"单打独斗"式的余热利用模式已无法适应要求,亟需创新工业余热回收理念和技术路线,优化能量配置方案,实现余热能量梯级高效利用。

三、工业余热能量梯级利用面临的问题

3.1 余热能量分布不均衡

工业余热能量在时间和空间上分布不均衡,不同工序、不同设备的余热排放在数量、品位、介质等方面存在显著差异,加大了余热回收的难度。以钢铁行业为例,钢铁生产流程涉及炼焦、烧结、炼铁、炼钢、轧钢等多个环节,各工序余热温度从100℃到1600℃不等,品位分布极不均衡。此外,batch工艺的间歇性特点导致余热排放具有动态波动性。缺乏对余热能量时空分布规律的精细刻画,难以实现余热能量的优化配置和梯级利用。

3.2 余热能量品位差异大

不同品位余热在数量、温度、压力等热力参数上差异显著,对回收技术的适用性和经济性提出了挑战。高温余热虽然品位高,但数量相对较少,且对回收设备材质、结构强度等要求高,投资和运行成本大。中低温余热虽然数量大,但品位较低,直接利用经济性欠佳。如何因地制宜地选择回收技术,针对不同品位余热"对症下药",成为亟需解决的问题。此外,余热能量品位的动态波动也对回收技术的适应性提出了更高要求。

3.3 余热回收技术匹配性不足

目前,工业余热回收技术种类繁多,既有成熟的商用技术,也有前沿的实验室技术。但现有技术大多针对单一设备、单一工况,缺乏系统的耦合集成和优化。在实际应用中,往往出现技术与余热能量特性不匹配、技术之间缺乏互补协同的问题,制约了余热回收的效果和效益。此外,余热回收环节与生产系统的匹配与融合不够,影响了生产过程的稳定性和连续性。亟需开发一体化、系统化的余热回收技术,实现余热回收与生产系统的深度融合。

四、基于能量梯级利用的工业余热回收技术研究

4.1 建立余热能量分布图谱

首先,要摸清家底、查明资源,全面调查工业生产线余热排放环节,重点关注工业炉窑、锅炉、烘干设备、冷却塔等用能大户。建立余热能量台账,采集余热温度、流量、压力等热力参数,形成设备级、车间级、企业级的余热能量分布图谱。在此基础上,运用大数据分析、数值模拟等技术,刻画余热能量的时空分布特性,预测余热排放的波动趋势,为后续的余热回收方案制定、技术设计、运行优化等提供数据支撑。例如,可建立转炉煤气、高炉煤气余热排放的动态模型,预测不同时段的余热供给能力,指导余热梯级利用系统的设计运行。

4.2 开发多元化余热回收技术

针对不同品位、不同介质、不同工况条件下的余热能量,因地制宜地开发多元化余热回收技术。对于品位较高的净烟气,可采用热管式换热器、热泵与透平机联合循环等技术,实现热电联产。对于含尘、腐蚀性烟气,可采用耐高温、耐腐蚀的陶瓷换热器等。对于低品位水蒸气,可采用吸收式热泵、溴化锂吸收式制冷等温差发电技术。对于常压或微正压气体,可采用容积式膨胀机替代减压阀,实现减压膨胀发电。总之,要立足余热自身特点,开发一系列技术产品和集成应用方案,为余热分级分质回收利用提供装备支撑。

4.3 优化能量梯级利用流程

在对余热能量全面梳理的基础上,遵循能量梯级利用、分质对用、供需匹配、丢物利废等原则,优化企业内部能量流程,构建余热能量梯级利用网络。具体包括:一是分品位进行余热回收,高温余热优先满足高品位用能需求,中低温余热用于低品位领域,最大化减少能级降贬。二是强化余热能量在工序间的串联利用,低温工序优先利用高温工序排放的余热,实现能量在企业内部的顺序流动。三是加强能量跨系统融通,统筹考虑蒸汽、电、燃气等能量介质,在更大范围内实施余热能量分时复用、梯级利用。在流程优化中,可借助热力系统集成优化、能量网络合成、分布式能量系统等方法,在能量-资源-环境约束下,实现余热能量和新能源的协同互补。

参考文献

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