化工热力学论文参考阅读6篇之第五篇：国内外低温热利用的现状和存在的问题
摘要：总结了国内外低温热利用的现状和存在的问题，归纳了低温热回收利用的一些途径及技术，主要为直接作一般加热用热源、热泵回收和低温热能发电，着重介绍了低温热能发电工质的选择和热交换器的优化与系统热经济性评价等关键性问题。认为今后对低温热回收利用研究应寻找合适用户，制定可行方案；挖掘低温热源，重点做好生产装置80℃以上冷却物流热量的回收；开发低温热升级利用的新技术，引进相关设计及制造技术。
关键词：低温热能； 利用； 热泵； 发电； 前景
Abstract:
The low temperature heat energy is that heat energy below two hundred centidegree.This text firstly summarizes the current situation and existing problems of the low temperature heat energy utilization at home and abroad.After that,some ways and technologies of the low temperature heat energy utilization concretely are introduced.Finally,the prospects of the low temperature pickupheat is presenting.
Keyword:
low temperature heat energy;current situation;existing problems;prospect;
低温热能是指品位相对较低的热能，一般温度低于200℃。这些能源种类繁多，包括太阳热能、各种工业废热、地热、海洋温差等可再生能源[1].低温热能总量巨大，以工业废热为例，人类所利用的热能中有50%最终以低品位废热的形式直接排放，不但造成了巨大的能源浪费，而且也带来了大量污染物的排放。
我国化工行业的余热资源主要集中在低温热能，余热资源回收率仅41.9%.低温余热资源分布比较分散，传热温差小，回收比较困难，但回收价值可观[2,3,4,5].这类热源存在于气态及液态载热体中，液态主要是冷凝水和冷却水及可燃性废液，气态主要是工艺生产气体。回收和利用这部分能源，既有助于解决我国的能源问题，又能减少能源生产过程中的环境污染。
能源是经济发展的关键问题，国内外对于低温热能利用的研究主要开始于20世纪70年代石油危机时期。
我国解决能源问题的方针一是开源，二是节流，2者同等重要[6].目前，国内外低温热能的回收利用主要有直接作一般加热用热源、热泵回收利用和低温热能发电等几种方式。
1 直接加热用
直接作一般加热用热源，根据低温热回收的温位，选择适宜的用户，不仅改变了用户原使用高、中温热源时所造成的过大能量传递损失，而且把高、中温热源顶替下来。在诸多低温热的利用方案中，热量的直接利用效率是最高的，是低温热利用中最具吸引力的方案[7].
热量的直接利用大致分为2个途径。第1种途径是加热装置低温物流[8].如精馏操作中加热装置原料及塔底重沸器加热、油罐加热、催化剂厂洗涤水加热和动力系统补充化学水、新鲜水加热等[9,10,11].利用低温热取代生产中使用的高、中温位热源，可直接减少生产能耗。由于生产用热大多属连续、负荷稳定的情况，因此安排装置低温物流热方案时，应优先考虑低温热，其节能幅度大、效益高。第2种途径是用于日常生活加热生活用水、厂区办公和生活取暖，这类用热负荷随季节和昼夜变化而变化，制定方案时应考虑保持系统平衡。这类用热以地温热取代不仅提高了职工的生活水平、降低了全厂的综合能耗，另一方面也可节省业已存在的使用液化石油气热水器加热的生活用热水，减少了液化石油气的使用[12].
2 热泵回收利用
热泵在回收低温余热方面更具有独特的优点，目前应用已十分广泛[13].在蒸发、蒸馏、干燥、制冷和空调等化工过程中取得了良好的经济效益。热泵能将低温位余热转换成高温位热能，提高能源的有效利用率，是一种有效利用低温热能的技术手段[14].
热泵分为压缩式和吸收式2类。许多石油化工装置已成功地使用了压缩式热泵，取得了较好的节能效果。压缩式热泵在气体分馏装置应用较为普遍，用少量高质量电能代替原加热介质如蒸汽，起到较为明显的节能作用。但随着低温热利用方案的优化，采用低温热水代替蒸汽作塔底重沸器热源，比压缩式热泵方案更为经济。热泵一般用于需用热量温度与低温热物流温差不大的场合。过大的温差将不经济，制定方案时须慎重选择。
3 低温热能发电
在大量过剩的低温热难以找到适宜的同级利用方案时，采用低温热发电是一种适宜的途径[15,16].在国家资源综合利用产业和环保政策的鼓励下，许多企业开始利用生产过程中产生的余热进行发电，这样既降低了成本，又保护了环境，经济和社会效益十分显著。
低温热能发电技术主要应用于太阳能热电、工业余热、地热、生物质能和海洋温差能等。回收工业余热既可以最大限度满足企业终身的用电需求、减少外购电量、降低产品制造成本、提高经济效益，又可减少工业能源消耗和温室气体的排放利于环保。由于纯低温余热发电是不用燃料的余热利用，所以更符合节能环保的要求。
工业余热的总量是非常巨大的。据估计，美国精练、化工、钢铁等行业在2002年所具有的余热发电潜力约为3 GW.而我国单位产值能耗比世界平均水平高2.4倍，能源效率比国际先进水平低10个百分点，回收工业余热具有巨大的节能潜力。
单纯采用低温热发电方案，投资大、发电效率低、投资回收期长，因此与生产供热、供冷结合起来，根据温位不同等安排不同用途，形成整体优化方案，是目前广为采用的一项低温热回收利用的方法。
到目前为止，低温热能发电技术主要是基于朗肯循环的发电系统，所采用的工质多为各种有机物或其他一些低沸点工质，必须对有机物朗肯循环发电系统和应用过程进行重点研究[17,18,19,20].
3.1 工质的选择
如何选择工质，使其技术可行、经济性好，并且符合环保要求，是低温热电技术的重要问题之一。常规的水蒸汽朗肯循环中，工质是水蒸汽，由4大设备锅炉、汽轮机、冷凝器和水泵组成。工质在热力设备中不断进行等压加热、绝热膨胀、等压放热和绝热压缩4个过程，使热能不断地转换成机械能。当利用低温有机工质（如戊烷）作为循环的工质时，主要设备有蒸发器、汽轮机、冷凝器和循环泵等。采用低沸点的有机工质来吸收余热、汽化、进入汽轮机膨胀做功，带动发电机发电。有机工质的沸点低于水的沸点，在回收显热方面有较高的效率。
目前的混合工质联合循环和低热双循环发电技术均是这一原理的充分体现。在中低温余热的回收利用中经常采用朗肯循环和常规混合工质循环[21].但当热源温度低于400℃时，朗肯循环的系统效率很低，经济和技术可行性很差。双工质循环系统中，热水流经热交换器，把热能传递给另一种低沸点工质，使低沸点工质蒸发产生蒸汽，组成低沸点工质朗肯循环发电。双工质循环机组具有热效率高、结构紧凑等特点。
为了更加有效的回收利用中低温余热，采用一个有动力循环和吸收式制冷循环有机结合而成的新型混合工质联合循环。吸收式制冷循环能够利用蒸汽透平排气的低品位余热制冷，并将冷能用于动力系统的冷凝过程，从而降低蒸汽透平的排气压力和循环的平均放热温度，不但开拓了有效利用中低温余热的新途径，而且提高了系统的热效率。
地热双循环发电技术，与其他地热发电技术最大的区别在于使用2种流体作为发电系统的工质，因此又名中间介质地热发电法。其他地热发电技术通常是地热水蒸汽（或汽水混合物）直接或闪蒸进入发电系统做功转换为电能。然而对于中低温地热资源，产生蒸汽的参数低，其做功能力不足等特点限制了地热发电的应用。地热双循环发电系统，地热流体携热进入热交换器，将热传给另一种低沸点工质，该种工质吸热蒸发进入汽轮机做功，产生蒸汽的参数高。2者相比，后者更适合中低温地热源发电，且能避免地下水污染[22].
一些新的环保型工质的开发与研究是低温热电技术研究的重要内容。首先从技术可行性角度讲，最重要的因素就是工质在循环过程中的压力不能过高，也不能太低，必须在装置抗压性和密封性允许的范围之内；其次从经济性角度讲，主要从系统的效率因素考虑，系统的效率尽可能高。
不同的有机物工质主要通过3个方面来影响系统的效率：1）工质热物性影响ORC循环特性；2）工质的传热特性影响换热器换热特性以及在其他部件中的换热损失；3）工质的流动特性影响系统的流动损失。
从环保角度，工质应该是环境友好的，包括对臭氧层没有破坏作用，且温室效应低。另外，工质选择还需要考虑传热性和流动性、化学稳定性和热稳定性、毒性、价格等因素。特别还需要注意工质可燃性，应该尽量采用不可燃的工质，以使系统更具安全性[23].
3.2 热交换器的优化
换热器特别是蒸发器的效率是影响系统整体效率的最重要因素之一，换热器性能的优化是提高循环性能的重要途径[24].提高换热器效率的核心是减小换热过程的不可逆损失，尽量减小换热温差。需从设备上和工质角度考虑，可以增加换热器换热面积、采用换热好的有机物工质，同时尽量使工质的加热过程与热源温度变化过程相配合，从而减小换热温差。对换热器换热过程的分析，如何分析换热过程的静态和动态过程，能对低温热电换热器的设计制造以及运行过程中的控制起到很好的指导作用。
3.3 系统热经济性评价
对系统的热经济性评价对设计建造有着非常重要的指导作用，因而如何进行热经济性评价也是低温热电技术的难点之一[25].由于低温热能发电应用的热源有很多种，因此对其进行经济性评价难度较大，ORC性能的评价主要从热力学第1定律和第2定律来考虑。首先从热力学第1、2定律来看，ORC系统比在相同热源下的水蒸汽朗肯循环系统效率高，性能也优于水蒸汽系统；从换热效率角度考虑，一般有机物的蒸发潜热较小，在工质等温蒸发过程占整个加热过程的比例较小，因此工质加热过程与热源温度变化过程的配合程度较好，换热的不可逆损失小。
上述的研究主要从工质角度分析系统经济性。对于实际的系统而言，更需要从设备成本等各个方面分析系统的经济性，正确地分析低温热电系统的热经济性是保证系统高效运行的前提之一。
4 其他
除以上方法之外，制冷和变热器也是低温热回收的很好方法[26,27].
低温热制冷主要是吸收式制冷。蒸汽溴化锂吸收制冷已得到普遍应用，用低温热代替蒸汽热源的氨吸收制冷也已投入工业应用。许多石油化工厂在节能改造和节能规划中考虑了采用低温热溴化锂吸收制冷的方案。低温热制冷的用途有2种：一是用于生产，例如，某炼油厂1983年就以催化裂化稳定汽油余热和系统乏汽为热源，在催化裂化装置的吸收稳定系统投用3台溴化锂吸收制冷机，改善了吸收稳定操作，半年就增加液化石油气产量14 kt[28];二是用于办公和生活空调，减少电的消耗。
吸收式变热器是国外近年发展的一种低温热回收利用技术，通过变热器将低温热（如90℃热水）转化为2部分，一部分转化为较高温位的热量，用作加热热源；一部分降质为废弃的低温热量，通过冷却排弃。我国已将变热器技术列入高科技研究项目，研究的焦点是选用合适的工质，其难点是制取200℃左右的热量。
5 前景
随着我国《可再生能源法》的颁布，作为可再生能源的重要组成部分的低温热能（如太阳能热、地热、工业余热等）也将有一个大的发展，根据国家规划，到2010年，小水电、风力发电、生物质发电、地热发电和太阳能发电系统装机容量的目标是60 GW,其中相当部分是采用低温热能的发电技术。因此，需要加强对低温热能发电技术的研究，低温热能发电技术的发展趋势是高效、环保的能源系统。
低温热回收利用的发展前景是广阔的，是进一步深化节能的一个重要方面，节能效果显著。今后对低温热回收利用研究主要集中在以下几个方面：
1）寻找合适用户，制定可行方案。一般有纯供热型，供热、制冷联合型和供热、制冷、发电型3种方案。低温热用户各厂情况差异很大，要因地制宜。开发升级利用途径，以确保地温热充分利用，方案可行。
2）挖掘低温热源，重点做好生产装置80℃以上冷却物流热量的回收。生产装置要考虑取热工程的切实可行并确保安全可靠。
3）开发低温热升级利用的新技术，提高温位，便于利用，建议有关部门通过项目试点，采取技贸结合的原则，在引进设备的同时，引进设计及制造技术。
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