热能动力装置中的余热回收与利用策略

热能动力装置中的余热回收与利用策略

曹茂军1   张超2   于克凤3

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摘要：随着全球能源需求的不断增长和环保意识的日益增强，提高能源利用效率、减少能源浪费已成为全球关注的焦点。热能动力装置，如热电厂、化工厂以及船舶动力装置等，在生产过程中会产生大量的余热，这些余热若得不到有效回收利用，不仅会导致能源的巨大浪费，还可能对环境造成不良影响。因此，余热回收与利用技术的研究和应用具有重要的现实意义和广阔的应用前景。

关键词：热能动力装置；余热回收；利用策略

引言

热能动力装置中的余热主要来源于燃料燃烧产生的排气废热、冷却水带走的热量以及工艺过程中的各种热损失。这些余热具有温度高、数量大、分布广的特点，如果能够通过合理的技术手段进行回收和再利用，不仅可以提高能源利用效率，降低生产成本，还能减少温室气体排放，促进可持续发展。

1余热回收与利用策略的重要性

1.1提高能源效率

余热回收与利用策略的重要性首先体现在其对能源效率的显著提升。在工业生产过程中，大量的热能因工艺需求而被产生，但往往只有一部分被有效利用，剩余的热能则以废热的形式排放到环境中，这不仅造成了能源的浪费，也加剧了环境的热污染。通过实施余热回收技术，如安装热交换器、利用热泵系统或采用有机朗肯循环等，可以将这些原本会被浪费的热能重新捕获并用于其他生产环节或供给其他系统，如区域供热或发电。这种能源的再利用不仅减少了原始能源的消耗，降低了生产成本，而且也减少了对传统能源的依赖，从而在宏观层面上促进了能源结构的优化和能源安全。

1.2减少环境影响

余热回收与利用策略的另一个重要性在于其对环境的积极影响。工业余热的直接排放会导致局部地区温度升高，形成热岛效应，对生态系统和人类生活环境造成负面影响。此外，传统的能源生产方式，如燃煤发电，会产生大量的二氧化碳和其他温室气体，加剧全球气候变化。通过回收和利用余热，可以减少对化石燃料的需求，从而直接降低了温室气体的排放。同时，余热回收还可以减少水资源的消耗，因为在许多工业过程中，冷却系统需要大量的水来带走多余的热量。因此，余热回收不仅有助于环境保护，也是实现可持续发展战略的关键步骤。

2热能动力装置中的余热回收技术分析

2.1热交换器技术

热交换器是热能动力装置中应用最广泛的余热回收技术之一。它通过两种或多种不同温度的流体之间的热量传递，实现热能的回收。热交换器的设计多种多样，包括壳管式、板式、翅片管式等，每种类型都有其特定的应用场景和效率。在工业生产中，热交换器常用于回收烟气、冷却水、废蒸汽等介质中的热量，并将其传递给需要加热的工艺流体或水，以供再利用。例如，在钢铁冶炼过程中，高温烟气可以通过热交换器预热进入炉内的空气，提高燃烧效率，减少燃料消耗。热交换器的优势在于其结构相对简单，维护成本较低，且能够适应多种工况条件。然而，热交换器的效率受到流体流动状态、材料导热性能等因素的影响，因此在设计和选型时需要综合考虑多种因素。

2.2热泵技术

热泵技术是另一种高效的热能回收技术，它通过消耗少量的高品位能源（如电能），将低温热源中的热量转移到高温热源，从而实现热能的提升和利用。热泵系统通常包括蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀等组件。在余热回收应用中，热泵可以从工业冷却水、废气或地热等低温热源中提取热量，并将其提升至适合供暖、工艺加热或热水供应的温度水平。热泵的优点在于其能够提供比消耗能量更多的热量输出，具有较高的能源利用系数（COP），且在环境温度较低的情况下仍能保持较高的效率。然而，热泵的初投资较高，且对系统的维护和操作要求较高，因此在推广应用时需要充分考虑经济性和技术可行性。

2.3有机朗肯循环（ORC）技术

有机朗肯循环（ORC）技术是一种利用低品位热能（如工业余热、地热、太阳能等）发电的技术。ORC系统使用有机工质（如氟利昂替代品）代替水作为工作介质，因为有机工质在较低的温度和压力下就能蒸发，更适合处理低品位热能。ORC系统包括蒸发器、膨胀机、冷凝器和工质泵等组件。在蒸发器中，有机工质吸收余热并蒸发，然后在膨胀机中膨胀做功，驱动发电机发电。最后，工质在冷凝器中被冷却并重新液化，循环使用。ORC技术的优势在于其能够在较低的温度下有效工作，适用于多种热源，且系统结构相对简单，维护方便。然而，ORC系统的效率受到工质选择、系统设计和操作条件的影响，因此在实际应用中需要进行详细的工程设计和优化。

3余热利用策略

3.1工业过程的直接利用

热能动力装置中的余热利用策略之一是直接在工业过程中进行利用。这种方法通过将回收的余热直接应用于同一工厂或相邻工厂的其他生产环节，以减少对外部能源的依赖。例如，在化工行业中，高温烟气可以通过热交换器回收，用于预热反应原料或提供工艺加热所需的热量。在钢铁冶炼过程中，余热可以用于预热空气，提高炉内燃烧效率，或者用于预热原料，减少能源消耗。直接利用余热的优势在于其简单直接，不需要复杂的能量转换过程，因此能量损失较小，效率较高。此外，由于余热和生产过程在同一地点，热量的传输距离短，减少了热损失。然而，直接利用余热需要考虑生产过程的热需求与余热资源的匹配问题，以及如何设计合适的热交换系统来实现热量的有效传递。

3.2区域供热与制冷

区域供热与制冷是另一种有效的余热利用策略，它通过集中供热和制冷系统，将回收的余热供给多个用户，如住宅、商业建筑和公共设施。在区域供热系统中，余热可以用于提供热水或蒸汽，满足供暖和热水需求。在区域制冷系统中，余热可以驱动吸收式制冷机，提供冷却水或冷气。这种策略的优势在于其能够实现规模经济，提高能源利用效率，并减少分散供热和制冷系统对环境的影响。区域供热与制冷系统通常需要较大的基础设施投资，包括热网和冷网的建设，以及热交换站和制冷站的管理。然而，随着能源价格的上涨和环保要求的提高，区域供热与制冷系统在许多城市得到了推广和应用。

3.3余热发电

余热发电是利用热能动力装置中的余热产生电能的一种策略。这种方法通过热电联产（CHP）或有机朗肯循环（ORC）等技术，将低品位的热能转换为电能，从而提高能源的综合利用效率。在热电联产系统中，余热可以用于驱动蒸汽轮机或燃气轮机，同时产生电力和热能。在ORC系统中，低品位的热能通过有机工质的循环，驱动膨胀机发电。余热发电的优势在于其能够将原本会被浪费的热能转化为有价值的电力，减少对传统发电厂的依赖，并降低温室气体排放。然而，余热发电系统的建设和运行需要考虑热源的稳定性和可预测性，以及电力市场的需求和价格。

结束语

在热能动力装置中，余热回收与利用策略不仅是提高能源效率、降低运营成本的关键手段，也是实现可持续发展、减少环境影响的必要途径。通过采用先进的热交换器技术、热泵系统和有机朗肯循环等方法，可以有效地捕获和再利用那些原本会被浪费的热能，将其转化为电力、热能或其他形式的能源，服务于工业生产、居民生活和公共设施。随着技术的不断进步和政策的支持，余热回收与利用将在全球范围内得到更广泛的推广和应用，为构建绿色、低碳的社会做出重要贡献。

参考文献

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