通常温度在200℃以下的热能统称为低温热。它们来源广泛,包括各种工业余热、海洋温差、太阳能、地热能等。人类使用的热能中,大约50%最后会以低温余热的形式直接排放。以工业低温余热为例,总量巨大,直接排放不仅会造成巨大的能源浪费,还会对人类生存和生态环境产生不利影响。据估计,2012年,欧盟的化工、炼化和冶炼企业的余热发电潜力约为20兆瓦。就我国而言,单位国内生产总值产值能耗比世界平均水平高出3.5倍左右,能源利用率比国际平均水平低10%以上。由此可见,我国工业余热的回收再利用前景广阔。具体到我国化工行业而言,低温余热资源分布较为分散,传热温差相对较小,回收存在较大难度。目前我国化工行业余热回收利用率不足50%,仍然具有非常可观的回收再利用空间。化工行业余热主要存在于气态和液态载体中。气相主要是生产过程中产生的气体,液相主要是冷却水、冷凝水和可燃废液。如果将这部分余热资源充分回收再利用,不仅有助于缓解我国能源短缺的问题,而且减少了能源生产过程中的生态环境污染,一举两得。到目前为止,化工行业低温余热回收利用的途径主要分为三类:一般供热用热源、热泵回收利用和低温余热发电。
1.用作一般加热热源
通常根据回收的低温余热水平,选择用户,替代中、高温热源,可大大降低能量传递损失,并且余热直接利用效率最高,这是最常用的低温余热利用方案。直接利用低温余热大致可分为两种方式,一种是加热装置的低温物流。工业生产中使用的热量大部分属于连续稳定负荷的情况,所以在制定设备的低温物流供热方案时,采用低温余热代替中、高温热源,可明显节约能源,并且降低生产中的直接能耗,经济效益显著。例如,在常规精馏操作中,利用低温余热加热油罐、催化剂装置洗涤用水、原材料和塔底再沸器、电力系统用化学水等。利用低温余热作为一般热源的第二种方式是将其用于生活供暖、工厂办公和生活用水加热。这种热负荷受季节影响较大。因此,在制定余热利用计划时,应充分考虑要保持整个系统的平衡。
2.通过热泵回收利用
热泵在回收利用低温余热方面具有独特的优势。在干燥、蒸馏、蒸发、制冷等化学过程中已经获得显著的经济效益。热泵通过将低温余热转化为高温热能,提高能源的有效利用率,这种转化策略发展潜力巨大。回收余热热泵主要分为压缩式热泵和吸收式热泵。压缩式热泵已被广泛用于气体分馏装置,使用极少量的优质电能代替原来的高温蒸汽加热介质,能达到显著的节能效果。同时应注意,热泵回收余热计划通常用于低温余热和所需热量之间的温差不大的情况,如果温差较大,热泵的经济效益较小,甚至不具有经济效益。
3.低温余热发电
近年来,当大量过剩的低温余热难以找到一种合适的方式进行同级利用时,研究人员越来越关注将低温余热用于发电。到目前为止,低温余热发电技术的核心原理为朗肯循环,使用的工作介质大多是一些低沸点介质(例如水蒸汽)以及各种有机物,下面我们将重点讨论朗肯循环发电系统及其实际应用过程。
(1)发电介质的选择
对于低温余热发电,选择介质至关重要,需要将技术的可行性和经济性结合起来进行综合考虑,同时又要符合环境保护的要求。在常规的水蒸汽朗肯循环系统中,水蒸汽为工作介质,发电设备由四部分组成(水泵、锅炉、汽轮机和冷凝器组)。工作介质水蒸汽在热力设备中连续进行等压加热、绝热膨胀、等压放热和绝热压缩四个过程,使热能不断转化为机械能。当用低温有机介质(例如,烷烃己烷等)作为发电系统循环工质时,发电设备主要由四部分组成(循环泵、蒸发器、汽轮机、冷凝器)。基于低沸点有机工作介质的发电过程中依次经过吸收废热,汽化,进入汽轮机膨胀做功,最后驱动发电机发电。这些沸点低于水的有机介质在回收低温显热方面具有明显优势,经济效益显著。需要注意的是,朗肯发电循环对中低温化工余热(热源温度低于150℃)回收的系统效率较低。因此,对于化工行业中低温余热,经常采用混合介质循环发电系统进行回收利用。具体过程是热水首先进入热交换器进行热交换,后给另一种低沸点介质提供热能,促使其蒸发产生蒸汽,组建低沸点工质朗肯循环发电系统。混合介质循环发电系统具有热效率高、结构紧凑等明显优势。为了进一步高效地回收利用中低温余热,研究者们已经集成吸收式制冷循环和动力循环,构建新型混合介质联合循环。吸收式制冷循环通过利用来自蒸汽透平排气的低温位余热进行制冷,然后通过冷能对动力系统进行冷凝,从而降低了蒸汽透平的排气压力和循环平均放热温度,这样不但显著提高了系统的热效率,而且进一步拓展了中低温余热的利用方式。此外,近年来一些新型发电介质的开发利用也已成为低温余热发电技术的研究热点。首先,从技术可行性的角度来看,最关键的因素是循环过程中工作介质的压力应该适中,不要过高或过低,并且必须在设备的密封性能和耐压性能的允许范围内。从经济的角度,主要考虑系统效率。为了获得更高的发电效率,主要从三个方面研究介质的影响:①介质的热物理性质对朗肯循环特性的影响。②介质的传热性能影响换热器的传热特性和其他部件的传热损失。③工作介质的流量特性影响系统的流量损失。从环保角度看,工作介质应满足低温室效应、不破坏臭氧层等环保指标。通常利用臭氧层衰减指数(ODP)和温室效应指数(GWP)两个指标对工作介质的环境性质进行评价。上世纪七八十年代建成的大量低温余热发电站,大多使用有机物质(含氟、氯、碳的完全卤代烃等),对环境有一定破坏性。
随着人们环境意识的增强以及《蒙特利尔协议》《巴黎公约》等一系列国际环保规则的生效,有害发电介质将逐步被环保友好介质(例如含氢、碳、氟的不完全卤代烃等)代替。除此之外,选择低温余热发电用介质时还需要注意以下几方面的因素:流动性、传热性、热稳定性、化学稳定性、毒性等。尤其注意的是介质的可燃性,应该尽量采用不可燃介质,以确保发电系统的稳定性和安全性。此外,还需要进一步优化新型环保发电介质的热效率。综上可知,低温余热发电介质的选择需要综合考虑经济性、安全性、环保性等影响因素,做出平衡。
(2)热交换器的优化
影响低温余热发电系统效率的关键因素是换热器(尤其是蒸发器)的效率。因此,优化换热器的效率是提升整个发电循环性能的最重要途径。提升换热器效率的关键是降低换热过程中的不可逆损失,最大限度地减少换热温差。这就需要从工作介质和设备的角度进行考虑。利用热交换性能优良的有机工质,使热源的温度变化过程与工质的加热过程相匹配,可减小换热温差。通过增加换热器的换热面积,分析换热过程的动态和静态过程,可以调控低温热电换热器的设计和运转动态变化过程。
(3)系统热经济性评价
合理评价低温余热发电系统的热经济性对系统的设计和施工都具有非常重要的指导作用,也是保证系统平稳高效运行的前提。然而,评价发电系统热经济性是低温热电技术的难点之一。有机工质朗肯循环性能的评价主要从热力学的第1定律和第2定律入手。在相同的低温热源条件下,有机工质朗肯循环系统的效率明显高于水蒸气朗肯循环系统的效率,并且其性能也优于水蒸气系统;从换热效率的角度,有机工质较小的蒸发潜热使其等温蒸发过程占整个加热过程的比例较小。因此,有机工质的加热过程能与低温热源的温度变化过程进行较好地匹配,将热交换的不可逆损失降到最低。但是,对于实际的低温余热发电系统,除了从工质的角度出发评价系统的经济性外,还需要从成本、安全等其他方面对整个发电系统的经济性进行综合评价。
4.其他利用
除上述方法外,制冷和加热器也是回收化工行业低温余热的有效途径。低温余热制冷主要方式是吸收式制冷。目前,以低温余热代替蒸汽热源的氨吸收式制冷已应用于工业生产。蒸汽溴化锂吸收式制冷也已得到广泛应用。溴化锂吸收式制冷机组由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、热交换器、溶液泵及冷剂泵组成。以水为制冷剂,溴化锂水溶液为吸收剂,制取0℃以上的低温水。溴化锂吸收式制冷机是高度真空容器,特别是蒸发器、吸收器必须保持低于1/100大气压的高真空,即使进入少量空气,也会对容器内的真空造成较大影响,降低制冷效果。吸收器里的稀溶液,经过溶液泵送往热交换器后温度升高,接着进入发生器,在发生器中再次被高温热水加热,形成高浓度溶液。浓溶液再经过热交换器,温度被降低,进入吸收器,吸收来自蒸发器的冷剂蒸汽,成为稀溶液。依靠高温热水、冷水两组系统有机地结合在一起,通过对溶液循环量和制冷量的最佳分配,实现温度、压力、浓度等参数在两个循环之间的优化配置,最大限度地利用高温热水的热量,以上循环如此反复进行,最终达到制取低温冷水的目的。
许多改造的石化装置已经采用了低温热溴化锂吸收式制冷方案。低温余热制冷有两种用途:一种是在生产过程中使用,例如,某炼化公司利用系统排汽和催化裂化稳定汽油余热作为热源,在催化裂化装置的吸收稳定系统中设置了两台溴化锂吸收式制冷机,不仅显著提高了吸收稳定操作,使气体吸收塔采取低温操作(操作温度降低到20℃以下),更多地回收液化气、丙烯等高附加值产品。而且还提高了炼油产品的产量 (液化石油气半年增产超过10,000)。通过对国内七十多套催化裂化装置进行经济效益核算,平均每套1Mt/a的催化裂化装置可以增加3.0MW低温热阱需求,并增加约1000t的丙烯回收量,效益非常可观。二、用于办公室和生活空调,大大减少了用电量。通过溴化锂制冷机组可直接用低温热能产生7℃的冷量,该冷量可在生活中调节气温,减少空调电耗。
吸收式变热器是近年来新兴的低温余热回收利用技术。它利用变热器将低温余热(如90℃热水)转化为两部分,一部分转化为温度较高的热量,用作直接加热热源;另一部分降质为废弃热,冷却后直接排出。我国目前已将可变加热器的技术已列入重点研究项目。其中选择合适的工作介质是可变加热器研究的关键。研究难点是获得约200℃的可用于直接加热的热量。
5.前景与展望
我国化工行业低温余热总量巨大,具有广阔的发展前景。根据国家规划,到2025年,工业低温余热发电装机容量超过200兆瓦。因此,有必要加强对低温余热发电技术的研究,这对于深化节能至关重要。低温余热发电技术发展的大势所趋是开发环保高效的能源系统。将来主要从以下几个方面对低温余热进行研究:
(1)寻找合适用户,制定个性化方案。生产生活用热类型可分为三类:纯加热型、加热-制冷组合式和加热-制冷-发电型。由于低温余热用户情况差异较大,要因地制宜,研究升级利用途径,确保制定的余热利用方案具有较高可行性,效果明显。
(2)进一步挖掘低温余热资源。充分做好生产设备中温度高于100℃的冷却物流热量的回收利用。同时,还应充分考虑生产装置取热方案的可行性和安全性。
(3)开发利用低温余热的新技术,最大限度地提高余热的温度水平,使其得到有效利用。
摘要：针对目前化工行业低温余热资源的利用现状和存在的突出问题,归纳了低温余热回收利用的主要途径和策略:用作一般加热热源、利用热泵回收利用、利用低温余热发电。重点介绍了低温余热发电介质的选择、热交换器的优化以及系统热经济性评价等关键性问题。将来高效利用低温余热资源的研究侧重点:一是为不同用户制定个性化利用方案;二是充分做好生产装置中温度高于100℃的冷却物流热量的回收利用;三是开发低温余热资源利用新技术,进一步提高余热资源的温度水平。
关键词：化工行业低温余热资源,加热热源,热泵,发电,新技术
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