“双碳”目标下低温余热利用技术研究
进展
摘要：2021年12月，国务院印发《“十四五”节能减排综合工作方案》，明确指出推动重点行业节能改造和污染物治理，到2025年，全国单位国内生产总值能源消耗比2020年下降13.5%。
2022年1月，工信部等八部委联合印发《关于加快推动工业资源综合利用的实施方案》，推动工业资源综合利用和绿色转型，为实现碳达峰、碳中和目标奠定基础。
根据行业调查，我国工业能耗约占全社会总能耗的70%以上，其中余热资源约占其能源消耗总量的16%～67%，可回收利用的余热资源约占约其能源消耗总量的10%～40%。
通常，按照余热的不同温度，一般将高于500℃的余热称为高温余热，400～500℃称为中温余热，400℃以下为低温余热。
当前低温余热回收主要以钢铁、冶金、水泥、化工等行业生产过程中产生的高温显热为主。
近年来，随着低温余热发电机组、中高温热泵技术等低温余热回收利用技术的逐渐突破，为工业企业低温余热回收利用的推广提供保障。
关键词：“双碳”目标；低温余热；利用技术
1低温余热利用技术
1.1吸收式制冷技术
当热用户有冷量需要时，也可以将余热通过制冷技术进行回收利用。
在余热制冷技术中，吸收式制冷技术比传统的压缩式制冷技术环境友好，它利用制冷工质对的不断混合分离，在蒸发过程中吸收外界的热量产生制冷的效果，而不需要消耗电能。
制冷工质一般为天然的氨—水、溴化锂水溶液等。
以氨—水为工质对的吸收式制冷适用的蒸发温度可低于–70℃，且环境友好，但存在设备占地面积大、系统性能系数低的问题。
溴化锂吸收式制冷适用的蒸发温度一般高于0℃，对热源的温度要求不高，可以有效利用低温余热，具有较好的节能和经济效益。
1.2ORC低温技术
对于环冷机中后段温度小于300℃的中低温热源，传统的以水蒸汽为循环工
质的发电系统由于产生的蒸汽压力低，导致发电效率较低，无法产生经济效益。
随着技术不断改进，效率更高的ORC发电技术被应用于冶金行业。
ORC发电是利
用有机工质低沸点的特性，在低温情况下即可产生较高压力的有机工质蒸汽，推
动汽轮机做功。
例如，日本君津500m2烧结机率先安装了一套利用F85低沸点有
机介质循环的余热发电系统，透平机发电装机容量14.8MW，发电量可达12.5MW。
宝钢三烧ORC发电示范项目于2019年投产，成为我国钢铁行业烧结工序中首个
兆瓦级有ORC发电应用示范案例和国内单机最大的ORC发电机组机组。
其年可发
电量可达1191万kWh，折合标煤3811t，实现减排二氧化碳9528t。
目前ORC低
温余热发电技术仍存在投资大，占地面积大的劣势，是今后相关研究需要克服的
主要问题[1]。
1.3热泵技术
1.3.1表面式换热技术
在表面式换热技术中，工业设备排风不与热泵蒸发器直接接触，而是利用低
温水或防冻液通过表面换热器提取工业设备排风中的热量，循环介质升温后进入
热泵系统，在蒸发器放热后继续回到换热器取热。
研究人员提出了一种充分利用
排风余热的装置，将表面换热器设置在位于排风井顶部的导风筒内，换热管内为
循环水，管外为矿井排风。
循环水吸收排风中的热量后温度升高，作为低温热源
进入热泵机组。
该装置从排风中回收的热量可用于矿井新风加热、冬季建筑供暖
及洗浴用水制备等场合。
在表面式换热技术中，工业设备排风不进入热泵机组，
可保证机组运行平稳，延长了热泵的使用寿命。
然而，此类技术只能回收排风中
的湿热热，因此换热效果有限，同时排风杂质堵塞换热器的问题依然存在。
1.3.2喷淋式换热技术
为了充分地回收工业设备排风中的热量，可将喷淋式换热技术与水源热泵结
合使用。
在这类系统中循环水通过喷淋装置与排风直接接触，进行充分换热，同
时回收排风中的显热和潜热。
吸收排风热量的喷淋水被送入热泵机组，作为水源
热泵的低温热源，放热降温后再通过管路回到喷淋装置。
被喷淋处理后温度较低、含尘较少的排风则经过挡水板排至室外大气。
1.4逆流直接换热技术
井筒防冻技术方案主要是利用逆流直接换热技术，工业设备乏风通过风道进
入布置有高效导热纳米金属合金材料的热量直接换热器，与逆流进入换热器的新
风进行高效热交换，以实现用余热加热新风的目标。
加热后的新风被风道导入至
井口处，实现井口防冻的效果。
逆流直接换热技术带有的纳米涂层高效热传导材
料通过合理的逆流结构设计实现高效热传导。
逆流直接换热技术按照工作过程可
划分为3个部分，即回风对流换热、带纳米涂层的合金内部导热和新风对流换热。
逆流直接换热技术的特点是通过高效热传导实现热量转移，工业设备乏风进入逆
流直接换热器，回风热量直接传给新风，新风进入换热器接触到金属侧壁面受热
后直接送入井口，由于进风井和回风井距离受限，因此送风温度不高于回风温度。
另外还需定期清洗回风侧换热器附着物，效率衰减控制在5%以内。
逆流直接换热
系统拥有结构简单、运行成本低、维护便捷、使用寿命较长的特点[2]。
1.5空压机余热回收技术
洗浴热水加热是利用空压机余热技术，将工业设备中空气压缩机油站的热量
通过热回收装置与循环水进行热交换以达到加热洗浴水的目的。
空压机余热高效
热能回收装置中的换热器材质为不锈钢板，换热管为弹簧盘管式，水流的冲刷作
用使换热管自由伸缩胀缩，不易结水垢。
在长期使用过程中，通过换热管的膨胀
可自动脱垢，换热效率不变。
空压机余热技术换热方式为压缩机油-中间循环水-
洗浴热水，通过中间循环水与85℃的压缩机油换热，吸收压缩机油的热量后进入
热水箱下部的加热器，制取45～50℃热水用于洗浴热水加热。
中间循环水水质的
控制对系统内换热效果有直接影响，控制好循环水水质，定期清理水箱下部换热器，效率无衰减。
空压机热回收技术优点是运行成本极低，热水温度保证较高，
加热无运转部件，使用寿命长[3]。
2低温余热利用发展方向
实现低温余热的高效利用，除了选择合适的余热利用技术，还应考虑怎样将
余热利用技术与换热网络进行集成优化。
夹点技术是目前最实用的过程集成方法，尤其在热回收换热网络的优化集成方面。
但是该方法对含有低温余热回收的换热
网络系统具有局限性。
目前已有学者提出了不同的集成方法。
相关人员对有机朗
肯循环和换热网络进行了大量的集成方法研究。
为了解决单独使用有机朗肯循环
时与余热的热匹配较差的问题，提出了一种系统的方法来确定有机朗肯循环和热
泵中的工质以及集成系统的最佳运行条件。
研究人员对含有压缩吸收式复叠制冷
系统的换热网络进行集成设计和优化，并提出了能够同时确定换热网络结构和制
冷系统运行条件的优化方法。
然而在大量的集成优化方法中，低温余热利用技术
并没有针对特定案例进行严格的热力学模拟和优化。
研究人员提出了一种混合优
化方法，将元启发式和确定性技术与过程模拟结合在一起，使得余热回收和换热
网络系统的数据更准确，并在考虑了经济、环境和社会方面时确定该集成系统的
结构和操作参数。
基于数学规划法的集成优化方法较夹点技术复杂，在工业实际
应用较少，对于含有余热回收利用的换热网络系统也并没有一个简明通用的方法，需要对低温余热利用技术和换热网络开发类似于夹点技术这种容易应用的集成优
化方法[4]。
3结语：低温工业余热资源普遍存在且相当可观，通过低温余热发电技术、
中高温热泵等技术实现低温工业余热资源的综合利用是工业企业节能降耗的有效
手段，也是实现“碳达峰、碳中和”的重要途径，对于推动能源消费侧节能降碳
具有典型示范意义。
参考文献：
[1]余龙清，马锋，胡学伟．低温工业余热综合利用[J].资源节约与环保，2018，（4）：13–17.
[2]徐梦凯，李舒宏，金正浩．氨–水–溴化锂三元工质氨吸收式制冷性能[J]．化工学报，2021，72（S1）：127–133.
[3]陈程，陈鑫，徐凤，等．燃煤机组脱硫废水零排放物料–能–水耦合机
制及优化[J]．化工学报，2021，72（11）：5800–5809.
[4]刘金萍．芳烃抽提装置蒸汽系统节能优化[J]．山东化工，2021，50（12）：153–155.。